衛(wèi)星海洋學復習習題

1、簡介     衛(wèi)星海洋學（satellite oceanography）是利用衛(wèi)星遙感技術觀測和研究海洋的一門分支學科。衛(wèi)星海洋學興起于20世紀70年代，它是衛(wèi)星技術、遙感技術、光電子技術、信息科學與海洋科學相結合的產(chǎn)物?；\統(tǒng)地講，它包括兩個方面的研究，即衛(wèi)星遙感的海洋學解釋和衛(wèi)星遙感的海洋學應用。衛(wèi)星遙感的海洋學解釋涉及到對各種海洋環(huán)境參量的反演機制和信息提取方法的研究，衛(wèi)星遙感的海洋學應用涉及到運用衛(wèi)星遙感資料在海洋學各個領域的研究。涉獵內(nèi)容    （l）海洋遙感的原理和方法：包括遙感信息形成的機理、各種波段的電磁波（可

2、見光、紅外和微波）在大氣和海洋介質中傳輸?shù)囊?guī)律、以及海洋的波譜特征。    （2）海洋信息的提?。喊ㄅc海洋參數(shù)相關的物理模型、從遙感數(shù)據(jù)到海洋參數(shù)的反算法、遙感圖像處理和海洋學解釋、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與常規(guī)海洋數(shù)據(jù)在各類海洋模式中的同化和融合。    （3）滿足海洋學研究和應用的傳感器的最佳設計和工作模式：包括光譜波段和微波頻率的選擇、光譜分辨率和空間分辨率的要求、觀測周期和掃描方式的研究、以及傳感器噪音水平的要求。    （4）反演的海洋參數(shù)在海洋學各領域中的應用。衛(wèi)星遙感所獲得的海洋數(shù)據(jù)具有觀測區(qū)域大、時空同步、連

3、續(xù)的特點，可以從整體上研究海洋。這極大地深化了人們對各種海洋過程的認識，引起了海洋學研究的一次深刻變革。衛(wèi)星遙感資料和衛(wèi)星海洋學的研究成果在海洋天氣和海況預報、海洋環(huán)境監(jiān)測和保護、海洋資源的開發(fā)和利用、海岸帶測繪、海洋工程建設、全球氣候變化、以及厄爾尼諾現(xiàn)象監(jiān)測等科學問題上有著廣泛的應用。   原理    衛(wèi)星在遙遠距離通過放置在某一平臺上的傳感器對大氣或者海洋以電磁波探測方式獲取大氣或者海洋的有關信息，這個過程稱為遙感。海面反射、散射或自發(fā)輻射的各個波段的電磁波攜帶著海表面溫度、海平面高度、海表面粗糙度以及海水所含各種物質濃度的信息。傳感器能

4、夠測量在各個不同波段的海面反射、散射或自發(fā)輻射的電磁波能量，通過對攜帶信息的電磁波能量的分析，人們可以反演某些海洋物理量。傳感器的遙感精度隨著衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展在不斷地提高，目前正在接近、達到甚至超過現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的精度。   應用    海洋表面是一個非常重要的界面。海洋與大氣的能量交換都是通過這個界面進行的；海洋內(nèi)部的變化也會部分地透過這一表面表現(xiàn)出來。運用計算機三維數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)同化技術，人們就可以通過獲得的海洋表面遙感信息，了解海洋內(nèi)部的海洋學特征和物理變化過程。遙感監(jiān)測海面的空間分辨率與電磁波的波長有關，可見光與紅外輻射計獲得的

5、遙感圖像具有更好的空間分辨率。雖然云的覆蓋阻擋了可見光波段電磁波的透過，但是能夠穿透云層的微波遙感彌補了不足。總之，可見光和紅外遙感滿足了人們對較高的空間分辨率監(jiān)測的需求，微波遙感滿足了人們對全天候監(jiān)測的愿望。目前，運用衛(wèi)星、航天飛機和普通飛機遙感技術，人們實現(xiàn)了對海表面溫度（sea surface temperature）、海表面鹽度（sea surface salinity）、海平面異常（sea level anomaly）、海流（ocean current）、海表面風（sea surface wind）、海浪（sea waves）、海洋內(nèi)波（ocean internal waves）、懸

6、浮物濃度（suspended matter concentration）、葉綠素濃度（chlorophyll concentration）、色素濃度（pigment concentration）和水色（ocean color）等多種海洋要素的監(jiān)測，以及大氣剖面溫度和濕度（atmosphere profile temperature and humidity）、垂程水汽含量（vertical water vapor column thickness）、可降水量（total column precipitable water vapor）、氣溶膠光學厚度（aerosol optical thick

7、ness）等許多海洋和大氣要素的監(jiān)測。因為能夠獲取長時間、大范圍、近實時和近同步監(jiān)測資料，衛(wèi)星遙感在海洋監(jiān)測和研究中正在發(fā)揮越來越大的作用。然而，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)并不能完全取代傳統(tǒng)的海洋學觀測。例如，海洋內(nèi)部垂直斷面的測量必須依靠浮標或其它傳統(tǒng)海洋學觀測技術。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)海洋學現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)是互補的關系。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸設備，浮標數(shù)據(jù)和許多其它現(xiàn)場海洋學觀測數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)近實時獲取。通過衛(wèi)星對全球范圍海洋進行的實時、全方位和立體的遙感監(jiān)測，能夠獲得多種穩(wěn)定可靠的長期觀測資料。海洋觀測資料是人類開發(fā)、利用和保護海洋的重要基礎。衛(wèi)星遙感技術作為獲取海洋觀測資料的重要手段，已經(jīng)得到廣泛的應用。圖1：2

8、001年全球海表面溫度的年平均等溫線 圖2：1998年1月的月平均海表面異常的圖像    圖1是利用美國NOAA國家海洋資料中心提供的衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作的2001年全球海洋的年平均海表面溫度（SST：Sea Surface Temperature）的等溫線圖像，圖中縱坐標代表緯度，橫坐標代表經(jīng)度，色標（color bar）的單位是（攝氏度）。該圖清晰顯示了西太平洋熱帶暖水區(qū)的范圍和溫度大小。西太平洋熱帶暖水區(qū)向大氣輸運的熱通量對于全球海洋大氣熱循環(huán)有舉足輕重的影響，它的范圍和溫度變化與厄爾尼諾（El Niño）事件有密切關聯(lián)，因而是科學家監(jiān)測的重要目

9、標。圖2是利用美國宇航局噴氣推進實驗室提供的TOPEX/Poseidon衛(wèi)星高度計觀測資料制作的1998年1月的月平均全球海表面異常（SSA：Sea Surface Anomaly）圖像，圖中色標的單位是cm。該圖清晰顯示了西太平洋熱帶暖水區(qū)海平面的降低和熱帶東太平洋海表面的增高，這是在厄爾尼諾事件中發(fā)生的典型現(xiàn)象。1. 為什么海洋表面在衛(wèi)星海洋學中非常重要海洋表面是一個非常重要的界面。海洋與大氣的能量交換都是通過這個界面進行的；海洋內(nèi)部的變化也會部分地透過這一表面表現(xiàn)出來。運用計算機三維數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)同化技術，人們就可以通過獲得的海洋表面遙感信息，了解海洋內(nèi)部的海洋學特征和物理變化過

10、程。2. 概念理解：衛(wèi)星軌道傾角、星下點、節(jié)點、升軌、降軌、升軌點、降軌點衛(wèi)星軌道傾角：衛(wèi)星自轉軸和通過衛(wèi)星的中心垂直于公轉軌道平面的線之間所夾的角度；星下點：衛(wèi)星在地球表面的投影（或者衛(wèi)星的天底點）；節(jié)點：衛(wèi)星星下點軌跡與赤道的焦點；升軌：當衛(wèi)星由南向北運動時； 降軌：當衛(wèi)星由北向南運動時； 升軌點：衛(wèi)星由南向北運動穿過赤道時，衛(wèi)星星下點軌跡與赤道的交點； 降軌點：衛(wèi)星由北向南運動穿過赤道時，衛(wèi)星星下點軌跡與赤道的交點；*升軌點和降軌點統(tǒng)稱節(jié)點。3. 太陽同步軌道定義、特點定義：衛(wèi)星的軌道平面以地球的公轉速率圍繞太陽旋轉特點：衛(wèi)星每天以相同方向經(jīng)過同一緯度的當?shù)厣峡?；衛(wèi)星的軌道平面和太陽始終

11、保持相對固定的取向，軌道傾角（軌道平面與赤道平面的夾角）接近90度，衛(wèi)星要在兩極附近通過。4. 地球同步軌道和地球靜止軌道區(qū)別地球同步軌道：在這軌道上進行地球環(huán)繞運動的衛(wèi)星或人造衛(wèi)星始終位于地球表面的同一位置。它的軌道離心率和軌道傾角均為零。地球靜止軌道：衛(wèi)星或人造衛(wèi)星垂直于地球赤道上方的正圓形地球同步軌道。是特殊的地球同步軌道。區(qū)別：（1）軌道傾角有區(qū)別地球靜止軌道一定在赤道平面上；而地球同步軌道平面可與赤道平面成一不為零的夾角。（2）觀察者看到的現(xiàn)象不同在地球同步軌道上運行的衛(wèi)星每天在相同時間經(jīng)過相同地方的天空，對地面上觀察者來說，每天相同時刻衛(wèi)星會出現(xiàn)在相同的方向上在一段連續(xù)的時間內(nèi)，衛(wèi)

12、星相對于觀察者可以是運動的而處于地球靜止軌道上運行的衛(wèi)星每天任何時刻都處于相同地方的上空，地面觀察者看到衛(wèi)星始終位于某一位置，保持靜止不動（3）星下點軌跡不同衛(wèi)星運動和地球自轉使星下點在地球表現(xiàn)移動，形成星下點軌跡地球同步衛(wèi)星的星下點軌跡是一條8字形的封閉曲線，而地球靜止衛(wèi)星的星下點軌跡是一個點5. 軌道周期、重復周期、傳感器重復周期、再訪問時間定義軌道周期：相鄰兩個升軌點之間的時間間隔重復周期： 衛(wèi)星從某地上空開始運行，經(jīng)過若干時間的運行后回到原地上空時所需要的天數(shù)。衛(wèi)星的重復周期也被成為衛(wèi)星地面軌跡的重復周期。對于采用循環(huán)軌道的衛(wèi)星，重復周期等于 3循環(huán)周期。如：高度計衛(wèi)星的重復周期和循環(huán)

13、周期經(jīng)常被等價使用。傳感器重復周期：衛(wèi)星裝載的傳感器對目標完成一次全部或全球覆蓋的時間周期。再訪問時間：地球上某一局部地點被傳感器先后兩次觀測的時間區(qū)間。再訪問時間與觀測地點的緯度有關。對赤道地區(qū)的再訪問時間 長于 高緯度地區(qū)的再訪問時間。6. 光學儀器和微波雷達的角分辨率、空間分辨率根據(jù)瑞利判據(jù)，角分辨率：能夠使兩個像元恰可分辨的兩個物體之間的角距離 空間分辨率：能夠使兩個像元恰可分辨的兩個物體之間的空間距離7. 水平極化和垂直極化定義設一個參考平面由兩條直線確定，一條是入射或離開海面的電磁波束所在的直線，另一條是海表面的垂線。對于線性極化的輻射：水平極化的電場與參考平面垂直，垂直極化的電場

14、與參考平面平行。8. 立體角詳細推導 9. 天頂角、觀測角10. 輻射通量、輻射強度、輻亮度、輻照度、發(fā)射率、菲涅耳反射率、朗伯表面輻射通量： 輻射強度：輻亮度： 輻照度： 發(fā)射率：菲涅耳反射率：朗伯表面：11. 基爾霍夫定律、兩介質界面處的基爾霍夫定律12. 黑體定義、瑞利-金斯定律成立條件及公式、維恩位移定律公式黑體瑞利-金斯定律：維恩位移定律公式：13. 太陽輻射和地球輻射特征(圖14. 亮溫定義如果已知海面發(fā)射的輻亮度，那么直接代入普朗克輻射定律經(jīng)過計算可以獲得一個黑體等效輻射溫度。這樣獲得的溫度不是真實的海表面溫度（SST），它被稱為海面亮溫或稱為黑體溫度TB。15. 復折射率和復相

15、對電容率關系、菲涅耳反射率和菲涅耳反射系數(shù)關系 16. 復折射率實部和虛部意義 17. 皮層深度、穿透深度、吸收深度定義、使用范圍皮層深度： 穿透深度：吸收深度：適用范圍：18. 衛(wèi)星遙感海表溫度和傳統(tǒng)觀測海表溫度區(qū)別 19. 衰減系數(shù)和光學厚度、太陽傾斜入射的光學厚度衰減系數(shù)： 光學厚度： 20. 輻射傳輸方程各項含義LB（z）：L（z）：光源的電磁波在z處的輻亮度；Kab： 21. 可見光和微波波段在大氣中衰減的主要因素在可見光波段，氣溶膠的散射經(jīng)常是構成最主要衰減的因素。在熱紅外特別是微波波段，由于電磁波波長遠大于大氣所含粒子的粒徑，大氣所含粒子的散射已經(jīng)不起明顯作用，大氣所含粒子的吸收

16、變成了最主要的衰減因素。22. 氣溶膠定義 23. 大氣窗定義24. 有邊界存在時的輻射傳輸各項推導 25. 水色定義、水色三要素水色：是太陽光經(jīng)水體或海水散射后，可見光和近紅外輻射計監(jiān)測到的散射光的顏色。 三要素：1.浮游植物的葉綠素；2.無機的懸浮物；3.有機的黃色物質。26. 一類水體、二類水體 一類水體：浮游植物及其“伴生”腐殖質對水體的光學特性起主要作用的水體二類水體：無機懸浮物或黃色物質（又稱溶解的有色有機物）對水體的光學特性有不可忽視的明顯作用的水體27. 離水輻射率含義28. 熱紅外遙感的海洋學應用 （1） 氣候學；（2）全球海表面溫度變化；（3）海表面溫度異常；（4）天氣預報

17、； （5）大洋渦旋； （6）上升流； （7）海洋鋒；（8）經(jīng)濟和漁業(yè)29. 影響微波輻射計接收海面輻亮度的因素有哪些 （1） 海面及一定深度的復介電常數(shù)： 它反映海水的電學性質，由表層物質組成及溫度所決定 海水由各種鹽類、有機質、懸浮粒等組成的復雜水體 從微波輻射角度，海水可視為含NaCl等鹽類的導電溶液 海水的介電常數(shù)，是海水溫度、鹽度的函數(shù)（2） 海面粗糙度（海面至一定深度內(nèi)的幾何形狀結構）從這角度將海面分為4類： 平靜海面：海面無風或風速很小，可用物理光學處理，當水面粗糙度較微波波長小得多時，可視為平靜海面，以鏡面反射為主 風浪海面：海面有波浪而成為一個隨機起伏的粗糙面，此時電磁波在界面

18、上產(chǎn)生復雜多變的反射和散射，散射回波增強。同時，大風浪海面往往伴有泡沫帶。它的特征除與輻射亮度溫度有關外，海域海浪譜、海面風速有關。 污染海面：一般指油污染等形成兩層介質，引起亮度溫度的顯著差異。油膜使海面趨于平滑，減弱回波強度，而呈黑色。 凍結海面：海面有海冰、冰山等，由于冰雪的介電常數(shù)較水體小，引起亮度溫度的明顯差異。30. 填空：平靜海面的微波亮溫T通過_ 、_與海面發(fā)射率e相聯(lián)系，海面 發(fā)射率e通過_ _與菲涅耳反射率相聯(lián)系，菲涅耳反射率通過_與相對電容率r相聯(lián)系，相對電容率r 通過_與海表面溫度和鹽度相聯(lián)系。基爾霍夫定律 菲涅耳公式 德拜方程瑞利-金斯定律 發(fā)射率定義31. 為什么微

19、波輻射計能夠遙感海表面溫度和海面風速 通過遙感方法獲取海洋表面溫度的理論基礎是: 隨著溫度的升高海洋表面發(fā)射的總輻射能也迅速地增加，而且，海洋表面溫度的變化也影響海洋的發(fā)射光譜。32. 散射計測量的海洋物理參數(shù)是什么為什么可以觀測這個參數(shù)全球海面風場33. 給出雷達后向散射截面定義，什么是標準化雷達后向散射截面如何用分貝表示 雷達后向散射截面：度量目標在雷達波照射下所產(chǎn)生回波強度的一種物理量，簡稱RCS。它是目標的假想面積，用一個各向均勻的等效反射器的投影面積來表示，該等效反射器與被定義的目標在接收方向單位立體角內(nèi)具有相同的回波功率。一般用符號表示目標的雷達散射截面。標準化雷達后向散射截面：用雷達散射截面的對數(shù)值的十倍來表示，符號是dBsm，單位是分貝平方米（dBsm），即dBsm10lg34. 布拉格共振的條件是什么如何推導計算：使用 L波段散射計，當入射角是60度時，與電磁波共振的海表面波的波長是多少 35. 電磁波在粗糙海面的散射由幾部分組成什么是兩尺度散射模