基于衛(wèi)星遙感觀測重構(gòu)水下三維流場的研究取得新進展
近日,中國科學院海洋研究所徐永生團隊在基于衛(wèi)星觀測重構(gòu)水下三維流場的研究中取得了突破性進展。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊《IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters》上。
海流作為海洋動力學的重要組成部分,在研究海洋動力過程與全球變化、構(gòu)建海洋數(shù)值預(yù)測模型、預(yù)測污染擴散和生態(tài)系統(tǒng)變化等方面具有不可或缺的作用。同時,它在軍事海洋戰(zhàn)略、航運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,但其目前只能獲取海洋表層信息。如何基于衛(wèi)星表層觀測數(shù)據(jù)重建海洋內(nèi)部的三維流場,不僅具有重要的科學研究價值,還具有重要的實踐應(yīng)用意義。
然而,利用衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)重構(gòu)三維流場面臨諸多挑戰(zhàn),這主要源于海流變化的高度復(fù)雜性、觀測難度大以及觀測數(shù)據(jù)資源的極度匱乏。一方面,高精度儀器如海流計和聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)的成本高昂;另一方面,觀測過程對平臺的穩(wěn)定性要求嚴苛,且操作復(fù)雜,導(dǎo)致高質(zhì)量海流觀測數(shù)據(jù)極為稀缺,難以滿足全球三維海流場構(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量數(shù)據(jù),但此類海流數(shù)據(jù)資源本身稀缺性極高,進一步加劇了重構(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)鍵垂向動力模態(tài)特征,尤其聚焦于承載海洋大部分動能(約90%)的正壓模態(tài)與第一斜壓模態(tài)。通過構(gòu)建衛(wèi)星表面觀測信息與這兩種主導(dǎo)模態(tài)之間的映射模型,實現(xiàn)了對三維海流場的有效重構(gòu)。要獲取這兩個關(guān)鍵模態(tài)的解,至少需要來自兩個不同深度的全球覆蓋海流信息源。徐永生研究團隊通過將衛(wèi)星高度計和散射計數(shù)據(jù)反演出的地轉(zhuǎn)流和??寺鳎ù肀韺雍A鳎┡cArgo浮標提供的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實測海流剖面數(shù)據(jù)的對比得到了驗證。

重構(gòu)三維流場與ADCP的對比結(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)流場與海面高度之關(guān)系
盡管衛(wèi)星遙感技術(shù)在海流觀測中具有重要的科學價值和實際意義,但直接通過衛(wèi)星遙感手段探測海面矢量流仍是一項尚未在實踐中攻克的難題。本研究中所采用的表面流數(shù)據(jù),是基于衛(wèi)星高度計與散射計反演得到的地轉(zhuǎn)流與??寺鞣至浚@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)星遙感直接探測是海洋遙感技術(shù)的前沿探索領(lǐng)域,同時也是一個多學科交叉融合的難題,亟待科學界加以攻克。在國家自然科學基金的重點支持下,徐永生團隊與航天科工集團23所緊密協(xié)作,共同致力于實現(xiàn)海面矢量流的直接遙感探測。目前,聯(lián)合團隊研發(fā)的測流載荷已通過南海機載校飛驗證,并成功搭載于珞珈二號衛(wèi)星,現(xiàn)正穩(wěn)定運行。這一突破使我國成為全球首個擁有Ka波段順軌干涉SAR測流實驗衛(wèi)星的國家。聯(lián)合團隊正在積極探索遙感測流誤差校正的新方法,以期實現(xiàn)新的突破。這些努力不僅推動了海流遙感觀測技術(shù)的發(fā)展,也為海洋科學研究、環(huán)境保護和資源開發(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(項目編號: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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