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1、第六讲 海洋参数的遥感反演,卫星测高,从卫星探测海洋动力参数主要依靠主动微波雷达，即：高度计散射计合成孔径雷达 使用高度计可以发挥以下作用：测量海洋动力参数：海表面高度SSH（Sea Surface Height）有效波高SWH（Significant Wave Height）海面地形（sea surface topography）获取海洋动力参数信息：海流（ocean currents）海浪（sea waves）潮汐（tides）海表面风（sea surface winds）研究地球结构和海洋重力场,卫星高度计,两种卫星高度计雷达高度计：发射和接收海面返回的微波激光高度计：发射和接收海面返回
2、的激光我国神舟飞船留轨舱携带的是激光高度计国外卫星通常携带的是雷达高度计,载有高度计的卫星,TOPEX/POSEIDON卫星（T/P卫星）：1992年8月，美国NASA 与法国国家空间研究中心（CNES）联合发射了高度计专用卫星TOPEX/POSEIDON设备精度的提高以及校正工作的改进，目前T/P卫星测量海平面高度：精度：2.4cm准确度：14 cmT/P卫星携带两个高度计：双频率雷达高度计（Ku(13.6 GHz)+C(5.3 GHz)NASA单频率高度计SSALT（Ku（13.65 GHz）CNES,JASON-1卫星：2001年12月，NASA与CNES联合发射了Jason-1，这是T
3、/P的第一颗后续卫星。JASON-1携带两个高度计：NRA高度计Poseidon-2高度计（Ku+C）微波辐射计T/P卫星：三频率微波辐射计TMRJASON-1卫星：微波辐射计上述微波辐射计通过探测大气中水汽含量实现对高度计测量的大气校正T/P卫星通过携带的6台传感器共同完成海面地形测量任务,海面地形几何学（Topography Geometry）,涉及到的有关科学术语包括：距离（range）地球等势面（geop）大地水准面（geoid）参考椭球面（reference ellipsoid）大地水准面起伏（geoid undulation）或大地水准面高度（geoid height）海面地形（s
4、ea surface topography）或海面动力高度（sea surface dynamic height）海面地形异常(topography anomaly)海表面（sea surface）海表面高度（sea surface height）海表面异常（sea surface anomaly）海平面（sea level）海平面高度（sea level height）海平面异常（sea level anomaly）,1.距离（Range）、地球等势面（Geop）,距离是指卫星到海洋表面的距离。式中c电磁波的传播速度 R距离（range）地球等势面（geop）的位势等于常数，所以被称为等势面
5、。因为水汽会减缓电磁波在大气中的传播速度，所以卫星携带微波辐射计同时测量大气中的“垂程水汽含量”，以便为高度计的测量数据做大气校正。高度计对海平面高度的测量精度依赖于对距离（range）的测量精度，T/P卫星对距离和海平面高度的测量精度都是2.4cm。,海面地形几何学（topography geometry）的示意图,海面地形几何学示意图,2.大地水准面、参考椭球面、大地水准面起伏,大地水准面（geoid）大地水准面（geoid）指与平均海表面最接近的地球等势面（geop），它反映了地球内部质量和密度分布的不均匀特性。如果在海洋中没有潮汐、海流和涡旋等运动，在大气中没有气压的变化，那么，大地水
6、准面应和平均海表面一致。,参考椭球面（reference ellipsoid）参考椭球面是由一个双轴椭圆的旋转产生的，它是最接近地球表面形状的一个椭球面，它的赤道半径是6378.1363km，偏心率（扁率）是1/298.257。,大地水准面起伏（geoid undulation）大地水准面起伏指大地水准面相对于参考椭球面的位移。我们用hg表示大地水准面高度。由于地球质量分布不匀，hg的变化范围在106m和83m之间，从现有测量获得的hg的均方根等于30.6m。,3.海面地形（Topography）海面地形或海洋地形被定义为海表面相对于大地水准面（geoid）的位移,4.海表面高度、海表面异常海
7、表面高度（sea surface height）表示海表面（sea surface）相对于参考椭球面（reference ellipsoid）的距离。海表面异常被定义为海表面高度与平均海表面高度的偏差。平均海表面高度表示若干年内的平均值。数据处理中心经常提供海表面高度SSH和海表面异常SSA。一般地，SSA已经减去了潮汐的影响，潮汐的影响是根据已有的潮汐模式计算获得的。,5.海平面、海平面高度、海平面异常各个不同的数据处理中心提供的以下数据产品有时没有完全遵照上述定义：海平面高度SLH（Sea Level Height）海平面异常SSA（sea Level anomaly）海平面偏差（sea
8、level deviation）数据产品三个术语表达相同定义，有时略有差别。,海平面（sea level）和海表面（sea surface）是两个非常相近的概念。海平面（sea level）是高潮时的海表面和低潮时的海表面之间的中值。SLH（Sea Level Height）代表海平面高度，它表示海平面（sea level）相对于参考椭球面（reference ellipsoid）的高度，或者相对于其它任何参考标准面的高度。SLA（Sea Level Anomaly）代表海平面异常，它表示海平面相对于平均海平面（mean sea level）的高度差。海面地形异常（topography ano
9、maly）近似地等于海表面异常SSA（Sea Surface Anomaly）。除去了潮汐影响的海表面异常SSA（Sea Surface Anomaly）近似地等于海平面异常SLA。,注意：,高度计遥感与物理海洋学中定义（dynamic height）的动力高度不同。前者单位是m，仅代表海表面与某个等势面之间的高度差。后者单位是动力米（1动力米=1J/kg，代表两点之间运送单位质量的海水消耗或释放的能量，是一种位势差。,注意（续）：,高度计的应用,通过星载雷达高度计对海平面高度、有效波高、后向散射的测量，可应用于流、浪、潮和海面风速等重要动力参数的计算，还可应用于地球结构和海域重力场的研究。应
10、用研究领域包括以下各个方面：,大洋环流 海洋潮汐 中尺度海洋现象 水准面与重力异常 有效波高 海面风速 海冰 水深 厄尔尼诺现象,工作原理,激光高度计不作讨论，后面的高度计均指微波高度计。高度计向海面发射短的微波脉冲。传播时间测高；回波波形的斜率测有效波高；回波强度测风速,卫星高度计由脉冲发射器、灵敏接收器和精确计时钟构成。脉冲发射器从天空沿垂直方向向海面发射一系列极其狭窄的雷达脉冲，接收器检测经海面反射的电磁波信号，再由计时钟精确测定发射和接收的时间间隔t，便可算出由卫星到星下点瞬时海表面的距离：式中c电磁波的传播速度 R距离（range）因为水汽会减缓电磁波在大气中的传播速度，所以卫星携带
11、微波辐射计同时测量大气中的“垂程水汽含量”，用于大气校正。,测高原理,依赖于雷达脉冲回波的斜率和时间图示为雷达脉冲回波强度(接收功率)随时间的变化示意图A、B为小波高的情形C、D为大波高的情形A、C代表波峰处D、B代表波谷处是波峰处反射的雷达脉冲和波谷处反射的雷达脉冲到达卫星接收器的时间区间，称为雷达的有效脉冲持续时间。AB、CD的斜率与有效波高有对应关系。,测波原理,对2002年8月1322日TP高度计星下点进行插值获得的全球有效波高,高度计测量的有效波高准确度为1 m或10%。,高度计测量的后向散射截面0和海面风速之间存在着一种非线性反比关系:风速增加海面粗糙度随之增加海表面均方斜率增加雷
12、达脉冲的侧向散射能量增加雷达标准后向散射截面0减小得到0与海面风速之间的数学关系称为“模式函数”,通常用经验方法确定该函数。只能测风速，不能测风向。,测风原理,高度计测高误差,轨道误差 包括在轨道半径测量上的误差和在轨迹位置确定上的误差，时钟的误差也产生与轨道误差等价的误差。坐标系（coordinate system）误差坐标系误差是采用多种不同坐标系使用带来的。在处理高度计数据时，人们经常使用下列坐标系：a)用来追踪卫星位置的网状坐标系b)用来表示大地水准面的坐标系c)通过观测恒星体而定义的惯性参考坐标系d)用来确定日照长度和南北极位置的恒星坐标系这些坐标系没有一致的标准，它们的差别在1-2
13、m之间。其他因素能造成在不同坐标系转换时产生误差：a)两极运动（10m）b)地球的角速度（在赤道上每毫秒移动46cm）变化c)潮汐（20 cm）d)陆地变形（2cm）e)大陆漂移（10cm）,电离层的折射率对电磁波传播速度影响带来的误差 电离层内的自由电子能够减缓电磁波传播速度，可以用电离层折射率的实部n表示，这将影响从卫星到海面的距离R的计算。对流层的折射率对电磁波传播速度影响带来的误差 海浪造成的粗糙海面带来的电磁波偏差 海浪造成的粗糙海面也带来误差。波谷处反射的高度计雷达信号要比在波峰处反射的多，因此返回能量的中值对应于平均海平面偏向波谷侧，导致高度计所测海表面高度偏低。使用激光测距仪跟
14、踪卫星存在偏差。极潮汐和逆气压等其它因素也产生偏差。,高度计测高误差(续),高度计在海表面的水平分辨率是几公里，它随海况不同而差异。一般使用高度计在海面投射脚印(footprint)的直径，来表达其水平分辨率。对于具有典型有效波高（3 m SWH）的开阔海域，TP高度计的水平分辨率是5.5 km。TP高度计大约1s测量一次，沿轨迹的间距大约是6 km。由于各种原因，卫星高度计需要一个完全重复轨迹，对应的卫星轨道被称为循环轨道或重复轨道，对应的周期称为重复周期或循环周期。例如：ERS 卫星重复周期=35 day轨道周期=100.5 min在一个重复周期内卫星环绕地球的圈数N=501,高度计卫星的
15、地面轨迹,TOPEX/Poseidon卫星高度计在24小时内的地面轨迹（左图）和在3天内的地面轨迹（右图）,T/P卫星高度计地面轨迹,重复周期T=9.9155 d（9 days，21 hours，58 minutes，31.3 seconds）10 d 节点周期(Nodal period)t=112.0 min N=127 轨迹可到达南北纬66.04o,用户手册：美国宇航局喷气推进实验室物理海洋学数据分发存档中心（JPL/PODAAC）和法国国家空间研究中心的卫星海洋学存档数据中心（AVISO）对于美国和法国合作发射的高度计卫星TOPEX/POSEIDON 和Jason-1的资料产品撰写了多个
16、版本的用户手册。SSA产品数据集：JPL/PODAAC制作的SSA产品数据集从MGDRB（Merged Geophysical Data Record B）导出，按照10天重复周期（CYCLE）存放，每个CYCLE包含一个头文件和254个PASS文件，每个PASS对应着卫星在地球南北纬66.04度之间的半条轨道。数据已经经过校正，包括对电离层（ionosphere）、湿和干对流层（wet and dry troposphere）内的大气效应、海洋潮汐（ocean tides）、极潮汐（pole tide）和逆气压（inverse barometer）的校正。MSSH产品数据集：平均海表面高度场
17、数据由DEOS-3、SeaSAT以及15个月的TP高度计资料导出。,网上数据及资料,散射计（Scatterometer）,与高度计一样，为主动微波雷达（active microwave radar）。专用于观测海表面风场，是获得大面积风场的唯一手段。,已发射的散射计及卫星,标准化雷达后向散射截面（Normalized Radar Backscatter Cross Section）,是入射角，R是天线到被探测元的距离，A是雷达波束照射到海表面的面积。,雷达方程（Radar Equation）,雷达(接收功率)方程的基本形式：PR是接收功率（单位Watt），PT是发射功率，GT是天线传输能量的增
18、益，AE是天线的有效面积（单位m2）。R是卫星与被探测点间的距离。是被探测元的雷达后向散射截面（单位m2）。天线接收电磁波的能量增益GR与天线的有效面积AE的关系：是电磁波波长。雷达方程的一般形式变为：,可表为 0：单位面积的后向散射截面，也称为散射系数。由于0变化范围太大，一般用分贝0（dB）表示,测风原理,0 海面粗糙度（roughness）海面风。0的计算涉及到海面对微波的散射、反射机制，即0与海面粗糙度的关系。一般按三种情形来进行理论分析。镜面反射理论（Specular Reflection Theory）布喇格共振散射（Bragg-Resonant Scatter）两尺度散射模型（T
19、wo-Scale Scattering Model）实际应用中，采用经验模型。,镜面反射（Specular Reflection）,传感器能够接收在海表面上像镜子似的每个小平面反射的电磁波；相对于这些小平面，雷达波束（radar beam）的入射角必须等于=0。小平面的尺度应大于被反射的电磁波的波长。粗糙海面上的许多小平面对电磁波的镜面反射也被称为“镜点散射”（specular-point scatter）。,镜面反射产生的0,0 可从电磁场方程出发经过推导获得 U10是中性稳定的大气条件下海面上10m处的风速。是波束相对海表面的入射角（incidence angle）。local是波束相对反
20、射小平面（facet）的入射角。（local=0）是垂直入射时海-气界面的Fresnel反射率。f（x,y）是海表面斜率的联合概率密度函数。x和y分别代表在x方向和y方向的海表面斜率。,布喇格共振散射,布喇格共振条件（condition of Bragg resonance）是 散射计发射的微波波长多在分米级，在海表面处可以满足上述条件，从海面返回时具有相同的phase，从而产生布喇格共振。,在一阶近似条件下，可以得到布喇格共振散射产生的0 表达式是：kR 雷达波波数（radar wavenumber）（kw,）极坐标下重力毛细波和短重力波的波数谱kw=2kRsin 产生布喇格共振的海面重力毛
21、细波或者短重力波的波数：雷达波方位角（azimuth angle），g（）加权因子,两尺度散射模型,实际海浪由多种波长不同的波组成，不同组成波对微波的散射、反射机制并不一致。将实际海浪简化成长波和骑在长波上的短波的情形，研究微波的散射，即为两尺度散射模型。先计算出局地小面积元上毛细波的布喇格散射，计算中考虑了海浪长波的波面倾斜引起局地入射角和极化状态的改变。然后利用海面斜率的概率密度函数对各个局地小面积元积分。,风场反演的经验模型,针对ERS 1/2携带的C波段/5.3GHz的散射计，建立了CMOD1和CMOD2两个试验模型，以及CMOD3、CMOD4和CMOD5三个实用模型。针对Seasat
22、-A 携带的Ku波段/13.9GHz的散射计SASS（Seasat-A Satellite Scatterometer），建立了SASS和 SASS两个实用模型。通过将散射计测量的风速与浮标测量数据比较，在4-24 m/s的风速范围内，散射计测量风速的准确度（accuracy）达到2 m/s，相对平均误差（relative mean error）达到10%，风向的准确度达到20。,CMOD3公式,CMOD3是针对ERS1/2的C波段散射计，基于机载散射计的测量和浮标同步数据的拟合曲线，CMOD3研究组提出了关于海面风速和风向反演的公式,卫星散射计反演风速会出现多组解,一般地，卫星散射计反演风速
23、会出现多组解，卫星地面站数据处理中心给出的散射计海面风的产品也不限于一组解。这是风场反演中存在的最大问题。,ERS1/2卫星采用前、中、后三个天线依次探测海洋上一个25km25km的面积元，即同一个面积元被连续探测三次，三个天线发出的电磁波束在海面的投影与卫星在海面的轨迹分别有45、90和135的夹角。对同一个点元，三个天线探测的入射角也各不相同，入射角的分布范围是18到58。依据反演的算法，每个天线的测量给出一个方程，得到三个方程组成的方程组。与现场浮标测量比较表明：遵照最小二乘法计算出的方程组的解并不总是真实的物理解，具有第二、第三或者第四小误差的解可能符合真实的物理条件。第一组解一般情况
24、下是最佳解。当用现问题时，需要从其它备选解中寻找真实解。,海表盐度遥感,SSS的含义:Sea Surface Salinity.研究现状：SSS全球观测非常重要；目前还没有专门用于观测海面盐度的卫星。,SSS的意义,SSS虽然是一个海洋化学的表征量，但是对大洋的物理性质具有重要影响。SSS与海水温度、密度相互关联。SSS是研究大洋环流、全球气候、海洋渔业、海洋声学、海洋环境的重要参数。,SSS观测难度大,在海洋遥感飞速发展的同时，海面盐度的卫星观测进展仍然较慢。目前，美国、欧洲、我国等都在积极研究更先进的盐度传感器。,SSS卫星观测的原理,在微波波段内，盐度与海表亮温存在函数关系。,因此：,S
25、SS卫星观测的原理,其中r 与盐度、温度和电磁波频率有关。,SSS卫星观测的原理,f=1GHz，S在05psu时，S每增加1psu，TB降低0.5K；S在2535psu时，S每增加1psu，TB降低0.25K；f 5.4GHz时，S与TB基本不相关。,SSS卫星观测的原理,高频时，盐度无法观测。低频时，电磁波受电离层法拉第旋转作用的影响大。因此，通常用L波段来进行盐度观测。,SSS卫星观测的原理,L波段对SST和海面风速不敏感。S波段、C波段上的双极化测量对SST和海面风速敏感。因此，盐度观测还需要结合S、C波段的观测。,Njoku提出的盐度观测系统,1.41GHz(L波段)和2.69GHz(
26、S波段)的具有水平和垂直两种极化方式的辐射计；1.26GHz(L波段)的具有VV和HH极化方式的散射计。,数学模型,亮温表达式：,复介电常数可通过实验数据得到。,主要误差来源,传感器灵敏度SST大气干空气和水蒸气云表面粗糙度电离层,盐度反演算法研究,由于观测精度还不能满足要求，反演算法研究还处于探索阶段。NASA和ESA及其他国家正在研制专门用于盐度观测的卫星，其精度将达到0.20.3psu。将来最先的应用领域包括：提高季度至年度气象预报能力；提高海洋降雨估计；监测大范围海水盐度异常现象。,SST遥感,SST：应用广泛，但准确定义并非易事。interface SST,SSTintskin SS
27、T，SSTskin：表层500微米的海水温度。sub-skin SST,SSTsub-skinsubsurface SST,SSTdepth RS中一般是指skin SST，但是与传感器、海水状态等有关。,海水温度的垂直变化,SST是海洋学研究中最重要的参数之一；几乎所有的海洋过程，特别是海洋动力过程都直接或间接与温度有关。,（1）气候学（2）全球海表面温度变化（3）海表面温度异常（4）天气预报（5）大洋涡旋（6）上升流（7）海洋锋（8）经济和渔业：,传感器,热红外辐射计(Thermal Infrared Radiometer)热红外：314m通常用3.7m或近10m,大气成分的吸收率(%),
28、3.7m通道对SST敏感，但同时对太阳辐射反射很强。适合用于晚上观测。热红外观测的优点：精度较高；使用历史长，积累资料多。,热红外观测的缺点：不能穿透云层；受气溶胶、水气等影响，需要做大气订正。微波观测与之相反，可作为补充。,观测原理,海水的发射率在热红外波段由经验确定，一般设为接近于1的一个常数。在微波波段变化幅度较大。大气订正后，利用Planck公式计算。微波波段，可利用瑞利-金斯公式：,热红外遥感反演,由前面知道：热红外波段，海水发射率接近于1，需要进行云检测和大气订正。反演方法：单通道直接法：利用大气温度、温度垂直廓线，计算大气辐射和大气透过率，再反演。难度大，精度低，很少采用。,单通
29、道统计法利用同步实测资料，对SST与大气水汽含量、卫星天顶角、亮度温度等因素的关系进行统计回归分析。,多通道法(直接法、统计法)又称为分裂窗法(split windows)。最早针对AVHRR提出。精度为0.65K。,用于Modis的MPSST(Miami Pathfinder SST algorithm),多角度法 不同视角观测目标所经过的大气路径不同，利用此差异来消除大气影响，进行SST反演。,云检测,可见光反照率阈值法海面反照率一般低于5%，而云一般高20%；直方图统计法按温度进行统计，如果呈现高温区和低温区，则低温区为云覆盖区。常年平均海面温度法用常年平均值与探测点温度值比较，当探测值高于平均值时，认为是晴空，反之则认为有云。,
