楊 展，王 晶，陸雅各，李志鑫

（中國海洋大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，山東 青島 266100）

0 引言

對于海洋動(dòng)力過程的調(diào)查研究，遙感觀測是常用的手段和方法。其中，合成孔徑雷達(dá)（SAR）憑借其全天時(shí)、全天候、遠(yuǎn)距離、大范圍和高分辨率等優(yōu)勢[1]，能夠探測到如內(nèi)波、渦旋和鋒面等多種海洋現(xiàn)象。

北極地區(qū)氣候寒冷，海區(qū)的冰封期較長，相較于中低緯度地區(qū)，高緯度海域的海洋現(xiàn)象研究報(bào)道較少，但隨著全球海洋變暖加速[2]，北極冰區(qū)減少，開辟和建設(shè)北極航道的可能性和重要性與日俱增，高緯度海洋的動(dòng)力學(xué)過程調(diào)查與研究的價(jià)值日益凸顯。

喀拉海位于俄羅斯西伯利亞以北，是北冰洋的邊緣海之一?？５撞康匦屋^為復(fù)雜。圖1 是使用ETOPO 2022 數(shù)據(jù)集繪制的喀拉海水深圖。北部的圣安娜海槽和沃羅寧海槽從北冰洋向南延伸，最大深度達(dá)到620 m；中部地形平坦，平均深度約為50 m；西南部是新地島海槽，它的最大深度為433 m[3]，通過熱拉尼亞角東南部的低檻與圣安娜海槽相連；東南部是陸架區(qū)，水深較淺，但等深線并不規(guī)則，存在不同高度的海底山脊。

圖1 喀拉海水深圖Fig.1 Bathymetric chart of the Kara Sea

喀拉海與周邊海洋的水體交換頻繁，巴倫支海和拉普捷夫海雖與喀拉海相連，但不同海域的水文特征截然不同[4]?？＿€是西伯利亞2 條最大河流鄂畢河和葉尼塞河徑流的接收地，鄂畢河和葉尼塞河的淡水在夏季覆蓋喀拉海中部大片區(qū)域，龐大的淡水量對喀拉海海洋動(dòng)力過程具有重要影響[5]。

復(fù)雜的地形和水體交換導(dǎo)致了喀拉海豐富的海洋動(dòng)力過程，使其成為北極地區(qū)海洋調(diào)查與研究的熱點(diǎn)之一。POLUKHIN 等人利用船舶科考數(shù)據(jù)研究了喀拉海大陸徑流在喀拉海的分布，結(jié)果表明大陸徑流對喀拉海背景水文結(jié)構(gòu)的影響范圍相當(dāng)大[5]。MOROZOV 等人利用CTD 測量和雷達(dá)影像研究了喀拉海峽的強(qiáng)烈內(nèi)潮，在海峽的西南方向發(fā)現(xiàn)了短周期內(nèi)波的產(chǎn)生[6]。PANTELEEV 等人采用變分資料同化技術(shù)對喀拉海的海洋環(huán)流進(jìn)行模擬，并驗(yàn)證了所得環(huán)流模式的有效性[7]。ZATSEPIN 等人利用實(shí)地測量的數(shù)據(jù)研究了喀拉海西部海槽的動(dòng)力學(xué)和水文結(jié)構(gòu)[8]。KOZLOV 等人利用ENVISAT ASAR 多年衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究了喀拉海短周期內(nèi)波的空間分布及統(tǒng)計(jì)特征，發(fā)現(xiàn)了喀拉海內(nèi)波的生成熱點(diǎn)[9]。KAGAN 等人利用三維有限元流體靜力模型研究了喀拉海的潮汐波來源，并討論了潮汐的速度和內(nèi)潮波的振幅分布[10]。BUKATOV 等人基于理想不可壓縮連續(xù)分層流體的線性化運(yùn)動(dòng)方程，研究了巴倫支海和喀拉海短周期內(nèi)波的頻散特征和密度場的垂直結(jié)構(gòu)[11]。DMITRENKO 等人通過系泊測量追蹤圣安娜海槽的水團(tuán)，發(fā)現(xiàn)大西洋的水從巴倫支海和喀拉海的海流經(jīng)圣安娜海槽流入北冰洋[12]。PLATOV 等人采用數(shù)值模擬研究了冬季新地島西北海岸地區(qū)底層水形成和傳播的過程，結(jié)果顯示這種過程與中尺度渦的產(chǎn)生密切相關(guān)[13]。

以上研究表明，目前喀拉海的海洋研究聚焦喀拉海復(fù)雜的潮流運(yùn)動(dòng)，水動(dòng)力過程和海洋現(xiàn)象二維表面特征等方面，一般采用實(shí)地測量和數(shù)值模擬的方法，SAR 遙感在喀拉海的海洋調(diào)查與研究中應(yīng)用還比較少。而目前SAR 遙感圖像的識(shí)別與解譯多是針對中低緯度地區(qū)（如南海，日本海）[14]，利用SAR 遙感圖像觀測高緯度地區(qū)的海洋中海洋現(xiàn)象的生成和傳播特征還需要深入研究。

本文基于Sentinel-1 SAR 圖像遙感，研究了喀拉海的內(nèi)波、渦旋和鋒面的表面特征，并對SAR遙感圖像進(jìn)行了分析與解譯，這對高緯度地區(qū)SAR圖像特征識(shí)別與分析提供了參考。

1 SAR 遙感數(shù)據(jù)

本文所用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為 2022年的Sentinel-1 SAR 圖像。Sentinel-1 是哥白尼全球?qū)Φ赜^測項(xiàng)目的組成部分，包含2 個(gè)軌道衛(wèi)星，其中，Sentinel-1A 于2014年4月發(fā)射，Sentinel-1B 于2016年4月發(fā)射。Sentinel-1 的重訪周期為12 d，單星的重訪周期為6 d，而在北極高緯度地區(qū)，其重訪周期不到1 d。憑借其在重訪周期、覆蓋范圍、及時(shí)性和可靠性的優(yōu)勢[15]，Sentinel-1 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋遙感觀測領(lǐng)域。

Sentinel-1 共有4 種拍攝模式，其中超寬條帶（Extra-wide Swath）主要用于海洋、海冰和極地地區(qū)的業(yè)務(wù)服務(wù)。本文使用的遙感圖像都是EW 模式的一級GRD 產(chǎn)品，采用HH+HV 的極化方式，圖像幅寬400 km，空間分辨率大約為90 m。

對遙感圖像的處理包括對原始圖像的噪聲去除和地形矯正。因?yàn)榭Ｎ挥跇O地地區(qū)，校正地形的投影系統(tǒng)選擇的是Stereographic North Pole，以避免圖像的變形失真。

2 SAR 海洋動(dòng)力要素成像機(jī)理

2.1 SAR 內(nèi)波遙感成像機(jī)理

海洋內(nèi)波是發(fā)生在密度穩(wěn)定層化的海水內(nèi)部的一種波動(dòng)，其最大振幅出現(xiàn)在海洋內(nèi)部，波動(dòng)頻率介于慣性頻率和浮性頻率之間[16]。SAR 能觀測海洋內(nèi)波主要是由內(nèi)波在傳播過程中的波流相互作用對海面微尺度波的調(diào)制引起的，進(jìn)而影響SAR在海面的成像。大量的實(shí)驗(yàn)和研究結(jié)果表明：SAR對內(nèi)波成像主要通過以下3 個(gè)物理過程[17-18]：

1）內(nèi)波引起海表層流場變化；

2）變化的表層流場與海表面微尺度波相互作用，產(chǎn)生輻聚或輻散，改變了海表面的粗糙度；

3）海表面粗糙度的變化影響了雷達(dá)后向散射強(qiáng)度。在輻聚區(qū)，海面粗糙度增大，雷達(dá)后向散射強(qiáng)度增大，表現(xiàn)為亮條紋；在輻散區(qū)，海面粗糙度減小，雷達(dá)后向散射強(qiáng)度減小，表現(xiàn)為暗條紋。

上述物理過程的結(jié)果是，內(nèi)波在SAR 遙感圖像上一般表現(xiàn)為亮-暗或暗-亮相間的條紋。

2.2 SAR 海洋渦旋遙感成像機(jī)理

海洋渦旋在海洋中普遍存在，時(shí)間尺度和空間尺度不等，是一種重要的海洋動(dòng)力過程。

海洋渦旋主要在流系邊界和近海海區(qū)存在，一般呈現(xiàn)為橢圓形或圓形[14]。按照自轉(zhuǎn)方向，海洋渦旋可以分為2 類：一種是反氣旋式渦旋，也稱暖渦；另一種是氣旋式渦旋，又稱冷渦。在遙感圖像上，渦旋呈現(xiàn)出非規(guī)則螺旋狀結(jié)構(gòu)。

渦旋在SAR 遙感圖像上的成像機(jī)理主要有以下2 種[19]：

1）海洋渦旋相關(guān)的流場的輻聚輻散引起的波流相互作用調(diào)制了海表面粗糙度，使得渦旋在SAR圖像上表現(xiàn)為近似平行的螺旋形條帶，圖像中亮色或暗色的條紋表征了輻聚或輻散最強(qiáng)的區(qū)域。

2）海表面的油膜（包括海面溢油和有機(jī)生物漂浮物）抑制海表面的毛細(xì)波和重力波，因此雷達(dá)后向散射較弱，在SAR 圖像為暗色。海面油膜在渦旋流場的分布使得渦旋在SAR 圖像上表現(xiàn)為螺旋結(jié)構(gòu)的暗條帶。

2.3 SAR 鋒面遙感成像機(jī)理

海洋鋒面是海洋中不同水系或水團(tuán)的交界面，鋒區(qū)兩側(cè)的海水具有不同的物理性質(zhì)，存在較強(qiáng)的能量耗散和表面擾動(dòng)[20]。SAR 海洋鋒面遙感成像可能有以下幾個(gè)物理過程：不同流速的2 個(gè)水團(tuán)通常具有各異的溫度，溫度梯度通過海氣相互作用影響交界處的對流不穩(wěn)定性。風(fēng)應(yīng)力通過使海表面輻聚、波陡增加和破碎導(dǎo)致海表面粗糙度改變[21]，而不同流速水團(tuán)邊界風(fēng)應(yīng)力不同，導(dǎo)致海洋鋒面兩側(cè)的海面粗糙度不同，使得海洋鋒面在SAR 遙感圖像上水團(tuán)交界處呈現(xiàn)亮條帶。此外，海面漂浮物在海洋鋒面的積累也會(huì)影響鋒面的成像，這通常使其在SAR 圖像上表現(xiàn)為暗條帶。

3 喀拉海SAR 遙感觀測及圖像解譯

3.1 SAR 內(nèi)波遙感觀測及解譯

圖2 是2022年7月13日在喀拉海法蘭士約瑟夫地群島附近的一張Sentinel-1 圖像，空間位置如圖7 中藍(lán)色矩形框所示。圖中可以發(fā)現(xiàn)4 個(gè)內(nèi)波波包，從南到北分布。圖中西側(cè)3 個(gè)內(nèi)波包從東北向西南傳播，東側(cè)的內(nèi)波從西北向東南傳播，每個(gè)波包大約由3 個(gè)內(nèi)波組成。這組內(nèi)波的傳播方向可能與圣安娜海流的傳播有關(guān)，圣安娜海流自北極沿海槽西面斜坡向西南傳播[22]，與斜坡的相互作用可能產(chǎn)生了法蘭士約瑟夫地群島附近西南方向的內(nèi)波。

圖2 2022年7月13日喀拉海北部海域的SAR 遙感圖像Fig.2 A SAR image of the Northern Kara Sea on July 13，2022

圖3 是2022年8月6日在喀拉海熱拉尼亞角東南海域的一張Sentinel-1 圖像，空間位置如圖7中紅色矩形框所示。圖中明顯的看到多個(gè)內(nèi)孤立波包，分布相當(dāng)密集。最大的1 個(gè)波包由5 個(gè)波組成，前導(dǎo)波的波峰線長度達(dá)到10.5 km。圖中大部分內(nèi)波自西南向東北偏東傳播，右下角的內(nèi)波則向東傳播。熱拉尼亞角東南部是喀拉海內(nèi)波的生成熱點(diǎn)之一[9]，新地島海槽與圣安娜海槽在這里被一個(gè)低檻隔開，東西新地島流在這里交匯[22]。圖中的內(nèi)波可能是東新地島流向東北傳播過程中與地形相互作用產(chǎn)生的。

圖3 2022年8月6日喀拉海新地島北端海域的SAR 遙感圖像Fig.3 A SAR image of the northern end of Novaya Zemlya in the Kara Sea on August 6，2022

圖4 是2022年8月28日在喀拉海新地島中部海域的一張Sentinel-1 圖像，空間位置如圖7 中紫色矩形框所示。可以看到一個(gè)從新地島海岸向東南方向傳播的內(nèi)波，內(nèi)孤立波波包大約由6 個(gè)波組成，前導(dǎo)波波峰線只有6 km 長。從傳播方向和距海岸的距離來看，這個(gè)內(nèi)波很可能是由于新地島上的淡水流出海灣，在海灣出口處堆積形成的。

圖5 是2022年8月11日喀拉海西南部的一張Sentinel-1 遙感圖像，具體地理位置如圖7 中黑色矩形框所示。圖中有2 個(gè)幾乎反向傳播的內(nèi)波波包，其中西側(cè)的內(nèi)波前導(dǎo)波波峰線長27.5 km，從東南向西北偏西傳播；東側(cè)的內(nèi)波包由6 個(gè)波組成，前導(dǎo)波波峰線長15 km，幾乎完全向東傳播。一般認(rèn)為，SAR 圖像上具有相同傳播方向和相似形狀的相鄰內(nèi)波列源自同一個(gè)生成地點(diǎn)，而圖中2個(gè)內(nèi)波波包相距如此之近，傳播方向卻截然不同，說明圖中的內(nèi)波可能有不同的生成源。

圖5 2022年8月11日喀拉海西南部海域的SAR 遙感圖像Fig.5 A SAR image of the Southeast Kara Sea on August 11，2022

圖6 是2022年7月20日喀拉海喀拉海峽東側(cè)的一張Sentinel-1 遙感圖像，具體地理位置如圖7中綠色矩形框所示。圖中有一個(gè)前導(dǎo)波波峰線長達(dá)34 km 的內(nèi)波包，向東北方向傳播。在喀拉海峽，喀拉海和巴倫支海的水體交換劇烈，ADCP 資料顯示在喀拉海峽觀測到從巴倫支海到喀拉海的強(qiáng)海流[22]，而喀拉海峽的特殊地形導(dǎo)致了這里也是喀拉海內(nèi)波的一個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域[9]，穿過海峽的潮流與地形相互作用產(chǎn)生內(nèi)波并向喀拉海傳播。

圖6 2022年7月20日喀拉海峽的SAR 遙感圖像Fig.6 A SAR image of the Kara Gates Strait on July 20，2022

以上是喀拉海具有特征地形和潮流運(yùn)動(dòng)處的內(nèi)波，而通過對2022年喀拉海Sentinel-1 圖像的檢索，對內(nèi)波前導(dǎo)波波峰線進(jìn)行勾勒，得到喀拉海內(nèi)波高頻發(fā)生的區(qū)域，如圖7所示。從遙感圖像上看，喀拉海內(nèi)波主要分布在喀拉海峽、新地島海槽和中部圣安娜海槽東面斜坡處，這些地點(diǎn)的共同特征是水深較深、地形復(fù)雜且存在強(qiáng)流?？臻g尺度較大的內(nèi)波大多分布在喀拉海中部，其中最大的內(nèi)波前導(dǎo)波波峰線長度為58.3 km。在高緯度區(qū)域法蘭士約瑟夫地群島的東南部也觀測到了內(nèi)波，而在水深相對較淺的亞馬爾半島、格達(dá)半島和泰梅爾半島的陸架海域很少觀測到內(nèi)波，這與KOZKOV 等人的研究結(jié)果一致[9]。

圖7 喀拉海內(nèi)波SAR 遙感圖像地理位置Fig.7 Geographical location of SAR images of internal waves in the Kara Sea

對喀拉海內(nèi)波的研究表明，夏季內(nèi)波較為普遍，甚至在某些區(qū)域分布比較密集。潮流-地形相互作用可能是內(nèi)波主要的生成原因。

3.2 SAR 渦旋遙感觀測及解譯

圖8 是2022年8月11日在喀拉海新地島北端海域拍攝了一個(gè)海洋反氣旋渦，直徑25 km，其地理位置如圖12 藍(lán)色矩形框所示。反氣旋渦位于熱拉尼亞角東南海域，水交換頻繁，東西新地島流在此交匯。水系鋒面形成的亮帶和油膜形成的暗帶使得反氣旋渦外弧呈現(xiàn)由暗到亮的圖像特征。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，圖像所在位置的渦旋可能與底層水團(tuán)向陸架和圣安娜海槽的傳播有關(guān)。圖像右下角還存在一個(gè)明顯的內(nèi)波包，內(nèi)波波峰線曲率與反氣旋渦的“外旋臂”方向相似。海洋渦旋與內(nèi)波共存的現(xiàn)象是海洋研究一直關(guān)心的問題，海洋渦旋會(huì)影響內(nèi)波的傳播方向和振幅[23]。圖7 說明喀拉海也存在渦旋與內(nèi)波共存的現(xiàn)象，而兩者之間的關(guān)系有待深入研究。

圖8 2022年8月11日喀拉海熱拉尼亞角東南海域的SAR 遙感圖像Fig.8 A SAR image of the Southeast Sea Area of Cape Zhelaniya in the Kara Sea on August 11，2022

圖9 是2022年7月28日在喀拉海新地島中部海域拍攝的一個(gè)海洋氣渦旋現(xiàn)象，其地理位置如圖12 紅色矩形框所示。氣旋渦直徑4.8 km，可能是風(fēng)場引起，外圍的黑色暗帶可能是生物油膜對SAR海面回波信號(hào)的抑制而產(chǎn)生的。

圖9 2022年7月28日喀拉海新地島中部海域的SAR 遙感圖像Fig.9 A SAR image of the central sea area of Novaya Zemlya in the Kara Sea on July 28，2022

圖10 是2022年8月5日在喀拉海中部海域拍攝到的一個(gè)海洋氣旋渦，直徑11 km，其地理位置如圖12 綠色矩形框所示。在圖像下方還有一個(gè)潛在的渦旋與中心的渦旋連接，組成了一個(gè)渦旋對。這片區(qū)域位于葉尼塞河徑流出海口，很有可能是淡水流與海水的鋒面不穩(wěn)定性形成的渦旋。

圖10 2022年8月5日喀拉海中部海域的SAR 遙感圖像Fig.10 A SAR image of the central Kara Sea on August 5，2022

圖11 是2022年8月1日在喀拉海西南部海域的一張Sentinel-1 遙感圖像，具體地理位置如圖12中黑色矩形框所示。圖中存在多個(gè)海洋氣旋渦，直徑在4 km 左右。圖像所在地理位置位于亞馬爾半島西邊的拜達(dá)拉塔灣，可能是海灣水體的富營養(yǎng)化產(chǎn)生了大量生物油膜，油膜對SAR 海面微波信號(hào)的抑制出現(xiàn)了暗帶。在風(fēng)場和海流的輸運(yùn)下形成了渦旋，而油膜剛好作為流場的示蹤物質(zhì)，可以看出圖中復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)，分布著大小不一的氣旋渦。

圖11 2022年8月1日喀拉海西南部海域的SAR 遙感圖像Fig.11 A SAR image of the Southeast Kara Sea on August 1，2022

圖12 喀拉海渦旋SAR 遙感圖像地理位置Fig.12 Geographical location of SAR images of eddies in the Kara Sea

對喀拉海渦旋的研究表明，海洋渦旋普遍存在于喀拉海，并且有不同的空間尺度和成像特征。海表面風(fēng)和流場鋒面都可能是喀拉海海洋渦旋的生成原因。

3.3 SAR 鋒面遙感觀測及解譯

圖13 是2022年8月17日在喀拉海新地島北端海域拍攝到的一張海洋鋒面的SAR 圖像，其地理位置如圖16 藍(lán)色矩形框所示。圖中的鋒面表現(xiàn)為明顯的亮帶，不同于內(nèi)波曲率相似的亮暗條帶，鋒面的亮帶由于水團(tuán)界面的不穩(wěn)定性呈現(xiàn)不規(guī)則的弧線。如前面所提到的，圖中海域存在復(fù)雜的水體交換過程，此鋒面可能是東新地島流和西新地島流交匯形成的界面。

圖13 2022年8月17日喀拉海熱拉尼亞角東南海域的SAR 遙感圖像Fig.13 A SAR image of the Southeast Sea Area of Cape Zhelaniya in the Kara Sea on August 17，2022

圖14 是2022年8月26日在喀拉海中部海域拍攝到的一張海洋鋒面的SAR 圖像，其地理位置如圖16 紅色矩形框所示。圖中可以鋒面的亮帶非常清晰，且經(jīng)向跨度較大，幾乎與緯線平行。根據(jù)鋒面所處地理位置判斷，此鋒面可能是跨過新地島北端的海流進(jìn)一步向東傳播與喀拉海中部的鹽度較低的海水交匯的結(jié)果。

圖14 2022年8月26日喀拉海中部海域的SAR 遙感圖像Fig.14 A SAR image of the Central Kara Sea on August 26，2022

圖15 是2022年8月28日在喀拉海海峽拍攝到的海洋流場鋒面的SAR 圖像，其真實(shí)地理位置如圖16 綠色矩形框所示。圖中鋒面亮帶清晰地反映了喀拉海峽的流場情況，從巴倫支海的水團(tuán)涌入喀拉海峽向新地島海槽傳播，理化性質(zhì)不同的水團(tuán)在交界處形成了流場鋒面，并且右邊也有一個(gè)可能的鋒面存在，有形成海洋氣旋渦的趨勢。

圖15 2022年8月28日喀拉海峽的SAR 遙感圖像Fig.15 A SAR image of the Kara Gates Strait on August 28，2022

圖16 喀拉海鋒面SAR 遙感圖像地理位置Fig.16 Geographical location of SAR images of front in the Kara Sea

對喀拉海鋒面的研究表明，海洋鋒面能夠表現(xiàn)流場的特征，在海峽口附近和海流交匯處等不同水團(tuán)混合的區(qū)域，容易觀測到海洋鋒面。

4 結(jié)束語

本文利用Sentinel-1 遙感圖像，對北極地區(qū)喀拉海的海洋動(dòng)力過程和現(xiàn)象進(jìn)行了觀測，在喀拉海的不同區(qū)域發(fā)現(xiàn)了海洋內(nèi)波、渦旋和鋒面的存在。遙感觀測結(jié)果表明，喀拉海的海洋現(xiàn)象較為頻繁。復(fù)雜的地形變化和水動(dòng)力過程是這些海洋現(xiàn)象的生成和傳播的重要影響因素。

根據(jù)海洋現(xiàn)象SAR 成像機(jī)理對相關(guān)海洋過程圖像進(jìn)行了解譯，利用現(xiàn)有喀拉海水動(dòng)力資料結(jié)合地形對這些動(dòng)力過程提供了參考性說明。海洋內(nèi)波、渦旋和鋒面等海洋現(xiàn)象在高緯度地區(qū)的SAR成像質(zhì)量是極為可觀的，這意味著利用SAR 遙感研究高緯度地區(qū)的海洋現(xiàn)象是可行的。

在實(shí)地測量數(shù)據(jù)有限的情況下，SAR 提供了一種全面而詳盡的海洋觀測手段，利用SAR 深入開展北極海域海洋動(dòng)力現(xiàn)象研究的潛力有待進(jìn)一步的發(fā)掘。