衛(wèi)星海洋學(xué)復(fù)習(xí)題

簡介

衛(wèi)星海洋學(xué)（satelliteoceanography）是利用衛(wèi)星遙感技術(shù)觀測和研究海洋的一門分支學(xué)科。衛(wèi)星海洋學(xué)興起于20世紀(jì)70年代，它是衛(wèi)星技術(shù)、遙感技術(shù)、光電子技術(shù)、信息科學(xué)與海洋科學(xué)相結(jié)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(xué)解釋和衛(wèi)星遙感的海洋學(xué)應(yīng)用。衛(wèi)星遙感的海洋學(xué)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(xué)應(yīng)用涉及到運用衛(wèi)星遙感資料在海洋學(xué)各個領(lǐng)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（可見光、紅外和微波）在大氣和海洋介質(zhì)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(guān)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(xué)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(xué)研究和應(yīng)用的傳感器的最佳設(shè)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(xué)各領(lǐng)域中的應(yīng)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(rèn)識，引起了海洋學(xué)研究的一次深刻變革。衛(wèi)星遙感資料和衛(wèi)星海洋學(xué)的研究成果在海洋天氣和海況預(yù)報、海洋環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)、海洋資源的開發(fā)和利用、海岸帶測繪、海洋工程建設(shè)、全球氣候變化、以及厄爾尼諾現(xiàn)象監(jiān)測等科學(xué)問題上有著廣泛的應(yīng)用。

原理

衛(wèi)星在遙遠(yuǎn)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(guān)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(zhì)濃度的信息。傳感器能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(shù)的發(fā)展在不斷地提高，目前正在接近、達(dá)到甚至超過現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的精度。

應(yīng)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(jìn)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(shù)，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(xué)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(guān)，可見光與紅外輻射計獲得的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?？傊?，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(shù)，人們實現(xiàn)了對海表面溫度（seasurfacetemperature）、海表面鹽度（seasurfacesalinity）、海平面異常（sealevelanomaly）、海流（oceancurrent）、海表面風(fēng)（seasurfacewind）、海浪（seawaves）、海洋內(nèi)波（oceaninternalwaves）、懸浮物濃度（suspendedmatterconcentration）、葉綠素濃度（chlorophyllconcentration）、色素濃度（pigmentconcentration）和水色（oceancolor）等多種海洋要素的監(jiān)測，以及大氣剖面溫度和濕度（atmosphereprofiletemperatureandhumidity）、垂程水汽含量（verticalwatervaporcolumnthickness）、可降水量（totalcolumnprecipitablewatervapor）、氣溶膠光學(xué)厚度（aerosolopticalthickness）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(xué)觀測。例如，海洋內(nèi)部垂直斷面的測量必須依靠浮標(biāo)或其它傳統(tǒng)海洋學(xué)觀測技術(shù)。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)海洋學(xué)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)是互補的關(guān)系。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，浮標(biāo)數(shù)據(jù)和許多其它現(xiàn)場海洋學(xué)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(jìn)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(hù)海洋的重要基礎(chǔ)。衛(wèi)星遙感技術(shù)作為獲取海洋觀測資料的重要手段，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。圖1：2001年全球海表面溫度的年平均等溫線

水平極化和垂直極化定義設(shè)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，垂直極化的電場與參考平面平行。立體角詳細(xì)推導(dǎo)天頂角、觀測角輻射通量、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：基爾霍夫定律、兩介質(zhì)界面處的基爾霍夫定律黑體定義、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：太陽輻射和地球輻射特征(圖5.5)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。復(fù)折射率和復(fù)相對電容率關(guān)系、菲涅耳反射率和菲涅耳反射系數(shù)關(guān)系復(fù)折射率實部和虛部意義皮層深度、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：衛(wèi)星遙感海表溫度和傳統(tǒng)觀測海表溫度區(qū)別衰減系數(shù)和光學(xué)厚度、太陽傾斜入射的光學(xué)厚度衰減系數(shù)：光學(xué)厚度：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：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(gòu)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(yuǎn)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變成了最主要的衰減因素。氣溶膠定義大氣窗定義有邊界存在時的輻射傳輸各項推導(dǎo)(P.149-150)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(zhì)。一類水體、二類水體一類水體：浮游植物及其“伴生”腐殖質(zhì)對水體的光學(xué)特性起主要作用的水體二類水體：無機懸浮物或黃色物質(zhì)（又稱溶解的有色有機物）對水體的光學(xué)特性有不可忽視的明顯作用的水體離水輻射率含義熱紅外遙感的海洋學(xué)應(yīng)用氣候?qū)W；（2）全球海表面溫度變化；（3）海表面溫度異常；（4）天氣預(yù)報；（5）大洋渦旋；（6）上升流；（7）海洋鋒；（8）經(jīng)濟和漁業(yè)影響微波輻射計接收海面輻亮度的因素有哪些？海面及一定深度的復(fù)介電常數(shù)：它反映海水的電學(xué)性質(zhì)，由表層物質(zhì)組成及溫度所決定海水由各種鹽類、有機質(zhì)、懸浮粒等組成的復(fù)雜水體從微波輻射角度，海水可視為含NaCl等鹽類的導(dǎo)電溶液海水的介電常數(shù)，是海水溫度、鹽度的函數(shù)海面粗糙度（海面至一定深度內(nèi)的幾何形狀結(jié)構(gòu)）從這角度將海面分為4類：平靜海面：海面無風(fēng)或風(fēng)速很小，可用物理光學(xué)處理，當(dāng)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(fēng)浪海面：海面有波浪而成為一個隨機起伏的粗糙面，此時電磁波在界面上產(chǎn)生復(fù)雜多變的反射和散射，散射回波增強。同時，大風(fēng)浪海面往往伴有泡沫帶。它的特征除與輻射亮度溫度有關(guān)外，海域海浪譜、海面風(fēng)速有關(guān)。污染海面：一般指油污染等形成兩層介質(zhì)，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(jié)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。填空：平靜海面的微波亮溫T通過_④、⑤__與海面發(fā)射率e相聯(lián)系，海面發(fā)射率e通過_①__與菲涅耳反射率ρ相聯(lián)系，菲涅耳反射率ρ通過_②__與相對電容率εr相聯(lián)系，相對電容率εr通過_③__與海表面溫度和鹽度相聯(lián)系。①基爾霍夫定律②菲涅耳公式③德拜方程④瑞利-金斯定律⑤發(fā)射率定義為什么微波輻射計能夠遙感海表面溫度和海面風(fēng)速？通過遙感方法獲取海洋表面溫度的理論基礎(chǔ)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。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(fēng)場給出雷達(dá)后向散射截面定義，什么是標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)后向散射截面？如何用分貝表示？雷達(dá)后向散射截面：度量目標(biāo)在雷達(dá)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(biāo)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(biāo)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σ表示目標(biāo)的雷達(dá)散射截面。標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)后向散射截面：用雷達(dá)散射截面的對數(shù)值的十倍來表示，符號是σdBsm，單位是分貝平方米（dBsm），即σdBsm＝10lgσ布拉格共振的條件是什么？如何推導(dǎo)？計算：使用1.4GHzL波段散射計，當(dāng)入射角是60度時，與電磁波共振的海表面波的波長是多少？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型？兩尺度散射模型：概念解釋：距離、地球等勢面、大地水準(zhǔn)面、參考橢球面、海表面地形、海表面高度、海表面高度異常、海平面、海平面高度、海平面高度異常距離：衛(wèi)星與海面之間的距離；地球等勢面：有確定的位勢大地水準(zhǔn)面：與平均海表面最接近的地球等勢面，它反映了地球內(nèi)部質(zhì)量和密度分布的不均勻特性。參考橢球面：由一個雙軸橢圓的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，是最接近地球表面形狀的一個橢球面海表面地形：海表面相對于大地水準(zhǔn)面的距離。海表面高度：海表面相對于參考橢球面的距離海表面高度異常：海表面相對于平均海表面的偏差，等于海表面高度和平均海表面高度的差海平面：高潮時的海表面和低潮時的海表面的中值海平面高度：海平面相對于參考橢球面（或其他參考標(biāo)準(zhǔn)面）的高度海平面高度異常：海平面相對于平均海平面的高度高度計在海洋學(xué)中的應(yīng)用