衛(wèi)星海洋遙感和設(shè)計(jì)

1、11.1 引言衛(wèi)星海洋遙感及空間海洋觀測歷史背景衛(wèi)星海洋遙感，或稱空間海洋學(xué)，是利用電磁波與大氣和海洋的相互作用原理，從衛(wèi)星平臺觀測和研究海洋的分支學(xué)科。它屬于多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，其內(nèi)容涉及物理學(xué)、海洋學(xué)和信息學(xué)科，并與空間技術(shù)、光電子技術(shù)、微波技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)密切相關(guān)。衛(wèi)星海洋遙感是20世紀(jì)后期海洋科學(xué)取得重大進(jìn)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。空間海洋觀測始于1957年蘇聯(lián)發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星。1960年4月美國宇航局(NASA)發(fā)射了第一顆電視與紅外觀測衛(wèi)星TIROS，隨后發(fā)射的TIROS衛(wèi)星開始涉及海溫觀測。1961年美國執(zhí)行水星計(jì)劃，宇航員有機(jī)會在高空親眼觀察海洋。其后，Gemini

2、與Apollo宇宙飛船獲得大量的彩色圖象以及多光譜圖象。盡管這些航天計(jì)劃主要試驗(yàn)?zāi)康氖强臻g技術(shù)，但它已展現(xiàn)了從衛(wèi)星觀測和研究海洋的潛力。1969年NASA在Williams大學(xué)召開研討會，推動了1973年Skylab航天器和1975年GEOS3衛(wèi)星高度計(jì)的發(fā)展。地球?qū)嶒?yàn)海洋衛(wèi)星GEOS3主要用于測量衛(wèi)星至海面的距離。天空實(shí)驗(yàn)室Skylab航天器同時證實(shí)了可見光和近紅外遙感對地球進(jìn)行連續(xù)觀測的潛力。以此為基礎(chǔ)，NASA研制了一系列高分辨率多光譜掃描儀。這些掃描儀裝載在Landsat系列衛(wèi)星上沿用至今，除陸地信息外，提供了有關(guān)河口和沿岸水域的海色及渾濁度信息。同時，美國海洋大氣局(NOAA)在19

3、70年1月發(fā)射改進(jìn)型TIROS衛(wèi)星，在19721976年發(fā)射NOAA1,2,3,4,5衛(wèi)星，這些衛(wèi)星裝載了紅外掃描輻射計(jì)和微波輻射計(jì)，用以估計(jì)海表溫度和大氣溫度、濕度剖面，主要用于氣象學(xué)研究。1978年美國NASA發(fā)射了三顆衛(wèi)星，為海洋觀測和研究提供了一種嶄新的技術(shù)手段。這三顆衛(wèi)星是：噴氣動力實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制的SeasatA衛(wèi)星，Goddard空間飛行中心(GSFC)研制的TIROSN和Nimbus7衛(wèi)星。它們充分展現(xiàn)了衛(wèi)星對海洋的監(jiān)測能力。第一顆海洋實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星SeasatA上裝載了微波輻射計(jì)SMMR、微波高度計(jì)RA、微波散射計(jì)SASS、合成孔徑雷達(dá)SAR、可見紅外輻射計(jì)VIRR等5種傳感器

4、。提供的海洋信息包括海表溫度、海面高度、海面風(fēng)場、海浪、海冰、海底地形、風(fēng)暴潮、水汽和降雨等。雖因電源故障，SeasatA壽命僅為108天，卻獲得極其寶貴的大量的海洋信息。因此，SeasatA被稱為衛(wèi)星海洋遙感的里程碑。TIROSN上裝載高級甚高分辨率輻射計(jì)AVHRR和TIROS業(yè)務(wù)化垂直探測器TOVS。NOAA于1981年推出MCSST衛(wèi)星海表溫度業(yè)務(wù)化反演算法。因此，TIROSN奠定了衛(wèi)星海表溫度進(jìn)入氣象、海洋業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。它實(shí)際上是NOAA6及其后發(fā)射的NOAA極軌系列衛(wèi)星的樣機(jī)。Nimbus7裝載了7臺傳感器，其中多通道掃描微波輻射計(jì)SMMR和沿岸帶海色掃描儀CZCS與海洋觀測有關(guān)

5、。CZCS專用于海色測量，它奠定了海色衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ)。19781986年間CZCS提供了8年的全球海色圖象以及海洋次表層葉綠素濃度參數(shù)。上述三顆衛(wèi)星構(gòu)成了海洋衛(wèi)星的三部曲，它標(biāo)志著衛(wèi)星海洋遙感新紀(jì)元的開始，并反映了可見光、紅外、微波海洋遙感的概貌。衛(wèi)星海洋遙感系統(tǒng)一、空間平臺及軌道裝載傳感器的空間運(yùn)載工具稱為空間平臺，它包括人造衛(wèi)星、宇宙飛船、天空實(shí)驗(yàn)室等。衛(wèi)星作為海洋遙感的空間平臺，除安裝傳感器外，還有如下設(shè)備：電源、熱控制器、方位控制器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。電源通常采用太陽能電池，并與蓄電池相連以提供夜間能源。熱控制器為保證傳感器及其它電子裝置正常工作。方位控制器用于控制空間平臺的方位，例如極

6、軌衛(wèi)星，必須控制其緩慢自轉(zhuǎn)并使衛(wèi)星的同一側(cè)面保持朝下并指向地心。假設(shè)地球是形狀規(guī)則、密度均勻的正球體，僅考慮地球引力，則衛(wèi)星按橢圓軌道運(yùn)行，地球位于橢圓的一個焦點(diǎn)上。 二、衛(wèi)星傳感器目前用于海洋觀測的所有衛(wèi)星傳感器，均根據(jù)電磁輻射原理獲取海洋信息。遙感技術(shù)采用的電磁波包括可見光、紅外、微波。其中，可見光譜范圍在，紅外波譜在1100m，微波波段在100GHz。傳感器按工作方式可分為主動式和被動式。被動傳感器如可見紅外掃描輻射計(jì)，微波輻射計(jì)等；主動式如微波高度計(jì)、微波散射計(jì)、合成孔徑雷達(dá)等。衛(wèi)星傳感器的種類很多，目前用于海洋研究的傳感器主要有：海色傳感器：主要用于探測海洋表層葉綠素濃度、懸移質(zhì)濃度

7、、海洋初級生產(chǎn)力、漫射衰減系數(shù)以及其他海洋光學(xué)參數(shù)。紅外傳感器：主要用于測量海表溫度。微波高度計(jì)：主要用于測量平均海平面高度、大地水準(zhǔn)面、有效波高、海面風(fēng)速、表層流、重力異常、降雨指數(shù)等。微波散射計(jì)：主要用于測量海面10m處風(fēng)場。合成孔徑雷達(dá)：主要用于探測波浪方向譜、中尺度渦旋、海洋內(nèi)波、淺海地形、海面污染以及海表特征信息等。微波輻射計(jì)：主要用于測量海面溫度、海面風(fēng)速以及海冰水汽含量、降雨、CO2海氣交換等。三、數(shù)據(jù)傳輸星載傳感器通常產(chǎn)生測量電壓或頻率信號，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。大部分情況下以數(shù)字信號的形式傳輸?shù)降孛娼邮照尽Ｔ诓捎枚M(jìn)制編碼中，一般用0255或01023或02047對輻射掃描數(shù)據(jù)進(jìn)

8、行數(shù)字化處理，每個象元要求8bit、10bit或12bit。由于海洋信息往往比陸地低許多，因此，對于專為海洋應(yīng)用的傳感器，可將數(shù)字化數(shù)據(jù)的最大值和最小值限制在一定范圍內(nèi)，在給定數(shù)據(jù)傳輸率的條件下，提高傳感器的輸出準(zhǔn)確度。對于非掃描式傳感器，由于其測量頻率較低，可以在提高數(shù)據(jù)傳輸率的同時，盡可能提高數(shù)據(jù)分辨率。對于掃描式傳感器，其數(shù)據(jù)幾乎是連續(xù)產(chǎn)生，則須在采樣率、數(shù)字化間隔及數(shù)據(jù)傳輸率之間求得平衡。一般情況下傳感器自身還產(chǎn)生少量校準(zhǔn)信號，例如標(biāo)準(zhǔn)黑體信號，使傳感器的輸出能夠精確的加以校正。此外，衛(wèi)星還提供相關(guān)的位置、方位、環(huán)境參數(shù)以及電源本身的輔助信息。在設(shè)計(jì)數(shù)?？刂破鲿r，產(chǎn)生一個與某一固定輸入

9、電壓相對應(yīng)的數(shù)字化數(shù)據(jù)作為測試掃描信號的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在掃描傳感器中，每個掃描數(shù)列都配有這種校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這些信號都隨數(shù)據(jù)流一起傳輸?shù)降孛娼邮照?。四、衛(wèi)星地面接收站NOAA衛(wèi)星地面接收站遍及各地和各部門，在中國和國際上有許多產(chǎn)品。NOAA衛(wèi)星地面接收站如圖111所示。相對來說，其價(jià)格較低。值得一提的是，由于海洋是動態(tài)環(huán)境，原則上所有數(shù)據(jù)都應(yīng)歸檔，因此，衛(wèi)星海洋遙感的數(shù)據(jù)存檔對數(shù)據(jù)庫、圖象庫、海洋GIS的研究提出了新課題。五、圖象處理與數(shù)據(jù)處理衛(wèi)星海洋遙感圖象處理與數(shù)據(jù)處理的程序框圖如圖112所示。其中，從衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演海洋環(huán)境參數(shù)的細(xì)節(jié)將在下面各節(jié)涉及。其它部分的細(xì)節(jié)需要參考有關(guān)計(jì)算機(jī)圖象處理、信號處理

10、、模式識別方面的書籍。六、海洋衛(wèi)星資料的反演所謂衛(wèi)星資料的反演，是指從衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)獲得定量海洋環(huán)境參數(shù)的數(shù)學(xué)物理方法，即從電磁場到物質(zhì)性質(zhì)或地球物理性質(zhì)的逆運(yùn)算。從衛(wèi)星平臺觀測海洋，海洋信息經(jīng)過復(fù)雜的海洋/大氣系統(tǒng)而被星載傳感器接收，然后再傳輸?shù)叫l(wèi)星地面站。被動遙感(可見、紅外、微波)的反演問題，主要是消除信息傳輸過程中海洋/大氣的影響。主動遙感(微波為主)的反演問題，主要是從微波與海面相互作用中提取海洋信息。海洋信息往往比陸地信息小23個量級，并且海洋屬于動態(tài)環(huán)境，因此，海洋衛(wèi)星資料的反演問題更為復(fù)雜和重要。反演方法有準(zhǔn)解析、數(shù)值模擬、統(tǒng)計(jì)回歸或以上幾種的結(jié)合。反演方法和模式有適用于全球的，

11、也有適用于區(qū)域的。后者一般比前者有高的反演精度。從通訊理論觀點(diǎn)看，海洋衛(wèi)星資料的反演可歸結(jié)如圖113所示。一般來說，它是一個非線性系統(tǒng)。海洋/大氣傳輸過程由一個不可解的積微分方程描述。電磁波與海洋相互作用的物理機(jī)制更為復(fù)雜。七、GIS系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)(GIS)是一門介于信息科學(xué)、空間科學(xué)和地球科學(xué)之間的交叉學(xué)科和新技術(shù)學(xué)科，是空間數(shù)據(jù)處理與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。地理信息指與研究對象空間地理分布有關(guān)的信息，它表示物體與環(huán)境固有的數(shù)量、質(zhì)量、分布特性的聯(lián)系和規(guī)律。地理信息系統(tǒng)是采集、存儲、管理、分析和描述整個或部分地球表面與空間地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。GIS按范圍可分為全球的、區(qū)域的和局部的。

12、按內(nèi)容可分為專題的、地區(qū)的和工具式的。海洋GIS系統(tǒng)是基于海洋空間信息特點(diǎn)而建立的專題地理信息系統(tǒng)，是具有海洋空間數(shù)據(jù)輸入、存儲管理、查詢檢索、分析運(yùn)算和多種輸出功能的軟件工具。目前，在海洋GIS領(lǐng)域尚未設(shè)計(jì)開發(fā)出一種完備的產(chǎn)品。它的研制具有十分重要的意義和廣泛的應(yīng)用前景，其難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)在于動態(tài)數(shù)據(jù)庫和圖象庫，以及足夠好的模型庫。 衛(wèi)星遙感對海洋科學(xué)研究的價(jià)值衛(wèi)星海洋遙感是海洋科學(xué)的一個新的分支學(xué)科。它是物理學(xué)、信息科學(xué)和海洋科學(xué)三門學(xué)科交叉的產(chǎn)物，其理論基礎(chǔ)為電磁波與海洋、大氣的相互作用以及海洋/大氣輻射傳遞。衛(wèi)星海洋遙感涉及廣闊的電磁波范圍，包括可見光、紅外和微波?？梢姽膺b感利用太陽光源

13、，紅外遙感利用海面熱輻射，微波遙感分為海面微波輻射被動源和星載微波雷達(dá)主動源。將來，激光可能成為星載主動源。衛(wèi)星海洋遙感的研究內(nèi)容包括物理機(jī)制、海洋衛(wèi)星傳感器方案、反演理論和模型、圖象處理與信號處理、衛(wèi)星數(shù)據(jù)海洋學(xué)應(yīng)用、海洋GIS等。值得注意的是，衛(wèi)星海洋遙感對于海洋的觀測和研究不僅限于船舶與浮標(biāo)所測量的參數(shù)以及在此基礎(chǔ)上所得出的海洋學(xué)規(guī)律，衛(wèi)星海洋遙感還開辟了一個新的考慮問題的視角。其次，衛(wèi)星海洋遙感為海洋觀測和研究提供了一個嶄新的數(shù)據(jù)集。這個數(shù)據(jù)集之大，超過百余年來船舶與浮標(biāo)數(shù)據(jù)的總和。這個數(shù)據(jù)集覆蓋了相當(dāng)部分海洋環(huán)境參數(shù)和信息，包括海表溫度、大氣水汽、葉綠素濃度、懸移質(zhì)濃度、DOM濃度、

14、海洋初級生產(chǎn)力、海洋光學(xué)參數(shù)、大氣氣溶膠、海平面高度、大地水準(zhǔn)面、海流、重力異常、海洋降雨、有效波高、海浪方向譜、海面白帽、內(nèi)波、淺海地形、海面風(fēng)場、海面油膜、海面污染、CO2海/氣交換等方面。 這個數(shù)據(jù)集的工作平臺在離地球8001000km的衛(wèi)星上，與傳統(tǒng)的船舶、浮標(biāo)數(shù)據(jù)相比，具有以下無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：(1)大面積同步測量，且具有很高或較高的空間分辨率?？蓾M足區(qū)域海洋學(xué)研究乃至全球變化研究的需求。20世紀(jì)后期國際海洋界執(zhí)行和參與的大型研究計(jì)劃，如世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)，熱帶海洋與全球大氣研究計(jì)劃(TOGA)，世界大洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)(WOCE)，全球海洋通量聯(lián)合研究計(jì)劃(JGOFS)，海岸帶海陸

15、相互作用計(jì)劃(LOICZ)等，都采用了衛(wèi)星海洋遙感所提供的數(shù)據(jù)集。(2)可滿足動態(tài)觀測和長期監(jiān)測的需求。90年代，各國海洋衛(wèi)星計(jì)劃已構(gòu)成1020年時間尺度的連續(xù)觀測，以滿足海洋環(huán)境業(yè)務(wù)化監(jiān)測和氣候研究的迫切要求。(3)實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時性?？蓾M足海洋動力學(xué)觀測和海洋環(huán)境預(yù)報(bào)的需求。目前，衛(wèi)星對于同一海域的觀測時間間隔為半小時至一個月。(4)衛(wèi)星資料不僅具有大面積同步測量的特點(diǎn)，同時具有自動求面積平均值的特點(diǎn)，尤其適用于數(shù)值模型的檢驗(yàn)和改進(jìn)。衛(wèi)星資料在海洋數(shù)值模式中的數(shù)據(jù)同化是當(dāng)今的前沿研究課題之一。(5)衛(wèi)星觀測可以涉及船舶、浮標(biāo)不易抵達(dá)的海區(qū)。第三，衛(wèi)星海洋遙感多傳感器資料可推動海洋科學(xué)交叉學(xué)科研

16、究的發(fā)展。衛(wèi)星海洋遙感各種傳感器所提供的海洋環(huán)境參數(shù)和信息，涉及海洋動力學(xué)、海洋生物學(xué)、海岸帶、全球變化、海氣相互作用、海洋通量、海洋生態(tài)學(xué)等。90年代以來，國際上的海洋衛(wèi)星計(jì)劃提供了多傳感器同步應(yīng)用的條件。這樣，不僅推動了衛(wèi)星海洋遙感自身的深入發(fā)展，同時，推動了衛(wèi)星海洋遙感與各海洋學(xué)分支的交叉研究以及海洋學(xué)各分支學(xué)科的交叉研究。11.1.4 90年代的海洋衛(wèi)星計(jì)劃1991年ERS1衛(wèi)星發(fā)射成功，它被稱為90年代海洋衛(wèi)星計(jì)劃的先驅(qū)。其上裝載了四個傳感器，包括ATSR，SAR，SCAT，ALT。下表列出90年代國際上主要用于海洋觀測的衛(wèi)星計(jì)劃，從中看出，衛(wèi)星海洋遙感技術(shù)已趨于成熟并進(jìn)入業(yè)務(wù)化運(yùn)行

17、。表11190年代海洋衛(wèi)星計(jì)劃11.2 衛(wèi)星海表溫度遙感 11.2.1 引言衛(wèi)星海表溫度測量主要利用海面熱紅外輻射。衛(wèi)星海表溫度(SeaSurfaceTemperature，SST)是最早從衛(wèi)星上獲取的海洋環(huán)境參數(shù)，是衛(wèi)星海洋遙感中最為成熟且用戶最為廣泛的技術(shù)。衛(wèi)星海表溫度測量已進(jìn)入業(yè)務(wù)化，在大中尺度海洋現(xiàn)象和過程、海洋大氣熱交換、全球氣候變化以及漁業(yè)資源、污染監(jiān)測等方面有重要應(yīng)用。衛(wèi)星SST常分為海表皮溫和海表體溫。前者指海表微米量級海水層的溫度，后者指海表海水層的溫度。11.2.2 紅外輻射計(jì)工作原理利用紅外波段測溫的物理基礎(chǔ)是普朗克輻射定律。溫度為T(K)的黑體的輻射率由普朗克函數(shù)給出其

18、中，普朗克常數(shù)h=6.626210-34Js，玻爾茲曼常數(shù)k=1.380610-23J/K，光速c=3108m/s。圖114表示不同溫度下的黑體輻射譜，地球表面平均溫度為300K左右，其黑體輻射峰值波長在814m。實(shí)際物體的輻射還與比輻射率有關(guān)，在紅外譜段，海洋的比輻射率，隨波長、海水溫鹽、海況的變化極小。在紅外譜段，大氣存在兩個窗口，即35m和813m，如圖115所示。圖中，7mm、29mm、54mm總可降水量(totalprecipitablewater)分別對應(yīng)極地、中緯度、熱帶。可見，熱帶大氣透射率最低，證明水汽是主要的吸收因子。11m、12m為海水輻射峰值區(qū)。水汽吸收弱，透射率高。因

19、此，紅外輻射計(jì)的光譜通道設(shè)在、11m、12m。與AVHRR相比，ATSR有重要改進(jìn)：采用錐形掃描技術(shù)，使地球表面同一地點(diǎn)從不同角度(0和55)測量兩次(時間間隔約2.5min)，利用多通道、多角度以改善大氣校正；采用兩個穩(wěn)定性很高的黑體作星上輻射量定標(biāo)，以提高輻射定標(biāo)精度，克服AVHRR測量中天空輻射不為零的影響；利用新型的主動冷卻裝置使探測器的溫度保持在90K左右，以降低探測器噪聲；近紅外通道，用于在白天探測云。另外，根據(jù)通道觀測的輻亮度，與自動交替工作。衛(wèi)星海表溫度的反演 從AVHRR原始數(shù)據(jù)反演海表溫度，包括讀帶、輻射量定標(biāo)、幾何校正、云檢測、海表溫度反演，流程如圖116所示。NOAA采

20、用的業(yè)務(wù)化海表溫度反演算法有MCSST、CPSS和NLSST三類，其中MCSST包括劈通道算法和三通道算法。 劈通道算法：SSTa1T11a2(T11-T12)a3(T11-T12)(sec-1)-a4(116)三通道算法：SST=a1T11a2(T3.7-T12)a3(T3.7-T12)(sec-1)-a4(117)圖117為從AVHRR獲取的SST圖象，它顯示了東海黑潮與冷渦。11.2.4 衛(wèi)星海表溫度的應(yīng)用衛(wèi)星海表溫度廣泛應(yīng)用于海洋動力學(xué)、海氣相互作用、漁業(yè)經(jīng)濟(jì)研究和污染監(jiān)測等方面。給出了西太平洋暖池的溫度和位置，這是常規(guī)測量難以實(shí)現(xiàn)的。利用海表溫度研究了黑潮和灣流的特征，赤道海域Kel

21、vin波、Rossby波的傳播過程。利用衛(wèi)星海表溫度發(fā)現(xiàn)了諸多中尺度渦旋，并研究了中尺度渦旋、上升流、鋒面的變化。小尺度海洋動力特征方面，研究了湍動的精細(xì)結(jié)構(gòu)。海氣相互作用方面，利用衛(wèi)星海表溫度結(jié)合其它數(shù)據(jù)研究全球氣候變化，計(jì)算海洋熱收支、CO2氣體交換系數(shù)等。特別值得一提的是，衛(wèi)星海表溫度已進(jìn)入天氣、海洋數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。漁業(yè)方面，衛(wèi)星海表溫度可為漁業(yè)部門提供魚類的洄游路線和漁場的有關(guān)信息。污染監(jiān)測方面，利用衛(wèi)星海表溫度可以監(jiān)測油污染、大型核電站附近的熱污染海色衛(wèi)星遙感 11.3.1 引言海色遙感是唯一可穿透海水一定深度的衛(wèi)星海洋遙感技術(shù)。它利用星載可見紅外掃描輻射計(jì)接收海面向上光譜輻射，經(jīng)過大

22、氣校正，根據(jù)生物光學(xué)特性，獲取海中葉綠素濃度及懸浮物含量等海洋環(huán)境要素。因而，它對海洋初級生產(chǎn)力、海洋生態(tài)環(huán)境、海洋通量、漁業(yè)資源等具有重要意義。在海色遙感研究中，海水劃分為類水域和類水域：前者以浮游植物及其伴生物為主，海水呈現(xiàn)深藍(lán)色，大洋屬于這一類。后者含有較高的懸浮物、葉綠素和DOM以及各種營養(yǎng)物質(zhì)，海水往往呈現(xiàn)藍(lán)綠色甚至黃褐色。中國近海就是典型的類水域。繼1978年NimbuS7/CZCS衛(wèi)星資料的成功應(yīng)用之后，衛(wèi)星海色遙感逐漸成為一些著名的國際海洋研究計(jì)劃的技術(shù)關(guān)鍵和重要內(nèi)容。與CZCS海色傳感器裝載于Nimbus7上的海色傳感器CZCS(CoastalZoneColorScanner

23、)是一個以可見光通道為主的多通道掃描輻射計(jì)。前4個通道的中心波長分別為443nm，520nm，550nm，670nm，位于可見光范圍。第5個通道位于近紅外，中心波長為750nm。第6個通道位于熱紅外，波長范圍。CZCS可見光波段的光譜帶較窄，僅為20nm，地面分辨率，觀測角沿軌跡方向傾角可達(dá)到20，用以減少太陽耀斑的影響。刈幅寬度1636km，8bit量化。表112給出CZCS傳感器的技術(shù)參數(shù)。表112CZCS傳感器技術(shù)指標(biāo)及波段設(shè)計(jì)11.3.3 與海色衛(wèi)星遙感有關(guān)的海洋光學(xué)特性海洋光學(xué)理論是海色衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ)。首先，海色傳感器可見光通道是按照海洋中主要組分的光學(xué)特性設(shè)置的，每個通道對應(yīng)于海洋

24、中各種組分吸收光譜中的強(qiáng)吸收帶和最小吸收帶。443nm通道位于葉綠素強(qiáng)吸收帶，520nm通道葉綠素的吸收比水明顯大，可以補(bǔ)充葉綠素信息。550nm通道則接近葉綠素吸收的最小值，在強(qiáng)透射帶內(nèi)，同時，對應(yīng)較小的海水吸收。圖118至119是葉綠素和DOM的光譜吸收曲線。 11.3.4 海色反演原理一、輻射量定標(biāo)海色傳感器輸出的計(jì)數(shù)值DC(DigitalCount)，并非真正意義上的物理量。因此，必須利用標(biāo)準(zhǔn)源將計(jì)數(shù)值換算成輻亮度，這一過程叫做輻射量定標(biāo)。 二、大氣校正算法大氣校正的目的是消除大氣吸收和散射的影響，獲取海面向上光譜輻亮度。CZCS大氣校正算法采用單次散射模型，其本質(zhì)是一種對潔凈大氣中良

25、好傳播的線性近似。 三、生物光學(xué)算法由海面向上光譜輻亮度Lw反演海中葉綠素濃度、懸移質(zhì)、DOM濃度的方法，稱為生物光學(xué)算法。 11.3.5 海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用一、海洋初級生產(chǎn)力與海洋漁業(yè)初級生產(chǎn)力PP(PrimaryProduction)是海洋生物食物鏈的起點(diǎn)，與平均葉綠素相關(guān)，可表示為PP(Pn-Rd)dt (11-18)其中PnPgRl，Pn(Netphotosynthesis)為凈光合作用，Pg(Grossphotosyn-thesis)為總光合作用，Rl是光合作用有機(jī)體在日光中由于呼吸過程而損耗的所有固碳。Rd是光合作用有機(jī)體在黑暗中由于呼吸過程而損耗的所有固碳。日均初級生產(chǎn)力可以用一

26、經(jīng)驗(yàn)公式表示如下其中ck為平均葉綠素濃度。葉綠素濃度初級生產(chǎn)力的時空變化對于生物海洋學(xué)、全球氣候變化和全球生態(tài)環(huán)境的研究具有重要意義。海色和營養(yǎng)級數(shù)之間具有極強(qiáng)的相關(guān)性。因此，海色數(shù)據(jù)結(jié)合衛(wèi)星海表溫度和海流參數(shù)可以預(yù)報(bào)漁場環(huán)境。日本OCTS傳感器雖然僅工作10個月，它在成功發(fā)射后很快進(jìn)入衛(wèi)星實(shí)時漁情預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。二、海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與研究赤潮主要由于海域中浮游生物的大量繁殖所引起。赤潮發(fā)生時，在藍(lán)綠波段(450nm)具有強(qiáng)烈吸收，在紅色和近紅外波段具有強(qiáng)烈散射，因此可以通過衛(wèi)星觀測海水的光譜特性和海水中的葉綠素、色素濃度實(shí)現(xiàn)對赤潮的監(jiān)測。配合與赤潮密切相關(guān)的其他多種衛(wèi)星資料，建立風(fēng)場-流場-熱力學(xué)

27、模式，則有希望實(shí)現(xiàn)對赤潮的預(yù)測。在海色衛(wèi)星遙感圖象中，可以顯示鋒面、渦旋、海流、水團(tuán)等大中尺度海洋現(xiàn)象，與其它衛(wèi)星資料結(jié)合研究，可揭示許多海洋現(xiàn)象的動力機(jī)制和過程，對于海洋生態(tài)環(huán)境動力學(xué)的研究十分有用。三、河口海岸帶泥沙濃度及其運(yùn)移河口海岸帶的泥沙運(yùn)移是一個倍受各方面關(guān)注的問題。含有泥沙的水體具有以下特點(diǎn)：1)隨著泥沙含量的增加，光譜反射比也增加；2)光譜反射比的峰值逐漸由藍(lán)波段向紅端位移，也就是水體本身的散射特性逐漸被泥沙的散射所掩蓋。利用多光譜信息和反射比可從海色資料中提取出懸移質(zhì)濃度及其運(yùn)移的信息。 四、海洋通量及固碳能力全球通量計(jì)劃(JGOFS)主要目的是從全球尺度了解和研究控制海中碳

28、及有關(guān)通量變化的多種過程，估價(jià)海洋對CO2的吸收儲存和轉(zhuǎn)移能力，確定海洋碳系統(tǒng)從季節(jié)性到十年尺度的變化。衛(wèi)星數(shù)據(jù)，尤其是海色衛(wèi)星數(shù)據(jù)滿足上述目標(biāo)所需的大時空尺度調(diào)查。葉綠素濃度和海洋初級生產(chǎn)力的探測，對于詳細(xì)了解海洋對CO2的調(diào)控過程，是不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)微波高度計(jì) 11.4.1 引言從衛(wèi)星探測海洋動力參數(shù)主要依靠微波傳感器，其中高度計(jì)(Altimeter，ALT)最為成熟。ALT通過對海平面高度、有效波高、后向散射的測量，可同時獲取流、浪、潮、海面風(fēng)速等重要動力參數(shù)。衛(wèi)星高度計(jì)還可應(yīng)用于地球結(jié)構(gòu)和海域重力場研究。繼Skylab、Geos3以及SeasatA衛(wèi)星之后，美國海軍于1985年發(fā)射了

29、Geosat業(yè)務(wù)化衛(wèi)星，它為科學(xué)家們首次提供了持續(xù)時間長、覆蓋范圍廣的衛(wèi)星高度計(jì)資料，從而揭開了衛(wèi)星海洋學(xué)和衛(wèi)星大地測量學(xué)嶄新的一頁。ERS1衛(wèi)星、Topex/Poseidon衛(wèi)星、ERS2衛(wèi)星是目前正在運(yùn)行的三顆裝有高度計(jì)的衛(wèi)星。其中美、法聯(lián)合發(fā)射的Topex/Poseidon衛(wèi)星上同時裝載兩臺高精度高度計(jì)，作為全球大洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)(WOCE)的核心設(shè)備，它的成功發(fā)射與運(yùn)行，是衛(wèi)星測高技術(shù)的一次飛躍。在闡述衛(wèi)星高度計(jì)工作原理前，首先說明與海平面高度有關(guān)的幾個曲面以及引起海平面高度變化的主要因素。一、參考橢球面(ReferenceEllipsoid)地球?qū)嶋H上是一個略呈扁形的旋轉(zhuǎn)橢球體。由于萬有引

30、力和慣性離心力的作用，在靜止大氣層覆蓋下靜止的水體表面，可近似視為一個長軸在赤道方向的雙軸旋轉(zhuǎn)橢球體，其幾何形狀由半長軸和偏心率兩個參數(shù)確定。這一理想化的數(shù)學(xué)曲面定義為參考橢球面，并以此作為實(shí)際海平面的零級近似。二、大地水準(zhǔn)面(Geoid)地球上重力位勢相等的各點(diǎn)構(gòu)成等勢面，與平均海平面最為接近的等勢面稱為大地水準(zhǔn)面，它是一個假想曲面，其形狀主要決定于地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)，是實(shí)際海平面的一級近似。三、瞬時海面(InstantaneousSeaSurface)瞬時海面即某一時刻的實(shí)際海面。它除了受制于地球重力場的分布之外，還受到海流、波浪、潮汐、降水、融冰、氣壓等海洋和大氣過程的影響，是各種

31、復(fù)雜環(huán)境因素共同作用下的一種隨機(jī)瞬態(tài)平衡。四、平均海平面(MeanSeaLevel)衛(wèi)星高度計(jì)測得的瞬時海面經(jīng)海洋潮高、固體潮高和有效波高修正之后，得到所謂平均海平面。但是這一定義本身并不具有時間平均的含義。在海洋學(xué)中，平均海平面定義為年天文周期中每小時潮高值的算術(shù)平均值。由于測量上的困難，許多國家選定沿岸某個驗(yàn)潮站的平均海平面作為全國的平均海平面基準(zhǔn)。嚴(yán)格來說，這種方法只定義了平均海平面的一個參考點(diǎn)，不反映平均海平面空間起伏和時間變化。五、海面動力高度(SeaSurfaceDynamicHeight):將平均海平面相對于大地水準(zhǔn)面的偏離，稱為海面動力高度，即海洋學(xué)中的海面重力位勢差，其范圍一

32、般在以內(nèi)。六、大地水準(zhǔn)面起伏(GeoidUndulation):大地水準(zhǔn)面相對于參考橢球面的偏離，稱為大地水準(zhǔn)面起伏，其范圍一般在100m以內(nèi)。七、海平面起伏(SeaSurfaceUndulation):瞬時海平面相對于大地水準(zhǔn)面的偏離，稱為海平面起伏。其范圍一般在10m以內(nèi)。需要強(qiáng)調(diào)的是，海平面起伏和大地水準(zhǔn)面起伏比它們各自的絕對高度更具有重要意義。因?yàn)樵谶@些起伏中，包含了地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和海洋動力過程的各種信息。目前高度計(jì)資料的空間采樣間隔，沿軌跡方向?yàn)?km左右，在赤道處相鄰平行軌道的間隔為310km(T/P)或80km(ERS-1，2，35天周期)。時間采樣間隔，沿軌跡方向?yàn)?s左右，重復(fù)

33、周期有3d、10d、17d、35d和168d等。衛(wèi)星高度計(jì)的基本原理一、衛(wèi)星高度計(jì)工作原理衛(wèi)星高度計(jì)由一臺脈沖發(fā)射器、一臺靈敏接收器和一臺精確計(jì)時鐘構(gòu)成。脈沖發(fā)射器從海面上空向海面發(fā)射一系列極其狹窄的雷達(dá)脈沖，接收器檢測經(jīng)海面反射的電磁波信號，再由計(jì)時鐘精確測定發(fā)射和接收的時間間隔t，便可算出由高度計(jì)質(zhì)心到星下點(diǎn)瞬時海面的距離Hmeas其中c=3108m/s，為電磁波在真空中的傳播速度。高度計(jì)的技術(shù)難度在于要達(dá)到厘米量級的測距精度。對于5cm的測高精度，相應(yīng)的時間測量要準(zhǔn)確到左右，要求計(jì)時鐘具有年誤差不超過1s的精度。同時，對發(fā)射和接收技術(shù)也提出了高要求。首先，高度計(jì)向海面發(fā)射一系列測距尖脈沖

34、能量很有限，不足以保證檢測回波信號所需的信噪比。為了使輸出脈沖攜帶足夠的能量，星載高度計(jì)采用了脈沖壓縮技術(shù)。其次是測距脈沖所要求的帶寬問題。對于上述的脈沖，相應(yīng)的帶寬約為5GHz。這一帶寬遠(yuǎn)超過國際公允的衛(wèi)星使用帶寬。為解決這一矛盾，采用波形檢測的方法，其原理如圖1112所示。從衛(wèi)星向海面發(fā)射一脈寬為p的矩形脈沖，波面以衛(wèi)星為中心，呈球面向下傳播到海面，海面與電磁波的作用從t=0時起，以球面波的波前與海面的切點(diǎn)開始，逐漸擴(kuò)展，到t=p時，作用面展為以d為直徑的圓，而其中Hsat為衛(wèi)星高度，H為海面波高的標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)tp時，作用面積變?yōu)榍蛎骐姶挪ㄇ芭c海面相割所成的圓環(huán)。該環(huán)的直徑隨時間不斷擴(kuò)大，

35、環(huán)寬卻逐漸變窄，圓環(huán)的面積則保持不變。當(dāng)球面電磁波束的邊沿到達(dá)海面時，圓環(huán)外徑不再擴(kuò)展，內(nèi)徑繼續(xù)擴(kuò)大，圓環(huán)面積逐漸減少，直至最后消失。經(jīng)海面返回的電磁波幅度隨時間的變化和上述電磁波與海面的作用過程相對應(yīng)，形成一個展寬的梯形波。精確測量脈沖傳輸時間和返回脈沖前后波形，就可以得到高精度的測高值。這種波形檢測方法大大放寬了對發(fā)射脈寬的要求，是現(xiàn)有衛(wèi)星高度計(jì)普遍采用的方法。二、衛(wèi)星測高原理衛(wèi)星測高的幾何關(guān)系如圖1113所示。從衛(wèi)星測高的幾何關(guān)系上看，海平面高度可以表示為Hinst(Hsatsat)-(HmeasHmeasmeas) (11-24)而 Hmeas=HcomHwetHdryHiono (1

36、1-25)其中Hinst為星下點(diǎn)瞬時海平面相對于參考橢球面的高度，Hsat為衛(wèi)星質(zhì)心相對于參考橢球面的計(jì)算高度，sat為Hsat的計(jì)算誤差，Hmeas為高度計(jì)質(zhì)心到星下點(diǎn)瞬時海平面的測量距離，Hmeas為對Hmeas的各種修正Hcom質(zhì)心修正 Hwet濕對流層修正Hdry干對流層修正 Hiono電離層修正meas為Hmeas的測量誤差?？梢姡窍曼c(diǎn)的瞬時海面高度是由衛(wèi)星高度與測量高度之差經(jīng)過一系列修正后得到的，而衛(wèi)星高度是根據(jù)軌道動力學(xué)方程結(jié)合地面遙測定位數(shù)據(jù)經(jīng)理論計(jì)算得到的，測量高度是根據(jù)前節(jié)描述的原理由高度計(jì)實(shí)測得到的，各種修正量通過其它獨(dú)立渠道獲得。11.4.3 衛(wèi)星高度計(jì)的應(yīng)用一、大洋

37、環(huán)流目前，利用衛(wèi)星高度計(jì)資料推算大洋環(huán)流最簡單的方法是將平均海平面與大地水準(zhǔn)面相減，得出動力高度，再利用地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系，算出大洋環(huán)流。由于現(xiàn)有大地水準(zhǔn)面模型的誤差與大洋環(huán)流對應(yīng)的動力高度處于同一量級，因而，這種方法只能用于大尺度海洋動力現(xiàn)象觀測。另一種方法被稱為同步分離法，其主要思路是將大地水準(zhǔn)面與海面動力高度同時從高度計(jì)資料分離出來。這一方法的數(shù)學(xué)依據(jù)是改進(jìn)的加權(quán)約束最小二乘法。利用這一方法得到的全球大洋環(huán)流如圖11-14所示。二、海洋潮汐衛(wèi)星高度計(jì)測量海平面高度本身需要進(jìn)行潮汐修正，同時，它能夠給出全球大洋的潮高空間分布。由于潮汐具有確定的周期，使人們有可能將它從海平面高度中與其它不同周期或

38、非周期性的海面起伏分離開來。目前大洋潮汐反演模式約有13種，邊緣海潮汐反演模式僅有34種。以上模式可分為以下三類：無水動力假設(shè)，線性水動力假設(shè)，非線性水動力假設(shè)。只有第三類適用于淺海。三、中尺度海洋現(xiàn)象中尺度海洋現(xiàn)象主要包括渦旋、上升流、鋒面等。中尺度現(xiàn)象活動頻繁的區(qū)域一般對應(yīng)較顯著的海平面變化。利用衛(wèi)星高度計(jì)觀測中尺度渦旋，主要是通過計(jì)算渦旋動能來確定其位置并衡量其強(qiáng)度。首先計(jì)算一條重復(fù)軌跡上的平均海平面高度，再計(jì)算每次重復(fù)數(shù)據(jù)相對于這一平均高度的斜率，然后利用地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系算出垂直于軌跡方向的流速。假定渦旋在與其軌跡平行和垂直方向上的運(yùn)動速率相等，可得到渦旋的絕對速率，進(jìn)而計(jì)算其動能。四、大

39、地水準(zhǔn)面與重力異常(gravityanomaly)大地測量的基本任務(wù)是確定大地水準(zhǔn)面與重力異常。衛(wèi)星測高提供了海域的大地水準(zhǔn)面起伏。海洋大地水準(zhǔn)面是接近于平均海平面的重力勢面和旋轉(zhuǎn)勢的等位面，它反映了地球內(nèi)部質(zhì)量密度分布的不均勻特性。衛(wèi)星高度計(jì)最初的成果就是測量地球形狀及大地水準(zhǔn)面，進(jìn)而計(jì)算全球重力場。ERS-1衛(wèi)星168天重復(fù)周期的運(yùn)行就是為大地水準(zhǔn)面測量而設(shè)計(jì)，它提供了前所未有的空間采樣分辨率，168天周期運(yùn)行15個月，取得了大量寶貴資料。人們以球諧函數(shù)級數(shù)的形式作為表征地球重力和大地水準(zhǔn)面高度的數(shù)學(xué)模型，目前全球大地水準(zhǔn)面模型達(dá)到360階。模型的空間分辨率達(dá)到100km，精度小于。具代表

40、性的四個全球大地水準(zhǔn)面模型是：美國的GEM系列(GoddardEarthModel，NASAGoddardSpaceFlightCenter推出)，PGS系列(PreliminaryGravitySolution，來源同前)，OSU系列(OhioStateUniversity推出)和JGM系列(JointGravityModel，美國幾家主要研究單位和法國CNES聯(lián)合推出)。大地水準(zhǔn)面與參考橢球面上對應(yīng)點(diǎn)的重力之差稱為該點(diǎn)的重力異常，方向之差稱為垂線偏差。目前由衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)反演海洋重力異常的方法主要有：最小二乘法、Stokes公式逆運(yùn)算法、Hotine積分法、逆Venning-Meinesz交

41、換法，以及垂線偏差聯(lián)合法和譜分析方法等。由于衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)越來越多，目前國際上正在發(fā)展利用各種衛(wèi)星測高的數(shù)據(jù)聯(lián)合求解的方法，以期得到精度更高、時間和空間分辨率更高的重力異常分布。五、有效波高衛(wèi)星高度計(jì)測量的有效波高數(shù)據(jù)主要應(yīng)用在兩個方面：一是將其同化到海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式中，提供合理的初始場，并改進(jìn)和檢驗(yàn)預(yù)報(bào)模式；二是用衛(wèi)星高度計(jì)有效波高數(shù)據(jù)進(jìn)行全球的或區(qū)域的浪場特征分析，如波侯、極端波要素和浪場時空結(jié)構(gòu)等。六、海面風(fēng)速高度計(jì)后向散射截面(0)和海面風(fēng)速之間存在著一種反比關(guān)系。風(fēng)速增加，海面粗糙度隨之增加，使得雷達(dá)脈沖的側(cè)向散射能量增加，從而導(dǎo)致0下降。0與海面風(fēng)速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系稱為“模式函數(shù)”。高

42、度計(jì)測量的0必須通過模式函數(shù)才能轉(zhuǎn)換成海面風(fēng)速。因此，模式函數(shù)的質(zhì)量直接關(guān)系到海面風(fēng)速的反演精度。高度計(jì)雖然僅給海面風(fēng)速標(biāo)量，但在應(yīng)用中具有特殊意義：(1)高度計(jì)可提供同步的風(fēng)、浪數(shù)據(jù)；(2)高度計(jì)星下點(diǎn)風(fēng)速空間分辨率高于散射計(jì)；(3)高海況下的適用性可能優(yōu)于散射計(jì)?？梢詫⒏叨扔?jì)、散射計(jì)、微波輻射成象儀的風(fēng)速進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)同化微波散射計(jì) 11.5.1 引言海面風(fēng)場資料，對各種海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)模式都是十分重要的邊界條件。從浮標(biāo)和船舶所獲得的風(fēng)測量數(shù)據(jù)十分有限，且離散性大、分布不均勻?？茖W(xué)家們一直在尋求獲得海面風(fēng)場資料的有效手段?？梢姽夂图t外衛(wèi)星遙感首先得到廣泛應(yīng)用，利用靜止氣象衛(wèi)星云圖，通過

43、云導(dǎo)風(fēng)技術(shù)獲得高空風(fēng)場，這種方法從70年代一直沿用至今。星載微波散射計(jì)探測海面風(fēng)場的建議早在1966年提出，這種技術(shù)的有效性被1973年Skylab衛(wèi)星S-193散射計(jì)和1978年SeasatA衛(wèi)星SASS散射計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)。1991年歐洲空間局(ESA)的ERS-1衛(wèi)星上裝載的主動微波探測儀(AMI)設(shè)有散射計(jì)工作模式，使衛(wèi)星散射計(jì)風(fēng)場測量進(jìn)入業(yè)務(wù)化監(jiān)測的新紀(jì)元。衛(wèi)星散射計(jì)風(fēng)場數(shù)據(jù)對于海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)、海洋災(zāi)害監(jiān)測、海氣相互作用、氣象預(yù)報(bào)、氣候研究等具有重要意義。目前，常見的方法是將衛(wèi)星散射計(jì)資料與靜止氣象衛(wèi)星云圖和微波輻射計(jì)SSM/I圖象相互補(bǔ)充。靜止氣象衛(wèi)星(如GMS)資料，具有較高

44、的時間分辨率，每隔1520min接收一次溫度和水汽的圖象數(shù)據(jù)。衛(wèi)星散射計(jì)資料具有較高的精度和空間分辨率。SSM/I也具有較高的時間分辨率(每3天覆蓋全球一次)。多衛(wèi)星傳感器資料的數(shù)據(jù)融合，有助于對有關(guān)過程的認(rèn)識。11.5.2 星載微波散射計(jì)測風(fēng)原理微波散射計(jì)通過測量風(fēng)引起的粗糙海面對微波的后向散射特性來推算風(fēng)場。在海面上，毛細(xì)波疊加在重力波上，風(fēng)的變化引起海表面粗糙度的變化，使接收到的回向散射隨之變化。根據(jù)回向散射與風(fēng)矢量之間的相關(guān)模式，經(jīng)過地球物理定標(biāo)后就能得出海面風(fēng)場。微波海面散射的物理機(jī)制十分重要而復(fù)雜，尚無一種精確的模式。一般認(rèn)為，海水的雷達(dá)回向散射主要有兩個物理機(jī)制。當(dāng)入射角接近天底

45、角時，回向散射主要是鏡面反射。當(dāng)入射角大于20時，回向散射主要是布拉格(Bragg)散射，海水表面波波長與入射波長可以比擬，散射波主要來源于那些滿足布拉格共振條件的表面波，回向散射截面決定于這些小尺度波的功率譜密度，如式11-27所示率譜密度，k為表面波波數(shù)。根據(jù)風(fēng)速與小尺度波的功率譜的關(guān)系可以導(dǎo)出單位面積回向散射系數(shù)的Bragg表達(dá)式為其中=102為常數(shù)，u*為摩擦風(fēng)速，g為重力加速度，海面風(fēng)場的信息就隱含在其中的二維波數(shù)譜密度之中?？梢姡Ｃ婊叵蛏⑸?隨摩擦風(fēng)速u*線性增長。11.5.3 星載微波散射計(jì)風(fēng)場的反演 對海面雷達(dá)回向散射與風(fēng)場的關(guān)系，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，并且提出了很多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

46、函數(shù)以便進(jìn)行風(fēng)矢量的反演。一、SEASATA散射計(jì)風(fēng)場的反演二、ERS-1星載微波散射計(jì)風(fēng)場的反演二、ERS-1星載微波散射計(jì)風(fēng)場的反演 簡介多波段微波輻射掃描儀SSM/I(SpecialSensorMicrowaveImager)裝載在美國空軍國防氣象衛(wèi)星計(jì)劃DMSP(DefenseMeteorologicalSatelliteProgram)業(yè)務(wù)化極軌氣象衛(wèi)星上，主要用于獲取全球海面風(fēng)速分布、降雨、云中水量、積分水汽以及海冰等海洋環(huán)境參數(shù)。分別于1987年DMSPF8、1990年DMSPF10和1991年DMSPF11衛(wèi)星上裝載同樣類型的微波輻射計(jì)SSM/I。DMSP系列氣象衛(wèi)星是太陽同步

47、極軌衛(wèi)星。SSM/I以1400km的掃描寬度對地觀測，每三天可對全球觀測一次。SSM/I由7個不同的微波功率輻射計(jì)組成，工作波段為、。除的水汽通道是一個垂直極化外，其余探測通道均采用雙極化觀測。SSM/I的地面采樣間隔分別為12.5km(85GHz)和25km(其它波段)。在325m/s測量范圍內(nèi)的測風(fēng)精度為2m/s。SSM/I的測風(fēng)原理主要是基于海面微波輻射率與海面粗糙度之間的高度相關(guān)特征，而海面粗糙度直接與風(fēng)速有關(guān)。海面粗糙度增加，海面輻射率增加，極化特性變?nèi)?。其主要機(jī)制有三種：海表面波引起的微波輻射水平、垂直極化狀態(tài)和入射角的改變；海面破碎引起的海氣混合增加微波輻射率；海表面波引起的微波

48、折射。SSM/I風(fēng)速反演算法主要有兩種：一種是統(tǒng)計(jì)回歸分析算法，主要基于微波輻射亮溫與現(xiàn)場風(fēng)速之間的均方誤差最小的統(tǒng)計(jì)分析。另一種算法是基于輻射傳遞的物理算法。統(tǒng)計(jì)回歸算法不考慮物理機(jī)制，但利用微波輻射率與不同極化狀態(tài)下微波輻射亮溫間的相關(guān)關(guān)系；物理算法基于輻射傳遞方程的近似解并進(jìn)行遞歸計(jì)算。一般情況下，統(tǒng)計(jì)回歸算法在區(qū)域范圍內(nèi)精度較好而物理算法在全球范圍內(nèi)應(yīng)用更有效(Bates，1991)。11.5.5 衛(wèi)星風(fēng)場資料的應(yīng)用一、臺風(fēng)與熱帶氣旋從星載微波散射計(jì)獲得的風(fēng)場資料中可以清楚地看到臺風(fēng)所特有的渦旋型結(jié)構(gòu)、臺風(fēng)中心(即臺風(fēng)“眼”)的位置及移動路徑。衛(wèi)星散射計(jì)數(shù)據(jù)與靜止氣象衛(wèi)星云圖、SSM/

49、I水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以看出氣旋水汽的變化、不對稱性的增長、前鋒結(jié)構(gòu)及風(fēng)場結(jié)構(gòu)。圖11-16給出ADEOS/NSCAT散射計(jì)觀測到的9616號臺風(fēng)的移動軌跡。二、二氧化碳?xì)怏w交換觀測表明，大氣中的二氧化碳?xì)怏w的濃度正以年平均6.69610-8mol/dm3速度增加。由于海洋中的碳儲藏量50倍于空氣中的含量，因此研究大氣-海洋間的二氧化碳?xì)怏w交換，探索海洋的碳儲藏能力，對研究全球碳循環(huán)和氣候變化至關(guān)重要。由于直接測量通量十分復(fù)雜，通常海氣間的二氧化碳通量由海氣間的二氧化碳的分壓和氣體交換系數(shù)計(jì)算獲得。氣體交換系數(shù)決定氣體交換的快慢，主要由海面風(fēng)速分布決定。目前，國際上已把衛(wèi)星反演風(fēng)速應(yīng)用于海

50、氣二氧化碳通量研究中。圖11-18給出北太平洋二氧化碳?xì)怏w交換系數(shù)的季節(jié)變化規(guī)律。三、海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)高質(zhì)量、高時空分辨率的衛(wèi)星海面風(fēng)場通過數(shù)據(jù)同化輸入到海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)模式中，對海洋動態(tài)變化研究、災(zāi)害性海況預(yù)報(bào)至關(guān)重要。由于現(xiàn)場風(fēng)場資料的缺乏，對氣旋、臺風(fēng)以及風(fēng)生流研究進(jìn)展緩慢，利用衛(wèi)星獲得的風(fēng)場資料同化到相應(yīng)的數(shù)值預(yù)報(bào)模式將有助于對上述現(xiàn)象的理解和模式的修正。NSCAT風(fēng)場資料同化到數(shù)值氣象預(yù)報(bào)模式中，發(fā)現(xiàn)對南半球的氣壓場、風(fēng)場的數(shù)值預(yù)報(bào)有顯著改進(jìn)。NSCAT資料比歐洲中長期天氣預(yù)報(bào)(ECMWF)的風(fēng)速分布在高頻部分包含更多能量，散射計(jì)風(fēng)場資料對海浪數(shù)值預(yù)報(bào)、大洋環(huán)流、ENSO等的研究也引

51、起了廣泛興趣。星載合成孔徑雷達(dá) 引言合成孔徑雷達(dá)(SyntheticApertureRadar，SAR)是一種主動式微波成象雷達(dá)，它被認(rèn)為是最有效、最有潛力的衛(wèi)星傳感器。它具有良好的空間分辨率，可與光學(xué)遙感圖象相比擬；又具有全天候全天時工作的優(yōu)點(diǎn)。SAR對海洋的觀測主要利用微波和海面微尺度結(jié)構(gòu)的相互作用而形成海面回向散射系數(shù)的圖象分布。影響海面微尺度結(jié)構(gòu)的各種海洋現(xiàn)象和過程作為一種調(diào)制信號而被SAR圖象觀測到。SAR對海洋的觀測，包括海浪方向譜、中尺度渦旋、內(nèi)波、海冰、淺海地形、海岸帶動態(tài)監(jiān)測、海面白帽、海面污染、海面風(fēng)場、海流、以及海面油資源、海中葉綠素。近二十年來，尤其進(jìn)入90年代，星載SAR在軟/硬件技術(shù)方面已日趨成熟。目前國際上正在著手開發(fā)新一代多波段、多極化的干涉合成孔徑雷達(dá)。11.6