基于多源卫星遥感的全球涌浪起源与传播路径研究

Compared to wind sea, ocean swell is usually long traveled, difficult to observe, and at a higher risk, thus becoming one of the most uncertain component in ocean wave study. With the arrival of quasi-operational satellite remote sensing in 1980s, research on ocean swell has entered a new era characterized by its dynamic imaging and statistic separation. But origin identification and trajectory tracking are still difficult issues in swell research. In this project, taking the advantage of the unique spatiotemporal sampling pattern and simultaneous wind/wave measurement capability of satellite altimetry, and combined with the complementary wind field observation capacity of scatterometers and wave spectrum retrieval capacity of the future Sino-French wave spectrometer, a virtual space observation network matching swell geometry and trajectory will be formed. A set of consistent algorithms based primarily on concurrent altimeter/scatterometer data will be developed for tracking the full life cycle of ocean swells. As a result of exploring the forward problem of along-path wind integration and energy dissipation for far field prediction, and solving the backward problem of origin identification and trajectory tracing for near field reconstruction, the basic pattern of global swell formation, evolution and extinction will be revealed. Furthermore, the main origins and travel paths for the swell system of the China Seas will be located, serving as a scientific reference for decision makers on coastal engineering and ocean navigation, and laying theoretical and technological foundations for ultimate swell forecast and disaster warning.

与风浪相比，涌浪具有传播远、观测难、危害大等特点，因而成为海浪研究中最不确定的因素之一。上世纪八十年代卫星遥感技术进入准业务化，有效地解决了涌浪的动态捕捉和统计分离问题，开启了涌浪研究的一个新的历史阶段。但是，起源定位和路径追踪仍然是困扰涌浪研究的难题。为此，我们将从测高卫星的独特时空采样能力和风/浪同步观测能力出发，与散射计的风场探测能力和未来中法卫星的波谱反演能力相契合，构建一个与涌浪形态特征和传播规律有效匹配的虚拟空间观测网，发展一套以系列高度计/散射计组合为基础的涌浪生命周期追踪的多源遥感协同反演方法。在此基础上，通过双向探索涌浪传播过程中风场积分与能量耗散等远场预测正问题和涌浪起源与路径追踪等近场重构逆问题，揭示全球涌浪生成、演变和消亡的基本规律，确定我国近海涌浪系统的主要发源地和传播路径，为海上航行和海岸工程提供科学参考和决策依据，并为最终实现涌浪预报、预警奠定理论和技术基础。

海洋中的涌浪因其传播距离远、携带能量高、观测难度大等特点，在海洋科学和海洋工程领域均备受关注。本项目利用多颗测高卫星和合成孔径雷达（SAR）卫星的风—浪数据产品，结合波浪浮标和数值海浪模式等多种数据源，构建涌浪生命周期追踪网络。.依托这一追踪网络，本研究在以下四个方面取得了显著学术成果：（1）涌浪的追踪与溯源：研究利用涌浪的频散特性对其起源进行了追溯得到了全球涌浪源区分布的特性；采用拉格朗日描述对涌浪演化过程中的频散、角散和耗散进行了分离，实现了涌浪能量耗散率的测定，发现涌浪的耗散在涌浪能量衰减的过程中起着非常显著的作用；基于涌浪定点波高演化的凸函数特性，发现了海浪模式中普遍存在的涌浪抵达时间误差。（2）涌浪的波候特征：研究利用多源卫星遥感数据对涌浪的全球分布进行了探索，发现了SAR对于涌浪的观测受到非线性成像机制对涌浪成分能量次序的影响，无法直接应用于波候研究中，并因此提出了一种利用高度计风—浪同步观测数据分析全球风—浪相互作用强弱的气候态分布的方法，基于这一方法发现了海洋中普遍存在的“风生浪”和“浪生风”共存情形。（3）涌浪观测数据的改进：针对SAR数据存在的问题，提出了利用集合卡尔曼滤波方法重构SAR涌浪场的方法，有效提高了SAR数据的质量以及其涌浪研究中的可用性。（4）中国海域的涌浪研究：利用模式和高度计卫星数据的结合，对我国海域的典型台风涌浪进行了追踪，并揭示了我国近海海域风浪和涌浪的独立波候特性，发现我国近海虽然以风浪占主导地位，但来自西太和南海当地产生的涌浪也在波候中起到不容忽视的作用。.通过相关研究的开展，项目在涌浪的近场重构、中场追踪和远场预测方面都取得了丰富大量的进展，大大加深了对全球涌浪生成、演变和消亡的基本规律的认识，也为海上航行、海岸工程、以及灾害性涌浪的预测预警提供了科学基础和决策依据。