海洋內(nèi)波的紅外探測＊

陽海鵬 王 丹

（海軍潛艇學(xué)院海洋遙感研究所 青島 266071）

1 引言

海洋內(nèi)波是海洋中一種重要的動(dòng)力現(xiàn)象，也是海水運(yùn)動(dòng)的一種重要形式，它是海水混合、形成表面細(xì)微結(jié)構(gòu)的激勵(lì)機(jī)制。海洋內(nèi)波具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，其振幅、波長和周期分布在很寬的范圍內(nèi)，一般為幾米至幾十米，近百米到幾十公里，幾分鐘到幾十小時(shí)。目前內(nèi)波的遙感觀測主要有可見光遙感、高度計(jì)遙感和SAR遙感。相對傳統(tǒng)的接觸式溫鹽深觀測方法來說，遙感探測具有空間覆蓋范圍廣，分辨率高，資料獲取費(fèi)用相對較低的優(yōu)點(diǎn)。

相對SAR遙感探測內(nèi)波技術(shù)的成熟，紅外遙感探測內(nèi)波才剛剛起步。雖早在1965年，Osborne［1］就從理論上研究了內(nèi)波的表面流場引起的散度場對海表溫度的影響，但直到1998年，Walsh等人［2］在分析熱帶海洋－全球大氣耦合海氣響應(yīng)實(shí)驗(yàn)［3］（TOGA－COARE）中紅外遙感數(shù)據(jù)時(shí)，才捕獲到了內(nèi)波的紅外圖像。隨后，Jessup、Zappa［4］，Marmorino［5］等人相繼開展了對內(nèi)波的紅外觀測實(shí)驗(yàn)研究，通過總結(jié)他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，內(nèi)波可引起海表溫度的變化，在空間形式上為明暗相間的條紋（見圖1），海表存在較強(qiáng)溫度梯度時(shí)，內(nèi)波引起的海表溫度波動(dòng)較大，量級為0.1℃，當(dāng)海表不存在強(qiáng)溫度梯度時(shí)，內(nèi)波引起的海表溫度波動(dòng)較小，量級為0.01℃。雖然海上實(shí)驗(yàn)獲得了內(nèi)波的紅外圖片，但關(guān)于內(nèi)波調(diào)制海表溫度的機(jī)理還不成熟，現(xiàn)階段主要有兩種假說：1）Walsh提出的內(nèi)波的溫層調(diào)制假說；2）Marmorino提出的內(nèi)波的冷表皮剪切假說。

圖1 內(nèi)波的紅外成像

2 海洋內(nèi)波的紅外探測實(shí)驗(yàn)

國外開展的紅外觀測實(shí)驗(yàn)較多，在一些大型聯(lián)合調(diào)查中都有紅外觀測的項(xiàng)目，如熱帶海洋－全球大氣耦合海氣響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（TOGA-COARE）、耦合邊界層海氣傳輸實(shí)驗(yàn)（CBLAST-Low）中的低風(fēng)速部分，Walsh、Jessup、Zappa等人利用這些實(shí)驗(yàn)中的紅外數(shù)據(jù)，得到了內(nèi)波的紅外圖像，當(dāng)然也有對內(nèi)波單獨(dú)進(jìn)行紅外觀測的實(shí)驗(yàn)，如Marmorino等人的紅外觀測實(shí)驗(yàn)。通過對這些紅外內(nèi)波觀測實(shí)驗(yàn)進(jìn)行歸納、統(tǒng)計(jì)如表1。

通過表1對紅外遙感內(nèi)波實(shí)驗(yàn)分析，易知其觀測具有如下規(guī)律：

1）內(nèi)波的紅外觀測要求風(fēng)速較小（＜4m／s），海況在2級以下；

2）紅外觀測儀器精度要達(dá)到0.02℃以上，空間分辨率要達(dá)到米級；

3）當(dāng)海表存在較強(qiáng)溫度梯度時(shí)（溫層存在），內(nèi)波引起的海表溫度波動(dòng)較大，量級為0.1℃，當(dāng)海表不存在強(qiáng)溫度梯度時(shí)，內(nèi)波引起的海表溫度波動(dòng)較小，量級為0.01℃。

表1 內(nèi)波的紅外觀測實(shí)驗(yàn)

3 內(nèi)波調(diào)制海表溫度機(jī)理

3.1 Walsh提出的內(nèi)波的溫層調(diào)制假說

Walsh（1998）等人根據(jù)熱帶海洋－全球大氣耦合海氣響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（TOGA-COARE）中內(nèi)波的紅外觀測，提出了內(nèi)波的溫層調(diào)制假說。在紅外圖像上觀測到的明暗相間條紋，其溫差大約為0.5℃，在確定該結(jié)構(gòu)與海表均方斜率、風(fēng)速和海表流速無關(guān)后，Walsh（1998）等人發(fā)現(xiàn)其與在季節(jié)性溫躍層中傳播的內(nèi)波相關(guān)性很大，從而提出了內(nèi)波能調(diào)制海洋上層幾米內(nèi)的垂直混合假說，由于強(qiáng)的日照和低風(fēng)速，海洋上層會存在強(qiáng)的溫度梯度層［6］。Walsh的理論可以得到同步的錨定浮標(biāo)數(shù)據(jù)的支持，該觀測海域的浮標(biāo)數(shù)據(jù)表明內(nèi)波引起的溫度波動(dòng)可到0.5m的深度，但是沒有對應(yīng)的表面和次表面的實(shí)測數(shù)據(jù)來確定該機(jī)制。

在低風(fēng)速、高太陽輻射下，熱和動(dòng)量都集中在近表面的“周日溫層”中，其溫度梯度甚至可達(dá)4℃／m［7］。Fairall（1996）等人認(rèn)為溫層深度受一個(gè)給定的理查德數(shù)控制，在確定溫層深度后，可以準(zhǔn)確仿真該溫層的演化［8］。在Fairall等人提出的溫層模型下，Walsh等人從實(shí)際錨定剖面數(shù)據(jù)觀測到內(nèi)波能調(diào)制O（1m）厚的溫層將近O（1m）出發(fā)，假定觀測到的SST信號與內(nèi)波對溫層底的傳輸調(diào)制有關(guān)。Farrar等人［9］也認(rèn)為，內(nèi)波的溫層調(diào)制具有一定的可信性，因?yàn)樗麄冊谏疃?m處觀測到了與躍層中內(nèi)波波動(dòng)形式一致的溫度波動(dòng)，即認(rèn)為內(nèi)波對溫層深度的擾動(dòng)可傳遞到海表，其模型方程如下：

式中：C為常數(shù)，ΔT和ΔU為溫層底和表面的溫度和流速差異，D為溫層深度。內(nèi)波導(dǎo)致溫層底部的向上移動(dòng)，將使D減少，從而理查德數(shù)小于給定閾值，ΔT，ΔU，D將進(jìn)行調(diào)整使方程（1）成立。溫層存在時(shí)，溫層底部的飄移調(diào)制產(chǎn)生的溫度異常信號與觀測到的溫度波動(dòng)值大小接近。假定在垂直流速向下的半個(gè)周期里，溫層飄移不發(fā)生，由Fairall模型求得的溫度改變

其中，Δt為內(nèi)波周期，QWL為溫層凈的熱通量。當(dāng)QWL取值為300W／m2，波的周期為0.5～2小時(shí)，且D＝O（1m），可求得表面溫度將升高0.14～0.52℃（見圖2）。

雖其溫度范圍與Walsh和Marmorino觀測的溫度異常值差不多。但Fairall等人的溫層模型沒有考慮水平對流，也沒考慮垂直對流時(shí)熱和動(dòng)量的守恒，只假定了垂直對流沒有直接影響表面性質(zhì)，也沒影響溫層底部的流速和溫度，即垂直對流僅影響溫層深度D。因此，這個(gè)內(nèi)波的溫層調(diào)制模型是很難理解的，不僅溫層的向下傳輸產(chǎn)生暖的信號與常識不符，而且不知道垂直混合調(diào)制海面溫度的具體物理機(jī)制，同時(shí)對于典型的熱分層剖面來說，垂直混合只會導(dǎo)致表面變冷，這樣內(nèi)波調(diào)制近表面混合產(chǎn)生暖的SST信號是不明顯的。在特殊情況下，如果溫層不存在是否就觀測不到內(nèi)波的海表紅外圖像？

3.2 Marmorino提出的內(nèi)波的冷表皮剪切假說

Marmorino（2004）等人提出內(nèi)波的冷表皮剪切調(diào)制主要是依據(jù)Osborne的理論工作，為了評估表面剪切率的變化對海洋皮溫的影響，Marmorino應(yīng)用了Leighton［10］提出的一線性剪切模型方程。

圖2 內(nèi)波周期與海表溫度波動(dòng)關(guān)系

α為水平表面散度（即垂直剪切率，α＝－?w／?z），κ是分子熱擴(kuò)散系數(shù)，Q是海洋表面的熱通量，ρ為海水的密度，cp為比熱。Marmorino認(rèn)為內(nèi)波對冷表皮產(chǎn)生影響是在周圍水體的背景剪切場上產(chǎn)生的，在他們2002年的紅外實(shí)驗(yàn)中通過測得的ΔT和Q值獲得背景場α≈0.05s－1，在該值附近ΔT和α近似為線性關(guān)系，因此，可以假定內(nèi)波對海表溫度的擾動(dòng)源于內(nèi)波散度對冷表皮內(nèi)溫差的調(diào)制

圖3 背景剪切場與冷表皮內(nèi)溫差關(guān)系圖

當(dāng)αIW＝0.01s－1，將產(chǎn)生可觀察到的SST變化（T′＝0.0372℃）。該剪切率表明在深度1m處垂直流速大約是1cms－1。雖然從上面分析看來內(nèi)波調(diào)制冷表皮溫度似乎是可信的，但是理論上，用方程（4）來評估其大小是有問題的，因?yàn)楫?dāng)我們考慮背景剪切場趨向0時(shí)，ΔT將趨向無窮大，且其所選的α≈0.05s－1背景場不一定是該方程的適用范圍，根據(jù)Osborne在他的文章中的討論，對于方程（4），當(dāng)α≈κ／δ2≈0.1s－1時(shí)（δ為冷表皮厚度），例如κ≈10－7m2／s，δ≈1mm，方程成立。因此周圍剪切率為0.05s－1超出了方程（4）的使用范圍，同時(shí)α取值只能為正，僅能代表內(nèi)波垂直流速向上的情況，而不能代表內(nèi)波垂直流速向下的情況。Wells等人［11］通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)指出冷表皮剪切在低散度條件下，如內(nèi)波所致散度，所致海面溫度波動(dòng)很小O（10－3℃），與實(shí)際海上觀測實(shí)驗(yàn)相差較大，但模型仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在常定偏差，大約0.43℃，因此認(rèn)為該模型還有某種物理機(jī)制沒有考慮。

雖然，現(xiàn)階段還沒有確切的內(nèi)波調(diào)制海表溫度機(jī)理模型，但由Walsh和Marmorino提出的假說可以得到一定的啟示，內(nèi)波的流場通過某種機(jī)制重新分配了水體的熱量，從而引起海表溫度的變化，因此我們可以對這些模型進(jìn)行改進(jìn)或直接通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)來探討內(nèi)波的紅外成像機(jī)理。

4 結(jié)語

紅外遙感具有被動(dòng)成像，成像分辨率高，可全天時(shí)觀測特點(diǎn)，作為內(nèi)波探測的一種方法可與SAR遙感探測方法相結(jié)合，增加探測內(nèi)波的可能性。雖然內(nèi)波的SAR遙感探測技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但當(dāng)海面風(fēng)速極小或平靜海面時(shí)，沒有風(fēng)浪產(chǎn)生的布拉格散射，內(nèi)波的雷達(dá)成像會很模糊，而且SAR探測內(nèi)波對傳感器的視角還有一定要求，而低風(fēng)速、平靜海面條件，正是紅外探測內(nèi)波所需環(huán)境，且沒有視角要求，因此，可與SAR探測內(nèi)波相互結(jié)合，提高探測概率，獲得更寬的探測條件。

紅外遙感內(nèi)波是完全可行的，其溫度波動(dòng)隨觀測條件及當(dāng)時(shí)觀測環(huán)境有關(guān)。雖然現(xiàn)階段獲得了大量的紅外探測內(nèi)波圖像，但關(guān)于內(nèi)波調(diào)制海表溫度機(jī)理還需進(jìn)一步研究。

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