近日，Geophysical Research Letters在线发表了海洋与大气学院最新科研成果“Strongly nonlinear effects on determining internal solitary wave parameters from surface signatures with potential for remote sensing applications”（内孤立波遥感反演中的强非线性效应）。该成果第一作者为海洋与大气学院博士研究生徐滔，通讯作者为学院陈旭教授。
内孤立波是一种非线性内波，对人类活动与海洋混合中起到关键作用。内孤立波引起的流动可以调制海表面的粗糙度，形成粗糙和光滑区域，在卫星图像中呈现交替排列的亮-暗条纹（图1）。遥感方法可以在大范围内观测内孤立波的表面特征，但相应内孤立波在海洋内部的动力特征仍为未知，需要使用反演方法建立其海表特征与水下波要素的对应关系。过去二十余年里，众多学者对该问题进行了探讨，但由于观测手段的限制，对内孤立波同时进行锚系观测与遥感观测是困难的。相较于现场观测，实验室实验能够将所研究的问题从复杂的海洋环境中抽离出来，针对特定物理过程开展系统性研究。这项工作基于实验室实验开展，利用遥感成像原理将遥感信号转换为实验室便于测量的海表流速散度，通过粒子图像测速技术（PIV）方法建立了内孤立波海表特征与水下结构的关系。
图1. 研究示意图（a）ENVISAT卫星在南海拍摄到的内孤立波。（b）内孤立波在SAR图像中引起的相对灰度变化。（c）实验室中内孤立波引起的海表流速散度分布。（d）实验室PIV实验示意图。
实验结果表明，与目前遥感反演普遍使用的弱非线性理论相比，内孤立波的强非线性显著影响着反演结果。随着内孤立波振幅的增大，弱非线性理论将出现不可忽视的误差。根据实验所得规律，本研究使用全非线性理论Dubreil–Jacotin–Long（DJL）方程建立反演模型，其在多种实验室条件下均取得了良好成效。将全非线性模型结合过去反演中普遍使用的平均态层结，应用于实际海洋系泊观测。温度链测量的时间序列分析结果表明，上层海洋结构的短时间（~几天）变化会为内孤立波的反演带来不可忽略的误差，获取实时层结信息的困难将为准确的反演带来新的挑战。那么，是否有方法可以不依赖层结进行反演呢？全非线性模型揭示了一种新的可能：如果能同时获取内孤立波引起的亮暗条带分布与其诱导的海表流速，即可在层结条件未知的情况下实现准确的反演。对上述系泊数据使用以上方法进行反演，结果的误差显著减小。随着海表流速的精细测量技术的发展（如干涉SAR与水上PIV），以上方法将展现充分的应用潜力。
该研究通过实验室实验与锚系观测结果，给出了针对稳态内孤立波遥感反演的新模型，有效优化了内孤立波的反演结果。未来的工作将在更加复杂的内波动力环境中开展。
发表文章列表：
Xu, T., Chen, X., Li, Q., He, X., Wang, J., & Meng, J. (2023). Strongly nonlinear effects on determining internal solitary wave parameters from surface signatures with potential for remote sensing applications. Geophysical Research Letters, 50, e2023GL105814.
文章链接：https://doi.org/10.1029/2023GL105814