基于衛(wèi)星遙感觀測(cè)重構(gòu)水下三維流場(chǎng)的研究取得新進(jìn)展
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所徐永生團(tuán)隊(duì)在基于衛(wèi)星觀測(cè)重構(gòu)水下三維流場(chǎng)的研究中取得了突破性進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊《IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters》上。
海流作為海洋動(dòng)力學(xué)的重要組成部分,在研究海洋動(dòng)力過程與全球變化、構(gòu)建海洋數(shù)值預(yù)測(cè)模型、預(yù)測(cè)污染擴(kuò)散和生態(tài)系統(tǒng)變化等方面具有不可或缺的作用。同時(shí),它在軍事海洋戰(zhàn)略、航運(yùn)安全保障和海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。盡管衛(wèi)星海洋遙感技術(shù)具備全球覆蓋的優(yōu)勢(shì),但其目前只能獲取海洋表層信息。如何基于衛(wèi)星表層觀測(cè)數(shù)據(jù)重建海洋內(nèi)部的三維流場(chǎng),不僅具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值,還具有重要的實(shí)踐應(yīng)用意義。
然而,利用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)三維流場(chǎng)面臨諸多挑戰(zhàn),這主要源于海流變化的高度復(fù)雜性、觀測(cè)難度大以及觀測(cè)數(shù)據(jù)資源的極度匱乏。一方面,高精度儀器如海流計(jì)和聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)的成本高昂;另一方面,觀測(cè)過程對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性要求嚴(yán)苛,且操作復(fù)雜,導(dǎo)致高質(zhì)量海流觀測(cè)數(shù)據(jù)極為稀缺,難以滿足全球三維海流場(chǎng)構(gòu)建的迫切需求。傳統(tǒng)的水下三維重構(gòu)方法通常依賴貫穿不同水深的剖面測(cè)量數(shù)據(jù),但此類海流數(shù)據(jù)資源本身稀缺性極高,進(jìn)一步加劇了重構(gòu)的難度。這些因素顯著限制了衛(wèi)星海洋遙感技術(shù)的應(yīng)用。
針對(duì)這些難題,徐永生提出了一種基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的新型三維流場(chǎng)重構(gòu)技術(shù)。該技術(shù)通過分析區(qū)域溫鹽結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),提取關(guān)鍵垂向動(dòng)力模態(tài)特征,尤其聚焦于承載海洋大部分動(dòng)能(約90%)的正壓模態(tài)與第一斜壓模態(tài)。通過構(gòu)建衛(wèi)星表面觀測(cè)信息與這兩種主導(dǎo)模態(tài)之間的映射模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維海流場(chǎng)的有效重構(gòu)。要獲取這兩個(gè)關(guān)鍵模態(tài)的解,至少需要來自兩個(gè)不同深度的全球覆蓋海流信息源。徐永生研究團(tuán)隊(duì)通過將衛(wèi)星高度計(jì)和散射計(jì)數(shù)據(jù)反演出的地轉(zhuǎn)流和埃克曼流(代表表層海流)與Argo浮標(biāo)提供的1000米深度海流數(shù)據(jù)相結(jié)合,有效解決了這一問題。該方法的可靠性通過與超過15,000組ADCP實(shí)測(cè)海流剖面數(shù)據(jù)的對(duì)比得到了驗(yàn)證。

重構(gòu)三維流場(chǎng)與ADCP的對(duì)比結(jié)果:(a)和(b)分別是南北和東西方向流的隨深度變化的相關(guān)系數(shù),(c)和(d)分別是南北和東西方向流隨深度變化的歸一化均方根誤差

不同深度重構(gòu)流場(chǎng)與海面高度之關(guān)系
盡管衛(wèi)星遙感技術(shù)在海流觀測(cè)中具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際意義,但直接通過衛(wèi)星遙感手段探測(cè)海面矢量流仍是一項(xiàng)尚未在實(shí)踐中攻克的難題。本研究中所采用的表面流數(shù)據(jù),是基于衛(wèi)星高度計(jì)與散射計(jì)反演得到的地轉(zhuǎn)流與??寺鞣至?,這些僅是海流復(fù)雜成分中的一部分,因而不可避免地存在一定的精度局限性。全分量海流的衛(wèi)星遙感直接探測(cè)是海洋遙感技術(shù)的前沿探索領(lǐng)域,同時(shí)也是一個(gè)多學(xué)科交叉融合的難題,亟待科學(xué)界加以攻克。在國(guó)家自然科學(xué)基金的重點(diǎn)支持下,徐永生團(tuán)隊(duì)與航天科工集團(tuán)23所緊密協(xié)作,共同致力于實(shí)現(xiàn)海面矢量流的直接遙感探測(cè)。目前,聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研發(fā)的測(cè)流載荷已通過南海機(jī)載校飛驗(yàn)證,并成功搭載于珞珈二號(hào)衛(wèi)星,現(xiàn)正穩(wěn)定運(yùn)行。這一突破使我國(guó)成為全球首個(gè)擁有Ka波段順軌干涉SAR測(cè)流實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的國(guó)家。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)正在積極探索遙感測(cè)流誤差校正的新方法,以期實(shí)現(xiàn)新的突破。這些努力不僅推動(dòng)了海流遙感觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展,也為海洋科學(xué)研究、環(huán)境保護(hù)和資源開發(fā)等領(lǐng)域帶來了新的可能性。
本文第一作者為徐永生研究員指導(dǎo)的博士生向亮,徐永生研究員為通訊作者。本研究得到了基金委聯(lián)合基金(項(xiàng)目編號(hào):U22A20587)的資助支持。
文章信息:
Xiang and Xu et al.,?Reconstruction of Interior Velocity in the Southern Pacific Ocean Using Satellite and Argo Data,??IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,?vol. 22,?pp. 1-5,?2025,?Art no. 1500405,?doi: 10.1109/LGRS.2024.3508023.
https://ieeexplore.ieee.org/document/10770283
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