基于星载SAR的全球交错涌浪时空分布及其对海洋环境安全影响研究

Generation and propagation of swell in open sea has been concerned for long time as an important issue of oceanographic research. Crossing swell is generated with two or more ocean wave systems which have different propagation directions. The study of crossing swell can contribute to better understanding of swell propagation in global scale. On the other hand, the crossing sea may cause extreme sea state, which, therefore, has a dramatic impact on marine environment safety and security. The proposed project aims at studying global distribution of crossing swell and its impact on marine environment safety and security using the SAR wave mode data. The ERS-1/2, ENVISAT/ASAR and the successor Sentinel-1 all carry SAR sensors which can provide the wave mode data in global ocean on a continuous basis. We plan to study the globally spatial and temporal characteristics of crossing swell using integral wave parameters and two-dimensional wave spectra retrieved by means of multiple SAR-ocean wave inversion schemes. Swell propagation in global ocean are further investigated, and its major routes are consequently portayed. Based on the analysis, the mechanisms of "pools of crossing swell" formation in global ocean are studied. Furthermore, spatial distribution of crossing swell is compared with that of global ship accidents occurence, where the overlapping regions are identified. Sea state conditions in the overlapping areas are analyzed. Together with analysis of representative cases, impact of crossing swell on marine environment safety is studied.

涌浪的生成和传播机制是海洋学研究的重点领域之一。交错涌浪，由具有不同传播方向的涌浪交错而成。研究交错涌浪的时空分布特征及其形成机制，能够更深入地理解海浪全球大范围传播规律。交错浪易引起极端性海况，从而对海洋环境安全带来巨大威胁。本课题旨在利用星载合成孔径雷达波模式数据研究交错涌浪的时空分布特征和交错涌浪对海洋环境安全的影响。波模式数据是ERS-1/2和ENVISAT及后续Sentinel-1卫星上携带的合成孔径雷达提供的一种长开通数据，可以在全球海域不间断自动获取。本课题综合利用不同的SAR-海浪反演方法获取的涌浪特征参数和二维方向谱，研究交错涌浪的时空分布特征，探究涌浪全球大范围传播规律，刻画涌浪主要传播路径，进而研究交错涌浪池的形成机制。对比交错涌浪高概率发生海域与船舶大洋航行事故频发海域，分析交叠区域海况特征，并匹配典型个例分析，研究交错涌浪对海洋环境安全的影响。

涌浪可以在大洋中长距离传播，在这些“超级涌浪”的传播过程中，会与其它方向传播而来的涌浪交汇，或者局地风浪交错，从而形成交错(涌)浪。研究交错涌浪时空分布特征及其形成机制，对于理解海浪大范围传播规律，海气能量交换，乃至全球波候变化，具有较高的科学意义和研究价值。.在海洋中，尤其是在开阔海域的海浪实测数据比较匮乏，而海浪二维谱的实测数据则少之又少。作为成像雷达，星载合成孔径雷达仍然是迄今为止研究海浪二维特性最有效的传感器。SAR波模式数据的获取起始于1991年，至今仍然在不断获取。这使得波模式数据的积累从年际尺度跨越到年代际尺度，使得SAR海浪研究可以扩展到共性和统计研究。.本研究基于ENVISAT/ASAR卫星2002-2012年10年尺度的波模式数据，对全球涌浪传播、交错涌浪发生时空特征和机理开展研究。首次利用卫星遥感传感器绘制了涌浪全球传播路经，发现了全球海洋中存在的四大“交错涌浪池”，即交错涌浪频发海区，并通过时空匹配的卫星遥感海面风场分析，阐明了交错涌浪池形成机制。.SAR海浪反演传统方法多为基于第一猜测谱的非线性反演。由于受制于第一猜测谱，使得SAR波模式数据无法成为独立的海浪要素观测源。利用前期开发的CWAVE_ENV算法，完成了10年尺度ASAR波模式数据的处理，得到了超过650万个数据的海浪有效波高和平均波周期结果。结合涌浪要素，初步完成了全球海浪和涌浪有效波高平均态时空特征分析。.交错浪会导致极端或者危险海况出现，严重威胁了船舶航行安全。基于2001-2010年的国际海事组织（IMO）公布的1561例船舶航行事故，首先开展了事故发生的空间分布特征和失事船只属性特征的统计分析。进而通过分析事故报告中明确记录事故发生与涌浪相关的58个事件，及其时空匹配的高空间分辨率海浪数值模式结果，发现了当涌浪和风浪波周期接近（一般二者差值不超过3 s），并以一定夹角（0° - 60°）传播时，波浪间的非线性相互作用，会产生波能的传递和急剧增强，使波陡增大，形成危险海况，从而导致航行事故发生。