星載微波散射計海面風(fēng)場與海洋環(huán)境噪聲的相關(guān)特性分析

魏士儼,楊晟,許德偉

(1.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門361005;2.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

星載微波散射計海面風(fēng)場與海洋環(huán)境噪聲的相關(guān)特性分析

魏士儼1,楊晟2,許德偉1

(1.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門361005;2.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

根據(jù)海洋環(huán)境噪聲機理及風(fēng)關(guān)噪聲已有的研究成果，提出利用星載微波散射計反演的海面風(fēng)場數(shù)據(jù)進行海洋環(huán)境噪聲分析，并對HY-2A和ASCAT數(shù)據(jù)與噪聲譜級的相關(guān)性進行了對比分析。選取南海海域作為研究區(qū)，利用潛標(biāo)測量系統(tǒng)獲取的噪聲數(shù)據(jù)和多源散射計風(fēng)場數(shù)據(jù)開展了相關(guān)實驗，并采用NCEP海面風(fēng)場數(shù)據(jù)進行對比分析。結(jié)果表明，ASCAT數(shù)據(jù)與噪聲的相關(guān)性優(yōu)于HY-2A，散射計數(shù)據(jù)優(yōu)于NCEP數(shù)據(jù)，散射計風(fēng)場更適合海洋環(huán)境噪聲的分析研究。該研究內(nèi)容拓展了微波散射計風(fēng)場數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，并為海洋環(huán)境噪聲研究提供了更好的技術(shù)手段。

海面風(fēng)場; HY-2A; ASCAT;海洋環(huán)境噪聲

1 引言

海洋環(huán)境噪聲作為海洋中所固有的背景聲場，是影響水聲目標(biāo)探測和定位的重要因素，對于潛艇水下活動極為重要。因此，加強對海洋環(huán)境噪聲的研究是一個非常重要的課題。海洋環(huán)境噪聲聲源有很多，包括風(fēng)、降雨、地震、潮汐、船舶、生物、人類活動等，其中，航船噪聲是頻率在50～500 Hz范圍內(nèi)的主要噪聲源，風(fēng)關(guān)噪聲是幾百赫茲至幾十千赫茲頻帶內(nèi)的主要噪聲源[1]。在開闊海域，海面風(fēng)速與海洋環(huán)境噪聲級之間具有高度相關(guān)的特點。1960年Dietz等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在淺海海域當(dāng)風(fēng)速小于5 kn且頻率小于80 Hz的條件下，風(fēng)速與噪聲譜級不存在相關(guān)性。1964年P(guān)iggott[3]從淺海的測量結(jié)果分析得出，在高頻部分，風(fēng)速對數(shù)與噪聲譜級大致呈線性關(guān)系，在低頻段(頻率小于140 Hz)時，風(fēng)速在25 kn以上才對噪聲有貢獻。1972年Crouch和Burt[4]將此結(jié)果推廣至深海海域。目前，最具代表性的噪聲場譜級曲線包括Knudsen譜、Wenz譜、Piggott譜、Crouch譜等[1，5]。林建恒等[6]利用在中國近海獲取的噪聲數(shù)據(jù)對海面風(fēng)場進行修正估計，笪良龍等[7]利用預(yù)報的風(fēng)速數(shù)據(jù)對南海夏季的海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速的相關(guān)性進行了分析。

現(xiàn)有的海洋環(huán)境噪聲特性分析研究中，同步風(fēng)場數(shù)據(jù)主要采用浮標(biāo)測量得到的結(jié)果，由于其投入成本較高、覆蓋范圍較小，使得噪聲同步數(shù)據(jù)較為缺乏，制約了海洋環(huán)境噪聲研究的發(fā)展；而采用模式計算得到的海面風(fēng)場，受初始場和邊界條件的影響，與實際觀測數(shù)據(jù)仍有區(qū)別。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，特別是利用星載微波散射計實現(xiàn)了對全球海面風(fēng)場的觀測，使大范圍、長時序的噪聲同步風(fēng)場數(shù)據(jù)觀測成為可能，為海洋環(huán)境噪聲的特性研究提供了一種新的手段。

目前，MetOp系列衛(wèi)星和HY-2A衛(wèi)星微波散射計風(fēng)場是全球業(yè)務(wù)化海面風(fēng)場數(shù)據(jù)的主要來源，而利用星載微波散射計風(fēng)場開展海洋環(huán)境噪聲特性的研究非常少，特別是還沒有針對多源散射計風(fēng)場與噪聲譜級相關(guān)性的研究。因此，本文利用在南海典型海域通過潛標(biāo)測量系統(tǒng)獲取的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，開展HY-2A和MetOp系列衛(wèi)星微波散射計海面風(fēng)場數(shù)據(jù)與噪聲譜級數(shù)據(jù)的相關(guān)性對比分析，為進一步利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進行海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測和建模的研究工作提供技術(shù)支持。

2 數(shù)據(jù)與方法

為了對不同星載微波散射計海面風(fēng)場數(shù)據(jù)與海洋環(huán)境噪聲的相關(guān)性進行對比分析，本文將中國南海典型海域作為研究區(qū)，采用海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)、衛(wèi)星微波散射計海面風(fēng)場數(shù)據(jù)和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)海面風(fēng)場數(shù)據(jù)，通過時空匹配獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)，開展相關(guān)的研究。

2.1 微波散射計海面風(fēng)速數(shù)據(jù)

2011年8月發(fā)射的HY-2A衛(wèi)星，搭載有我國第一個可業(yè)務(wù)化運行的衛(wèi)星散射計HY-2A，其工作頻率為13.256 GHz，包括兩種極化方式(VV和HH)，對同一海面分辨單元能夠得到不同極化方式及入射角度的后向散射系數(shù)(σ°)觀測結(jié)果。HY-2A業(yè)務(wù)化運行采用NSCAT-2地球物理模型，測風(fēng)風(fēng)速范圍為4～24 m/s，風(fēng)速精度為2 m/s或10%；風(fēng)向測量范圍為0°～360°，風(fēng)向精度為±20°。海面風(fēng)場產(chǎn)品的空間分辨率25 km，1 d能夠覆蓋全球90%的海域[8]。

2006年10月發(fā)射MetOp-A衛(wèi)星及2012年9月發(fā)射的MetOp-B衛(wèi)星均搭載了散射計ASCAT(Advanced Scatterometer)，3個垂直極化的天線工作頻率為5.255 GHz。ASCAT采用CMOD4地球物理模型，測風(fēng)風(fēng)速范圍為4～24 m/s，風(fēng)速精度為2 m/s或10%；風(fēng)向測量范圍為0°～360°，風(fēng)向精度為±20°[9]。海面風(fēng)場產(chǎn)品的空間分辨率25 km，2 d能夠覆蓋全球海域[10]。

本文選取了2013-2015年南海海域ASCAT l2和HY-2A L2B海面風(fēng)場數(shù)據(jù)。由于微波散射計適合探測的風(fēng)速范圍為4～24 m/s，因此，剔除了超出此范圍的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)識，剔除了海岸、海冰區(qū)域以及其他質(zhì)量不合格的數(shù)據(jù)。ASCAT和HY-2A風(fēng)場數(shù)據(jù)空間格網(wǎng)為25 km×25 km。

2.2 NCEP海面風(fēng)速數(shù)據(jù)

本文選取了2013-2015年間南海海域NCEP海面風(fēng)場數(shù)據(jù)作為比對數(shù)據(jù)。風(fēng)場數(shù)據(jù)時間分辨率為1 h，空間格網(wǎng)為25 km×25 km。

2.3 海洋環(huán)境噪聲級數(shù)據(jù)

2012-2015年間，在南海海域開展了多次利用潛標(biāo)測量系統(tǒng)觀測海洋環(huán)境噪聲的實驗，實驗區(qū)域見圖1。

圖1中，主要標(biāo)注了兩個長期觀測區(qū)域的潛標(biāo)位置。實驗采用的潛標(biāo)測量系統(tǒng)主要包括兩種測量單元：DSG(Digital Spectrogram Long-term Acoustic Recorder)和USR(Underwater Signal Recorder)。由于潛標(biāo)系統(tǒng)包括不同深度的多個通道，本文中選取多個站位最上層通道獲取的噪聲數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)處理分析，得到觀測區(qū)域的海洋環(huán)境噪聲譜級。其中，海洋環(huán)境噪聲測量并沒有明確的質(zhì)量控制方法，本文通過在時域空間選取較為平穩(wěn)的信號，根據(jù)信號的頻率特性進行分析，從而實現(xiàn)質(zhì)量控制。累計共獲得了不少于每年1個月時長的海洋環(huán)境噪聲觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的處理過程具體如下：

噪聲級定義如式(1)所示[11]，

NSL=20lg〈p2〉1/2,

(1)

式中，p為聲壓；NSL(noise spectrum level)為噪聲級，單位：dB·re·1 μPa2/Hz。本文中采用的是1/3倍頻程的噪聲級數(shù)據(jù)，計算公式如下：

NSL=NL1/3octive-10lg〈0.232f〉，

(2)

式中，NL1/3octive為1/3倍頻程的頻帶聲壓級；f為每個頻帶的中心頻率。

為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用Benjamin[12]的方法并結(jié)合航船等信息，將受到除風(fēng)關(guān)噪聲以外，其他噪聲影響較大的數(shù)據(jù)剔除。該方法根據(jù)海面風(fēng)速對數(shù)與其主要影響頻率范圍內(nèi)噪聲級具有線性關(guān)系的性質(zhì)，得出了該范圍內(nèi)不同頻帶噪聲級之間也具有線性關(guān)系；因此，對不同中心頻率(本文中頻率范圍為630～2 500 Hz)的噪聲級數(shù)據(jù)兩個一組繪制散點圖并擬合直線，然后剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，從而保留主要以海面風(fēng)為源的噪聲級數(shù)據(jù)。

圖1 海洋環(huán)境噪聲觀測實驗區(qū)域Fig.1 Marine ambient noise measurement area

2.4 海面風(fēng)速與海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)匹配

為了能夠準(zhǔn)確地分析海面風(fēng)速和海洋環(huán)境噪聲譜級的關(guān)系，需要對兩類數(shù)據(jù)進行時空匹配，提取風(fēng)速-噪聲時空對應(yīng)的數(shù)據(jù)。在提取風(fēng)速數(shù)據(jù)時，時間匹配窗口為1 h；空間匹配窗口為50 km×50 km，當(dāng)出現(xiàn)多組匹配數(shù)據(jù)時，選取距離最小的對應(yīng)數(shù)據(jù)作為匹配結(jié)果。本文的實驗中，對ASCAT、HY-2A風(fēng)速與噪聲進行了風(fēng)速-噪聲數(shù)據(jù)時空匹配，共得到了匹配數(shù)據(jù)317對。同時，采用散射計風(fēng)速與噪聲匹配后得到的噪聲數(shù)據(jù)的時空序列集合，對NCEP風(fēng)速數(shù)據(jù)進行了提取。具體結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 ASCAT風(fēng)速-噪聲匹配結(jié)果的風(fēng)速分布直方圖(146個數(shù)據(jù))Fig.2 Histogram of ASCAT wind speed for wind-noise matching results (146)

圖3 HY-2A風(fēng)速-噪聲匹配結(jié)果的風(fēng)速分布直方圖(171個數(shù)據(jù))Fig.3 Histogram of HY-2A wind speed for wind-noise matching results (171)

3 結(jié)果及分析

為了研究多源星載微波散射計海面風(fēng)場與海洋環(huán)境噪聲之間的關(guān)系，本文開展了一系列的相關(guān)性進行分析。所有匹配數(shù)據(jù)的整體相關(guān)性如圖4所示。

圖4 風(fēng)速對數(shù)與噪聲譜級的相關(guān)性Fig.4 Correlation between wind speed logarithm and NSL

其中，采用了Pearson相關(guān)系數(shù)來描述數(shù)據(jù)的相關(guān)性，計算公式如下：

(3)

由圖4可知，微波散射計風(fēng)速和NCEP風(fēng)速與噪聲譜級的關(guān)系符合相關(guān)理論和已有的研究成果，風(fēng)速對噪聲的影響主要集中在400～2 500Hz的范圍內(nèi)。微波散射計風(fēng)速數(shù)據(jù)與噪聲譜級的相關(guān)性明顯優(yōu)于NCEP風(fēng)速的結(jié)果。在400Hz以上的頻段內(nèi)，微波散射計風(fēng)速比NCEP風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)高出0.1左右，在630Hz以上的頻段內(nèi)，微波散射計風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)接近0.85，表現(xiàn)出與噪聲極強的相關(guān)性；而NCEP風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定在0.75，與噪聲譜級的相關(guān)性不如微波散射計風(fēng)速。

為了對多源散射計風(fēng)速進行對比分析，分別計算了ASCAT和HY-2A風(fēng)速對數(shù)與噪聲譜級的相關(guān)性，結(jié)果如圖5所示。

圖5 多源散射計風(fēng)速對數(shù)與噪聲譜級的相關(guān)性Fig.5 Correlation between scatterometer wind speed logarithm and NSL

由圖5可知，兩種散射計風(fēng)速數(shù)據(jù)與噪聲譜級的相關(guān)性明顯優(yōu)于NCEP風(fēng)速的結(jié)果。其中，在500Hz以上的頻段內(nèi)，風(fēng)速與噪聲譜級的相關(guān)性排序從大到小依次為：ASCAT風(fēng)速、HY-2A風(fēng)速、NCEP風(fēng)速；在630Hz以上的頻段內(nèi)，ASCAT風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)在0.85～0.9之間，HY-2A風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定在0.8，ASCAT風(fēng)速與噪聲譜級的相關(guān)性優(yōu)于HY-2A風(fēng)速。

在整體研究的基礎(chǔ)上，選取了兩個重點區(qū)域，即噪聲長期觀測的區(qū)域分別開展實驗，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 風(fēng)速對數(shù)與噪聲譜級相關(guān)性(南海北部)Fig.6 Correlation between wind speed logarithm and NSL(the northern South China Sea)

圖7 風(fēng)速對數(shù)與噪聲譜級相關(guān)性(南海中部)Fig.7 Correlation between wind speed logarithm and NSL(the central South China Sea)

在南海北部提取的風(fēng)速-噪聲匹配數(shù)據(jù)中包含了56個ASCAT數(shù)據(jù)和69個HY-2A數(shù)據(jù)；在南海中部提取的風(fēng)速-噪聲匹配數(shù)據(jù)中包含了49個ASCAT數(shù)據(jù)和60個HY-2A數(shù)據(jù)。在這兩個區(qū)域中，散射計風(fēng)速與噪聲譜級的相關(guān)性優(yōu)于NCEP風(fēng)速。圖6中，在500Hz以上的頻段內(nèi)，ASCAT風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)接近0.95，HY-2A風(fēng)速接近0.9，NCEP風(fēng)速穩(wěn)定在0.75；圖7中，在500Hz以上的頻段內(nèi)，ASCAT風(fēng)速和HY-2A風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)均保持在0.8，NCEP風(fēng)速仍穩(wěn)定在0.73。南海北部數(shù)據(jù)的相關(guān)性優(yōu)于南海中部，這主要是由于在兩個區(qū)域中，采用了不同的噪聲測量系統(tǒng)；而南海北部匹配的散射計數(shù)據(jù)與噪聲站位的平均距離小于南海中部，這在一定程度上也影響了相關(guān)性。根據(jù)已有的風(fēng)關(guān)噪聲理論，噪聲譜級與風(fēng)速對數(shù)存在線性關(guān)系，因此，本文對630～2 500Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲和風(fēng)速數(shù)據(jù)進行了回歸分析，并選取了1 000Hz和1 600Hz的結(jié)果繪制了散點圖，如圖8～11所示。

圖8 風(fēng)速與噪聲譜級散點圖(1 000 Hz) Fig.8 Wind speed vs NSL(1 000 Hz)

圖9 風(fēng)速與噪聲譜級散點圖(1 600 Hz)Fig.9 Wind speed vs NSL(1 600 Hz)

圖10 散射計風(fēng)速與噪聲譜級散點圖(1 000 Hz)Fig.10 Scatterometer wind speed vs NSL(1 000 Hz)

圖11 散射計風(fēng)速與噪聲譜級散點圖(1 600 Hz)Fig.11 Scatterometer wind speed vs NSL(1 600 Hz)

上述可知，由ASCAT和HY-2A風(fēng)速擬合的結(jié)果較為接近，而NCEP與散射計風(fēng)速的擬合結(jié)果存在一定的偏差。為了更好地表達分析結(jié)果，如表1和表2所示，本文采用均方根誤差(RMSE)和平均絕對誤差(MAE)作為精度指標(biāo)：

(4)

(5)

由表1、表2可知，散射計風(fēng)速擬合結(jié)果的精度優(yōu)于NCEP風(fēng)速，ASCAT風(fēng)速擬合結(jié)果的精度優(yōu)于HY-2A風(fēng)速；ASCAT風(fēng)速的最高精度出現(xiàn)在2 000Hz的頻率位置，HY-2A出現(xiàn)在630Hz的頻率位置，NCEP出現(xiàn)在630Hz的頻率位置。3種數(shù)據(jù)的誤差最大值均在1 250Hz的頻率位置。綜上所述，就風(fēng)速與噪聲譜級的相關(guān)性而言，ASCAT數(shù)據(jù)優(yōu)于HY-2A數(shù)據(jù)，這主要是因為相關(guān)性在一定程度上受到散射計觀測海面風(fēng)速精度的影響，精度越高，相關(guān)性應(yīng)該越好。而散射計數(shù)據(jù)優(yōu)于NCEP數(shù)據(jù)，其原因是散射計數(shù)據(jù)是觀測得到的結(jié)果，比NCEP數(shù)據(jù)更接近實際的風(fēng)速。對于不同區(qū)域400～2 500Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲，散射計數(shù)據(jù)相關(guān)性存在一定范圍的波動，而NCEP數(shù)據(jù)相關(guān)性比較穩(wěn)定。這是由于在同一區(qū)域的不同時刻，散射計數(shù)據(jù)的位置分布并不相同，而提取的結(jié)果是匹配窗口內(nèi)距離噪聲點位置最近的數(shù)據(jù)，這導(dǎo)致匹配風(fēng)速數(shù)據(jù)的分布存在一定的隨機性；而NCEP數(shù)據(jù)是采用的是固定格網(wǎng)，即同一個噪聲位置匹配的風(fēng)速數(shù)據(jù)都具有相同位置坐標(biāo)。

表1 風(fēng)速對數(shù)與噪聲譜級擬合結(jié)果分析

表2 散射計風(fēng)速對數(shù)與噪聲譜級擬合結(jié)果分析

4 結(jié)論

根據(jù)海洋環(huán)境噪聲的產(chǎn)生機理以及風(fēng)關(guān)噪聲的研究成果，采用ASCAT、HY-2A海面風(fēng)場數(shù)據(jù)和在中國南海海域利用潛標(biāo)系統(tǒng)測量得到的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，開展了多源海面風(fēng)場數(shù)據(jù)與海洋環(huán)境噪聲相關(guān)性的對比分析，并采用NCEP海面風(fēng)場數(shù)據(jù)進行了對比驗證。實驗結(jié)果表明，散射計風(fēng)速數(shù)據(jù)與海洋環(huán)境噪聲譜級的相關(guān)性優(yōu)于NCEP數(shù)據(jù)，ASCAT數(shù)據(jù)優(yōu)于HY-2A數(shù)據(jù)；回歸分析的結(jié)果也表明在研究風(fēng)關(guān)噪聲時，ASCAT和HY-2A數(shù)據(jù)優(yōu)于NCEP數(shù)據(jù)。下一步工作中，將開展利用星載散射計風(fēng)場進行海洋環(huán)境噪聲建模的研究。

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Correlation analysis of satellite-bone microwave scatterometer wind and ocean ambient noise

Wei Shiyan1, Yang Sheng2, Xu Dewei1

(1.ThirdInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Xiamen361005,China; 2.NationalSatelliteOceanApplicationService,Beijing100081,China)

According to the fundamental mechanisms and recent research results of wind-generated noise, satellite-bone microwave scatterometer wind (SMSW) was applied to ocean ambient noise study in this paper. The correlation between HY-2A/ Advanced Scatterometer(ASCAT) wind and ambient noise was analyzed. The ambient noise data of subsurface buoy and SMSW in South China Sea were adopted in the experiment and the National Centers for Environmental Prediction(NCEP) wind was used in comparison. The results show that correlation between ASCAT data and ambient noise is better than HY-2A, and SMSW is better than NCEP data. The SMSW is more applicable to ambient noise study. This research expanded application field of SMSW and provided a better approached for ambient noise research.

sea wind; HY-2A; ASCAT; ocean ambient noise

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.006

2016-06-21；

2016-11-24。

海洋環(huán)境安全保障專項(2016YFC1401008)；海洋公益項目HY-2A環(huán)境探測數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)技術(shù)系統(tǒng)與示范(2013418032-1)；福建省自然科學(xué)基金青年項目(2017J05064)；基于TG-2的海洋動力環(huán)境參數(shù)遙感融合技術(shù)研究。

魏士儼(1983—),男,寧夏自治區(qū)銀川市人,博士,主要研究領(lǐng)域為海洋遙感、海洋監(jiān)測。E-mail：weishiyan@tio.org.cn

TP79

A

0253-4193(2017)05-0061-07

魏士儼, 楊晟, 許德偉. 星載微波散射計海面風(fēng)場與海洋環(huán)境噪聲的相關(guān)特性分析[J]. 海洋學(xué)報, 2017, 39(5): 61-67,

Wei Shiyan, Yang Sheng, Xu Dewei. Correlation analysis of satellite-bone microwave scatterometer wind and ocean ambient noise[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(5): 61-67, doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.006