北极喀拉海典型动力现象的SAR 遥感观测

杨 展，王 晶，陆雅各，李志鑫

（中国海洋大学 物理与光电工程学院，山东 青岛 266100）

0 引言

对于海洋动力过程的调查研究，遥感观测是常用的手段和方法。其中，合成孔径雷达（SAR）凭借其全天时、全天候、远距离、大范围和高分辨率等优势[1]，能够探测到如内波、涡旋和锋面等多种海洋现象。

北极地区气候寒冷，海区的冰封期较长，相较于中低纬度地区，高纬度海域的海洋现象研究报道较少，但随着全球海洋变暖加速[2]，北极冰区减少，开辟和建设北极航道的可能性和重要性与日俱增，高纬度海洋的动力学过程调查与研究的价值日益凸显。

喀拉海位于俄罗斯西伯利亚以北，是北冰洋的边缘海之一。喀拉海底部地形较为复杂。图1 是使用ETOPO 2022 数据集绘制的喀拉海水深图。北部的圣安娜海槽和沃罗宁海槽从北冰洋向南延伸，最大深度达到620 m；中部地形平坦，平均深度约为50 m；西南部是新地岛海槽，它的最大深度为433 m[3]，通过热拉尼亚角东南部的低槛与圣安娜海槽相连；东南部是陆架区，水深较浅，但等深线并不规则，存在不同高度的海底山脊。

图1 喀拉海水深图Fig.1 Bathymetric chart of the Kara Sea

喀拉海与周边海洋的水体交换频繁，巴伦支海和拉普捷夫海虽与喀拉海相连，但不同海域的水文特征截然不同[4]。喀拉海还是西伯利亚2 条最大河流鄂毕河和叶尼塞河径流的接收地，鄂毕河和叶尼塞河的淡水在夏季覆盖喀拉海中部大片区域，庞大的淡水量对喀拉海海洋动力过程具有重要影响[5]。

复杂的地形和水体交换导致了喀拉海丰富的海洋动力过程，使其成为北极地区海洋调查与研究的热点之一。POLUKHIN 等人利用船舶科考数据研究了喀拉海大陆径流在喀拉海的分布，结果表明大陆径流对喀拉海背景水文结构的影响范围相当大[5]。MOROZOV 等人利用CTD 测量和雷达影像研究了喀拉海峡的强烈内潮，在海峡的西南方向发现了短周期内波的产生[6]。PANTELEEV 等人采用变分资料同化技术对喀拉海的海洋环流进行模拟，并验证了所得环流模式的有效性[7]。ZATSEPIN 等人利用实地测量的数据研究了喀拉海西部海槽的动力学和水文结构[8]。KOZLOV 等人利用ENVISAT ASAR 多年卫星数据研究了喀拉海短周期内波的空间分布及统计特征，发现了喀拉海内波的生成热点[9]。KAGAN 等人利用三维有限元流体静力模型研究了喀拉海的潮汐波来源，并讨论了潮汐的速度和内潮波的振幅分布[10]。BUKATOV 等人基于理想不可压缩连续分层流体的线性化运动方程，研究了巴伦支海和喀拉海短周期内波的频散特征和密度场的垂直结构[11]。DMITRENKO 等人通过系泊测量追踪圣安娜海槽的水团，发现大西洋的水从巴伦支海和喀拉海的海流经圣安娜海槽流入北冰洋[12]。PLATOV 等人采用数值模拟研究了冬季新地岛西北海岸地区底层水形成和传播的过程，结果显示这种过程与中尺度涡的产生密切相关[13]。

以上研究表明，目前喀拉海的海洋研究聚焦喀拉海复杂的潮流运动，水动力过程和海洋现象二维表面特征等方面，一般采用实地测量和数值模拟的方法，SAR 遥感在喀拉海的海洋调查与研究中应用还比较少。而目前SAR 遥感图像的识别与解译多是针对中低纬度地区（如南海，日本海）[14]，利用SAR 遥感图像观测高纬度地区的海洋中海洋现象的生成和传播特征还需要深入研究。

本文基于Sentinel-1 SAR 图像遥感，研究了喀拉海的内波、涡旋和锋面的表面特征，并对SAR遥感图像进行了分析与解译，这对高纬度地区SAR图像特征识别与分析提供了参考。

1 SAR 遥感数据

本文所用的卫星遥感数据为 2022年的Sentinel-1 SAR 图像。Sentinel-1 是哥白尼全球对地观测项目的组成部分，包含2 个轨道卫星，其中，Sentinel-1A 于2014年4月发射，Sentinel-1B 于2016年4月发射。Sentinel-1 的重访周期为12 d，单星的重访周期为6 d，而在北极高纬度地区，其重访周期不到1 d。凭借其在重访周期、覆盖范围、及时性和可靠性的优势[15]，Sentinel-1 已经广泛应用于海洋遥感观测领域。

Sentinel-1 共有4 种拍摄模式，其中超宽条带（Extra-wide Swath）主要用于海洋、海冰和极地地区的业务服务。本文使用的遥感图像都是EW 模式的一级GRD 产品，采用HH+HV 的极化方式，图像幅宽400 km，空间分辨率大约为90 m。

对遥感图像的处理包括对原始图像的噪声去除和地形矫正。因为喀拉海位于极地地区，校正地形的投影系统选择的是Stereographic North Pole，以避免图像的变形失真。

2 SAR 海洋动力要素成像机理

2.1 SAR 内波遥感成像机理

海洋内波是发生在密度稳定层化的海水内部的一种波动，其最大振幅出现在海洋内部，波动频率介于惯性频率和浮性频率之间[16]。SAR 能观测海洋内波主要是由内波在传播过程中的波流相互作用对海面微尺度波的调制引起的，进而影响SAR在海面的成像。大量的实验和研究结果表明：SAR对内波成像主要通过以下3 个物理过程[17-18]：

1）内波引起海表层流场变化；

2）变化的表层流场与海表面微尺度波相互作用，产生辐聚或辐散，改变了海表面的粗糙度；

3）海表面粗糙度的变化影响了雷达后向散射强度。在辐聚区，海面粗糙度增大，雷达后向散射强度增大，表现为亮条纹；在辐散区，海面粗糙度减小，雷达后向散射强度减小，表现为暗条纹。

上述物理过程的结果是，内波在SAR 遥感图像上一般表现为亮-暗或暗-亮相间的条纹。

2.2 SAR 海洋涡旋遥感成像机理

海洋涡旋在海洋中普遍存在，时间尺度和空间尺度不等，是一种重要的海洋动力过程。

海洋涡旋主要在流系边界和近海海区存在，一般呈现为椭圆形或圆形[14]。按照自转方向，海洋涡旋可以分为2 类：一种是反气旋式涡旋，也称暖涡；另一种是气旋式涡旋，又称冷涡。在遥感图像上，涡旋呈现出非规则螺旋状结构。

涡旋在SAR 遥感图像上的成像机理主要有以下2 种[19]：

1）海洋涡旋相关的流场的辐聚辐散引起的波流相互作用调制了海表面粗糙度，使得涡旋在SAR图像上表现为近似平行的螺旋形条带，图像中亮色或暗色的条纹表征了辐聚或辐散最强的区域。

2）海表面的油膜（包括海面溢油和有机生物漂浮物）抑制海表面的毛细波和重力波，因此雷达后向散射较弱，在SAR 图像为暗色。海面油膜在涡旋流场的分布使得涡旋在SAR 图像上表现为螺旋结构的暗条带。

2.3 SAR 锋面遥感成像机理

海洋锋面是海洋中不同水系或水团的交界面，锋区两侧的海水具有不同的物理性质，存在较强的能量耗散和表面扰动[20]。SAR 海洋锋面遥感成像可能有以下几个物理过程：不同流速的2 个水团通常具有各异的温度，温度梯度通过海气相互作用影响交界处的对流不稳定性。风应力通过使海表面辐聚、波陡增加和破碎导致海表面粗糙度改变[21]，而不同流速水团边界风应力不同，导致海洋锋面两侧的海面粗糙度不同，使得海洋锋面在SAR 遥感图像上水团交界处呈现亮条带。此外，海面漂浮物在海洋锋面的积累也会影响锋面的成像，这通常使其在SAR 图像上表现为暗条带。

3 喀拉海SAR 遥感观测及图像解译

3.1 SAR 内波遥感观测及解译

图2 是2022年7月13日在喀拉海法兰士约瑟夫地群岛附近的一张Sentinel-1 图像，空间位置如图7 中蓝色矩形框所示。图中可以发现4 个内波波包，从南到北分布。图中西侧3 个内波包从东北向西南传播，东侧的内波从西北向东南传播，每个波包大约由3 个内波组成。这组内波的传播方向可能与圣安娜海流的传播有关，圣安娜海流自北极沿海槽西面斜坡向西南传播[22]，与斜坡的相互作用可能产生了法兰士约瑟夫地群岛附近西南方向的内波。

图2 2022年7月13日喀拉海北部海域的SAR 遥感图像Fig.2 A SAR image of the Northern Kara Sea on July 13，2022

图3 是2022年8月6日在喀拉海热拉尼亚角东南海域的一张Sentinel-1 图像，空间位置如图7中红色矩形框所示。图中明显的看到多个内孤立波包，分布相当密集。最大的1 个波包由5 个波组成，前导波的波峰线长度达到10.5 km。图中大部分内波自西南向东北偏东传播，右下角的内波则向东传播。热拉尼亚角东南部是喀拉海内波的生成热点之一[9]，新地岛海槽与圣安娜海槽在这里被一个低槛隔开，东西新地岛流在这里交汇[22]。图中的内波可能是东新地岛流向东北传播过程中与地形相互作用产生的。

图3 2022年8月6日喀拉海新地岛北端海域的SAR 遥感图像Fig.3 A SAR image of the northern end of Novaya Zemlya in the Kara Sea on August 6，2022

图4 是2022年8月28日在喀拉海新地岛中部海域的一张Sentinel-1 图像，空间位置如图7 中紫色矩形框所示。可以看到一个从新地岛海岸向东南方向传播的内波，内孤立波波包大约由6 个波组成，前导波波峰线只有6 km 长。从传播方向和距海岸的距离来看，这个内波很可能是由于新地岛上的淡水流出海湾，在海湾出口处堆积形成的。

图5 是2022年8月11日喀拉海西南部的一张Sentinel-1 遥感图像，具体地理位置如图7 中黑色矩形框所示。图中有2 个几乎反向传播的内波波包，其中西侧的内波前导波波峰线长27.5 km，从东南向西北偏西传播；东侧的内波包由6 个波组成，前导波波峰线长15 km，几乎完全向东传播。一般认为，SAR 图像上具有相同传播方向和相似形状的相邻内波列源自同一个生成地点，而图中2个内波波包相距如此之近，传播方向却截然不同，说明图中的内波可能有不同的生成源。

图5 2022年8月11日喀拉海西南部海域的SAR 遥感图像Fig.5 A SAR image of the Southeast Kara Sea on August 11，2022

图6 是2022年7月20日喀拉海喀拉海峡东侧的一张Sentinel-1 遥感图像，具体地理位置如图7中绿色矩形框所示。图中有一个前导波波峰线长达34 km 的内波包，向东北方向传播。在喀拉海峡，喀拉海和巴伦支海的水体交换剧烈，ADCP 资料显示在喀拉海峡观测到从巴伦支海到喀拉海的强海流[22]，而喀拉海峡的特殊地形导致了这里也是喀拉海内波的一个热点区域[9]，穿过海峡的潮流与地形相互作用产生内波并向喀拉海传播。

图6 2022年7月20日喀拉海峡的SAR 遥感图像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运动处的内波，而通过对2022年喀拉海Sentinel-1 图像的检索，对内波前导波波峰线进行勾勒，得到喀拉海内波高频发生的区域，如图7所示。从遥感图像上看，喀拉海内波主要分布在喀拉海峡、新地岛海槽和中部圣安娜海槽东面斜坡处，这些地点的共同特征是水深较深、地形复杂且存在强流。空间尺度较大的内波大多分布在喀拉海中部，其中最大的内波前导波波峰线长度为58.3 km。在高纬度区域法兰士约瑟夫地群岛的东南部也观测到了内波，而在水深相对较浅的亚马尔半岛、格达半岛和泰梅尔半岛的陆架海域很少观测到内波，这与KOZKOV 等人的研究结果一致[9]。

图7 喀拉海内波SAR 遥感图像地理位置Fig.7 Geographical location of SAR images of internal waves in the Kara Sea

对喀拉海内波的研究表明，夏季内波较为普遍，甚至在某些区域分布比较密集。潮流-地形相互作用可能是内波主要的生成原因。

3.2 SAR 涡旋遥感观测及解译

图8 是2022年8月11日在喀拉海新地岛北端海域拍摄了一个海洋反气旋涡，直径25 km，其地理位置如图12 蓝色矩形框所示。反气旋涡位于热拉尼亚角东南海域，水交换频繁，东西新地岛流在此交汇。水系锋面形成的亮带和油膜形成的暗带使得反气旋涡外弧呈现由暗到亮的图像特征。根据文献[13]，图像所在位置的涡旋可能与底层水团向陆架和圣安娜海槽的传播有关。图像右下角还存在一个明显的内波包，内波波峰线曲率与反气旋涡的“外旋臂”方向相似。海洋涡旋与内波共存的现象是海洋研究一直关心的问题，海洋涡旋会影响内波的传播方向和振幅[23]。图7 说明喀拉海也存在涡旋与内波共存的现象，而两者之间的关系有待深入研究。

图8 2022年8月11日喀拉海热拉尼亚角东南海域的SAR 遥感图像Fig.8 A SAR image of the Southeast Sea Area of Cape Zhelaniya in the Kara Sea on August 11，2022

图9 是2022年7月28日在喀拉海新地岛中部海域拍摄的一个海洋气涡旋现象，其地理位置如图12 红色矩形框所示。气旋涡直径4.8 km，可能是风场引起，外围的黑色暗带可能是生物油膜对SAR海面回波信号的抑制而产生的。

图9 2022年7月28日喀拉海新地岛中部海域的SAR 遥感图像Fig.9 A SAR image of the central sea area of Novaya Zemlya in the Kara Sea on July 28，2022

图10 是2022年8月5日在喀拉海中部海域拍摄到的一个海洋气旋涡，直径11 km，其地理位置如图12 绿色矩形框所示。在图像下方还有一个潜在的涡旋与中心的涡旋连接，组成了一个涡旋对。这片区域位于叶尼塞河径流出海口，很有可能是淡水流与海水的锋面不稳定性形成的涡旋。

图10 2022年8月5日喀拉海中部海域的SAR 遥感图像Fig.10 A SAR image of the central Kara Sea on August 5，2022

图11 是2022年8月1日在喀拉海西南部海域的一张Sentinel-1 遥感图像，具体地理位置如图12中黑色矩形框所示。图中存在多个海洋气旋涡，直径在4 km 左右。图像所在地理位置位于亚马尔半岛西边的拜达拉塔湾，可能是海湾水体的富营养化产生了大量生物油膜，油膜对SAR 海面微波信号的抑制出现了暗带。在风场和海流的输运下形成了涡旋，而油膜刚好作为流场的示踪物质，可以看出图中复杂的流场结构，分布着大小不一的气旋涡。

图11 2022年8月1日喀拉海西南部海域的SAR 遥感图像Fig.11 A SAR image of the Southeast Kara Sea on August 1，2022

图12 喀拉海涡旋SAR 遥感图像地理位置Fig.12 Geographical location of SAR images of eddies in the Kara Sea

对喀拉海涡旋的研究表明，海洋涡旋普遍存在于喀拉海，并且有不同的空间尺度和成像特征。海表面风和流场锋面都可能是喀拉海海洋涡旋的生成原因。

3.3 SAR 锋面遥感观测及解译

图13 是2022年8月17日在喀拉海新地岛北端海域拍摄到的一张海洋锋面的SAR 图像，其地理位置如图16 蓝色矩形框所示。图中的锋面表现为明显的亮带，不同于内波曲率相似的亮暗条带，锋面的亮带由于水团界面的不稳定性呈现不规则的弧线。如前面所提到的，图中海域存在复杂的水体交换过程，此锋面可能是东新地岛流和西新地岛流交汇形成的界面。

图13 2022年8月17日喀拉海热拉尼亚角东南海域的SAR 遥感图像Fig.13 A SAR image of the Southeast Sea Area of Cape Zhelaniya in the Kara Sea on August 17，2022

图14 是2022年8月26日在喀拉海中部海域拍摄到的一张海洋锋面的SAR 图像，其地理位置如图16 红色矩形框所示。图中可以锋面的亮带非常清晰，且经向跨度较大，几乎与纬线平行。根据锋面所处地理位置判断，此锋面可能是跨过新地岛北端的海流进一步向东传播与喀拉海中部的盐度较低的海水交汇的结果。

图14 2022年8月26日喀拉海中部海域的SAR 遥感图像Fig.14 A SAR image of the Central Kara Sea on August 26，2022

图15 是2022年8月28日在喀拉海海峡拍摄到的海洋流场锋面的SAR 图像，其真实地理位置如图16 绿色矩形框所示。图中锋面亮带清晰地反映了喀拉海峡的流场情况，从巴伦支海的水团涌入喀拉海峡向新地岛海槽传播，理化性质不同的水团在交界处形成了流场锋面，并且右边也有一个可能的锋面存在，有形成海洋气旋涡的趋势。

图15 2022年8月28日喀拉海峡的SAR 遥感图像Fig.15 A SAR image of the Kara Gates Strait on August 28，2022

图16 喀拉海锋面SAR 遥感图像地理位置Fig.16 Geographical location of SAR images of front in the Kara Sea

对喀拉海锋面的研究表明，海洋锋面能够表现流场的特征，在海峡口附近和海流交汇处等不同水团混合的区域，容易观测到海洋锋面。

4 结束语

本文利用Sentinel-1 遥感图像，对北极地区喀拉海的海洋动力过程和现象进行了观测，在喀拉海的不同区域发现了海洋内波、涡旋和锋面的存在。遥感观测结果表明，喀拉海的海洋现象较为频繁。复杂的地形变化和水动力过程是这些海洋现象的生成和传播的重要影响因素。

根据海洋现象SAR 成像机理对相关海洋过程图像进行了解译，利用现有喀拉海水动力资料结合地形对这些动力过程提供了参考性说明。海洋内波、涡旋和锋面等海洋现象在高纬度地区的SAR成像质量是极为可观的，这意味着利用SAR 遥感研究高纬度地区的海洋现象是可行的。

在实地测量数据有限的情况下，SAR 提供了一种全面而详尽的海洋观测手段，利用SAR 深入开展北极海域海洋动力现象研究的潜力有待进一步的发掘。