卫星海洋学复习PPT(112章).ppt

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1、卫星海洋学（satellite oceanography）是随着人造地球卫星的诞生而发展起来的海洋科学的新分支，它包括两个方面的研究，即遥感的海洋学解释和遥感的海洋学应用。遥感的海洋学解释涉及到对各种海洋环境参量的反演机制和信息提取方法研究。遥感的海洋学应用涉及到卫运用卫星遥感资料在海洋学各个领域的研究。,卫星海洋遥感的应用（Applications of Satellite-Oceanic Remote Sensing),电磁波谱,遥感类型1被动遥感：可见光,可见光和近红外波段多波段（detects colour）扫描方式（generates images)不能透过云层受大气影响严重Meas

2、ure water properties which color the seaAlso measure light reflected at the surface,数据类型1：水色数据,全球海表面叶绿素浓度分布（SeaWiFS：28/8-04/09/2004）,遥感类型2被动遥感：自发辐射,热红外辐射多波段受云影响需要大气校正反演海表面温度微波辐射计多频段可穿透云层几乎不受大气影响反演SST反演海面粗糙度反演盐度,Why Use Microwave？,Clouds!,Two-days of Infrared,Two-days of Microwave,遥感类型3主动遥感,雷达脉冲散射计（c

3、ourse resolution）反演风速和风向成像雷达-SAR（fine resolution)反演海面粗糙度,Ocean Surface Wind Speed,遥感类型3主动遥感,雷达脉冲散射计（course resolution）反演风速和风向成像雷达-SAR（fine resolution)反演海面粗糙度 垂直发射高度计测量返回时间反演距海面距离测量回波形状和强度反演波高和风场,Satellite ocean datasets,4:from altimetry,SSH Anomaly(from Altimeter)Height 16-26 Sep,2003-mean height ov

4、er several years,第四章 卫星轨道与分辨率（Satellite Orbit&Resolution）,太阳同步近圆形极轨气象卫星（meteorological satellite with Sun-synchronous,polar and near-circular orbit）可以在大约八百公里的高空巡视全球表面，缺点是对某一地区每天只能观测两次。,地球静止气象卫星（geostationary meteorological satellite）可以在大约三万五千公里的高空对地球表面近五分之一的地区连续地进行气象观测，实时将资料送回地面；用四颗卫星均匀地布置在赤道上空，就能对全

5、球的中，低纬度地区天气系统的形成和发展进行连续监测。缺点是不能观测纬度大于55的地区。,无论是光学装置还是微波雷达，它们的角分辨率由D唯一确定；它们的空间分辨率由、D和H三个参数确定。见光的波长比微波要小的多，它们的比值是10-5 的量级，所以可见光波段的相机的分辨率一般要远远高于真实孔径雷达。请注意，合成孔径雷达的分辨率原理不同于此。,角分辨率：=1.22/D空间分辨率：d=1.22H/D,光学分辨率,微波雷达的分辨率,第五章 电磁辐射(Electromagnetic Radiation),极化状态是根据电场方向与参考平面的关系来定义的；究竟是水平极化还是垂直极化涉及到电场方向与参考平面的关

6、系。,水平极化和垂直极化,水平极化horizontal polarization,垂直极化vertical polarization,辐射术语（Radiation Terms）,辐亮度（Radiance）沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量亮度B（brightness)：接收（incident）-微波波段光谱辐亮度L()（Spectral Radiance）单位波段内沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量,From“An Introduction to Ocean Remote Sensing”,朗伯表面（Lambert surface）,辐亮度L不是和 的函数，这样的表面被称为朗伯表面

7、（Lamber surface）。朗伯定理表达的事实是：朗伯表面在不同方向看是一样亮的。,对应于面积是A的朗伯表面辐射通量是,考虑到：,朗伯表面（Lambert surface）,朗伯表面的辐亮度,朗伯表面的辐照度,只有黑体才是完全理想的余弦辐射体。太阳似圆盘而不象球，说明它近似于朗伯表面。在可见光和近红外波段，具有粗糙表面的自身发射体和被照射的散射体接近于余弦辐射体，这是海洋遥感的基本理论依据之一。,基尔霍夫定律（Kirchoff Law）,基尔霍夫定律（Kirchoff Law）在海洋遥感中是极其重要的定律，它是海表面物理量遥感机理的基础之一。地球表面温度变化的时间尺度远大于遥感仪器的一次

8、测量需要的时间区间，因此，在遥感计算中地球表面的局部热力学平衡条件得到普遍满足。,推广公式-I：,用菲涅耳反射率(,)代替反射率r()，则,此公式是仅适用于两介质界面处的基尔霍夫定律表达式，它表达在局部热力学平衡条件下，除掉反射的部分以外，所有吸收的能量都被发射出去了在海表面温度、海表面盐度和海面风的遥感中，人们经常使用这个公式。,推广公式-II：,大气某些成分对于某些波段的电磁波具有较强吸收能力，形成了大气吸收带。忽略大气的漫反射率，大气发射率等于大气吸收率，大气发射率eA（,）等 于1减去大气透射率t（,），即,该公式是仅适用于介质内部的基尔霍夫定律表达式，表现了大气吸收带的发射率特征，它

9、可应用于大气垂直剖面温度和湿度的遥感。,与基尔霍夫定律相结合，此公式能够解释许多海洋大气的遥感理论问题,普朗克辐射定律,瑞利-金斯定律,斯忒藩-玻耳兹曼定律,维恩位移定律,极点,积分,“低频”,如果已知海面发射的辐亮度，那么直接代入普朗克辐射定律经过计算可以获得一个黑体等效辐射温度。这样获得的温度不是真实的海表面温度，它被称为海表面亮温（brightness temperature）TB，或称为黑体温度（blackbody temperature）TB。,亮温（Brightness Temperature）,欲获得真实的海表面温度，除了从卫星遥感获得的辐亮度要经过大气校正以外，还要在计算中考虑

10、到海水的灰度，即海面发射率;,微波辐射计探测的亮温与海表面温度SST的关系,微波波段，普朗克定律变为瑞利-金斯定律,根据海面发射率的定义,亮温（Brightness Temperature）,微波辐射计探测的亮温与海表面温度SST的关系,T（,TSST）代表海表面之上的传感器能够探测到的亮温，它可能是波长、海表面的热力学温度和立体角的函数；TSST是海表面一个薄层海水的温度，它代表海表面的物理温度或热力学温度，当然它与常规水桶采水法在一定深度取水测得的海表面温度略有差别。,亮温（Brightness Temperature）,什么是海面亮温（Sea Surface Brightness Tem

11、perature）TB？在不考虑大气效应的情况下，微波辐射计探测到的“海面亮温”与海面真实温度之间有什么关系？普朗克定律和瑞利金斯定律分别适用于热红外、可见光、微波波段三个波段中哪些波段的辐亮度计算？哪个波段的辐射计适于探测海表面温度，为什么？,Klein and Swift(1977),1-2 GHz的频率范围内不同的盐度导致不同的海面发射率e，海表面盐度的微波遥感正是利用了这个特性。,在1-2 GHz的频率范围内，复相对电容率随盐度不同而有明显差异；不同的相对电容率导致不同的菲涅耳反射率。,第六章 散射和吸收-PART1（Scatter and Absorption）,6.1 描述衰减的术

12、语（Terms Describing Attenuation）6.2 辐射传输方程（Radiative Transfer Equation）6.3 大气层和大气窗（Aerosphere&Atmospheric Windows）6.4 辐射传输方程（Radiative Transfer Equation）,复折射率的虚部的物理意义？,上式表明了电场强度的衰减系数 ke（）与复折射率的虚部n二者之间的关系这个公式直接地揭示了n的物理意义：复折射率的虚部n是描述电磁波在传播过程中能量衰减快慢程度的物理量。,ke是电场强度的衰减系数，代表电场强度Ex（,z）的衰减项,1.2 皮层深度（skin dep

13、th）,如果在z=d处的电场强度Ex（,d）衰减为初始值Ex（,0）的1/e，那么我们定义从z=0 到 z=d的距离为皮层深度（skin depth）,电场强度（electric field intensity）的表达公式,辐亮度与电场强度的平方成比例。电场强度衰减为初始值的1/e，这意味着辐亮度衰减为初始值的(1/e)20.135。这里e是自然数，e2.71828,皮层深度有多大？,在如此短的距离内，电场强度衰减为初始值的1/e，辐亮度就已衰减到初始值的(1/e)2 0.135。只有接近海面非常薄的水层的水分子发射的电磁波能够溢出水面！,对于频率为10GHZ，波长为3cm的微波，20oC，3

14、5psu的海水,d=1.96 mm,左图表示无论夜间还是白天，当强风（U10 6 m/s）时充分混合的上表层温度剖面；右图表示在白天强日照和弱风条件下层化的上表层温度剖面。,T11m：波长为11 m的热红外光辐射计T10GHz：频率为10 GHz的微波辐射计Tb、：浮标测量的温度Ts：海表面温度T：|Ts-Tb|三条黑色线段分别代表对以上三个测量温度有贡献的海水厚度层；T11m和T10GHz的两条黑色线段的下端分别对应着两个不同波段的皮层深度。,皮层深度有多深？卫星遥感观测的SST代表什么？,风速5m/s时，skin和sub-skin的典型温差为0.17oC,吸收和散射都引起衰减;衰减系数（a

15、ttenuation coefficient）ka()=吸收系数（absorption coefficient）kab()+散射系数（scattering coefficient）ksc（),2.2 光学厚度,朗伯-比尔透射定律的积分形式和透射率？,衰减系数,积分,透射率t（）等于在位置z和位置z0的辐亮度之比，将该定义代入到以上公式，可知,该式是朗伯-比尔透射定律（Lamber-Beer Transmittance Law）的积分形式。,6.1 米氏散射和瑞利散射（Mie Scatter&Rayleigh Scatter）,无量纲的粒子尺度q1，米氏散射和瑞利散射的微观理论都不适用。米氏散射

16、（Mie Scatter）理论适用于描述q（即粒子的周长与电磁波波长之比）小于1的球形粒子对电磁波的散射现象。瑞利散射理论适用于描述q远小于1的球形粒子对电磁波的散射现象。,瑞利散射的适用范围:q0.05(满足q1条件),频率为3 GHz 的微波波长约为10 cm，无量纲的粒子尺寸q0.05要求对应的粒子半径r0.8 mm，只有小雨点满足该条件；比小雨点还小的气溶胶粒子和空气分子对微波的散射属于瑞利散射，但由于它们引起的衰减太小，可以忽略不计,热红外波段，若=10 m，无量纲的粒子尺寸q0.05要求粒子半径r0.08 m，但是大气中绝大多数气溶胶粒子超过这个范围。在可见光波段，除了对于大气层空

17、气分子（指氮气和氧气分子）和海水的水分子可用瑞利散射理论，对于其它粒子必须使用米氏理论,大气层空气分子的散射属于哪一种？气溶胶散射对可见光和微波各属于哪一种？为什么？,辐射计探测的总辐亮度（radiance detected by radiometer）,LA:与大气温度相同的黑体发射的辐亮度大气 的发射率等于1-t,t 可以由光学厚度导出LS:与海表面温度相同的黑体发射的辐亮度eS:海面的发射率，eS=1-S。,第七章 辐射计和水色遥感（Radiometer&Ocean Color Remote Sensing）,1.水色遥感简介（Introduction to Ocean Color Re

18、mote Sensing）,水色探测使用的波段：400-700nm可见光,MODIS=Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer-中等分辨率成像光谱仪Terra Satellite launched December 18th,1999 Aqua satellite launched May 4th,2002.,SeaWiFS=Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor(since 1997)-宽视场海洋观测传感器,CZCS=Coastal Zone Color Scanner(1978-1986)沿岸带水色扫描仪

19、,2.辐射计（Radiometers）,3.大气校正和离水辐射,传感器接受到的总的辐亮度为：,4.水色遥感的科学术语,如果已经知道海水的离水辐亮度，利用生物光学算法就可以量化叶绿素浓度和其它成分的浓度,离水辐亮度(Water-Leaving Radiance）,4.水色遥感的科学术语,Lwn 归一化离水辐亮度F0 平均日地距离处大气层外垂直入射的太阳辐照度,遥感反射率Rrs()（remote sensing reflectance）,为什么在水色遥感中使用遥感反射率，而不直接使用离水辐亮度？,欲从辐射计观测辐亮度反演Chl-a，主要需要三个步骤：剔除云离水辐亮度在NIR波段近似为0，870nm

20、主要是气溶胶和云反射有NIR波段，反射率大于某个临界值认为是云无NIR波段，应用可见光波段从总辐亮度获取离水辐亮度从离水辐亮度反演Chl-a和CDOM或者其它色素浓度,5.海洋水色要素的生物光学算法,水色遥感分析,海面水色遥感的4点启发?为什么在二类水体海域，水色遥感的大气校正异常困难？,第八章 热红外辐射计（Thermal-Infrared Radiometer）,在10 m,太阳辐射大约是海面发射的300倍，但由于地球太阳之间的长距离传输，到达大气层顶的太阳辐射只是太阳表面的10-5,大约是地球表面发射的 1/300；,热红外窗：3.5-4.1 m 10.0-12.5 m.,在3.7 m,

21、入射的太阳辐射和海表面发射具有相同的量级，该波段只能在晚上应用（nighttime）,8.1 红外辐射计（Infrared Radiometer）,热红外窗：3.5-4.1 m 10.0-12.5 m.,MODIS:20通道（3.660m3.840 m）、22通道（3.929m3.989 m）和23通道（4.020m4.080 m）以及31通道（10.78011.280 m）、32通道（11.77012.270 m）24通道（4.4334.498 m）和25通道（4.4824.549 m）17通道（890920 nm）、18通道（931941 nm）和19通道（915965 nm）,三中物理过

22、程影响皮层温度和现场温度的差别:昼夜温跃层（Diurnal thermocline）;热皮层效应（Thermal skin layer effect）;海表面飞沫（The presence of surface film）.,8.2 热红外辐射计,Cloud detection:(1)最大温度/梯度法；(2)多波段法；(3)目测法,大气校正:multispectral approach 不同波段测量的线性组合来消 除大气的影响,8.4 海表面温度反演算法,多波段回归分析法,Why Use Microwave？,Clouds!,Two-days of Infrared,Two-days of M

23、icrowave,第九章 微 波 辐 射 计（Microwave Radiometer）,9.1 微波辐射计（Microwave Radiometer）9.2 海面的微波发射率（Microwave Emissivity of Sea Surface）9.3 海面物理参数的遥感（Remote Sensing of Sea Surface Physical Parameters）9.4 雷达（Radar）,SSMR（Nimbus7）scanning multi-frequency microwave radiometer 多频率扫描微波辐射计SSM/I(DMSP卫星）Special sensor

24、microwave imager for DMSP）专用传感器微波成像仪TMI（JERS-1）Tropical Rainfall Measuring Mission Microwave Imager 热带降雨测量任务微波成像仪AMSR-E(EOS-PM)Advanced microwave scanning radiometer for EOS-PM 高级微波扫描辐射计,微波辐射计,微波辐射计,微波辐射计,TA是微波辐射计观测的亮温TS是海表面温度 是大气加权温度Tgal 是银河系噪音（galactic noise）等效温度Tcos宇宙黑体辐射等效温度Tsun是太阳表面温度,海面发射的亮温经透

25、射后到达传感器的部分大气向上辐射的亮温二次透射后的大气亮温宇宙噪音经透射后到达传感器的部分太阳辐射经透射后到达传感器的部分,微波辐射计的反演模型,理论模型海浪理论和电磁波散射理论,海面发射率受到海面粗糙度的（由方向谱和斜率概率分布函数表示）很大影响，已有很多研究成果和现成的模型。,小斜率近似模型,双尺度模型,理论模型可以发展成为针对单个通道和某个极化状态的算法，它将海面微波亮温作为微波辐射计能够测量的已知量，将海表面温度和盐度、海上风速作为未知量特定波段的重要性1.4GHzSSS6GHz V-Pol和10GHzSST18GHz small columnar water vapor(V)22GH

26、z large columnar water vapor(V)37和85GH z 区分cloud liquid 和rain10GHZ,H-pol 风速、风向But for many parameters,the effect is across a broad spectral rangeSo retrieval algorithms tend to extract all parameters together.,经验模型(大量卫星遥感和浮标同步测量数据),第十章 散射计（Scatterometer）,10.1 卫星和散射计（Satellite&Scatterometer）10.2 标准化雷

27、达后向散射截面（Normalized Radar Backscatter Cross Section）10.3 电磁波在粗糙海面的散射（Scatter of EM Waves at a Rough Sea Surface）10.4 经验模型（Empirical Model）,雷达：利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息；主要有三类散射计侧视扫描测量来自毛细重力波的布拉格散射主要参数：回波能量高度计垂直探测主要参数：返回时间合成孔径雷达侧视扫描主要参数：回波能量,10.1 卫星和散射计（Sat

28、ellite&Scatterometer）,NASA/JPL,29 April 1999Sun-Synchronous,Polar-orbiting satellite at 803kmKu-band(13.4Ghz)Swath width of 1800kmHorizontal resolution of 25 and 12.5km,QuikSCAT Scatterometer,标准化雷达后向散射截面NRCS（Normalized Radar-backscatter Cross Section，通俗地也被称为散射系数（scattering coefficient）,用来度量后向散射能量的强弱

29、，是一个虚拟的面积；研究表明，这个系数与海面粗糙度（sea surface roughness）有关，海面粗糙度由海面风（sea surface wind）决定，所以对0 的观测可以间接地计算获得海面风。由于0变化范围较大，通常使用dB分贝来表示：0dB=10lg 0 如果0 是100，就是20分贝，如果0 是0.001就是-30分贝,散射计接收的NRCS主要包括两部分：一部分电磁波在海面上由镜面反射机制产生另一部分有电磁波与海表面波浪之间的布拉格共振散射机制产生,10.3.3 布喇格散射（Bragg Scattering）,Scattering by gravity-capillary wa

30、ves,“not”ocean waves,Gravity-capillary wavesRespond to strength of local windAlign perpendicular to wind direction,从海面上后向散射的电磁波有相同的相位（phase），具有相同相位的电磁波相遇产生布喇格共振。,风速的观测（Observation of Wind Speed）,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，使得雷达脉冲的侧向散射能量增加，从而导致0下降。,散射计测风原理：侧视扫描，镜面反射+布拉格共振散射,台风过境前后

31、的水面状态和水体特征都会发生很大变化，如果想查看台风过境前后的风场、海表面温度和叶绿素浓度分布变化，可以使用的卫星/传感器资料有哪些？,第十一章 高度计（Altimeter）,Altimeters emit pulses straight down and receive the returned signal垂直发射脉冲并回收The returned pulse is used to estimateSea surface height(SSH)from the round trip(RT)travel time往返时间反演SSHSignificant wave height H1/3 fr

32、om the shape of the returned pulse回波脉冲的形状反演有效波高Wind speed from the amplitude of the returned pulse回波脉冲的振幅反演风速Altimeter data have also been used to improve estimates of:Sea floor topography from large changes in the geoid海底地形Tides潮汐,11.1.1 高度计（Altimeter）,In orbit,Approved,Planned/Pending Approval,97,

33、98,99,00,01,02,03,04,05,06,07,08,09,10,11,12,2-f MR&66-deg,10-day,315-km,98-deg,35-day,80-km failure of on-board recording,ERS-2,ENVISAT,JASON,13,14,15,Sentinel 3 3-sat series,Jason,108-deg,17-day,160-km,Jason-3,AltiKa on SARAL,TOPEX-Poseidon,Altimeter Missions,GEOSAT Follow-on,OSTM(Jason-2),HY-2 se

34、ries,SWOT,Timely data access?,past,TOPEX/POSEIDON,美国宇航局（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高度计专用轨道 南北纬66o轨道高度1336km，周期112分钟热带区域，轨道交角约90o重复周期9.916天赤道处的最大轨道间距是320km,1.Sea Surface Height:大地水准面(geoid),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，大地水准面应和平均海表面一致。,The sea s

35、urface height that would exist without any motion.This surface is not“flat”because of gravity variations around the planet due to mass and density differences associated with the seafloor.,大地水准面起伏（geoid undulation）指大地水准面（geoid）相对于参考椭球面（reference ellipsoid）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8

36、3m之间，从现有测量获得的hg的均方根等于30.6m。,Sea Surface Height:大地水准面起伏,海面地形定义为海表面相对于大地水准面的位移。,To derive the dynamic topography,D,the easiest way would be to subtract the geoid HEIGHT from SSHIn practice,the geoid is not yet known accurately enough for many applications and mean sea level is commonly subtracted inst

37、ead.This yields the variable part of the ocean signal(but removes the mean ocean circulation),11.2.1 海面地形,海面地形（topography）是由于海流、潮汐和中尺度涡等海水运动引起的，其幅度的量级为1m，它包含有海流、潮汐和中尺度涡等海洋动力学的信息。请注意，海面地形（topography）不是海底深度(bathymetry)。因为海面地形（sea surface topography）是海洋动力过程引起的，所以在许多文献中也称之为海表面动力高度（sea surface dynamic he

38、ight）或动力地形(dynamic topography)。,海面地形（sea surface topography）,Ocean waves influence the signal received by the altimeter.The time during which the returned signal achieves its maximum indicates the significant wave height(SWH).,11.3 有效波高（Significant Wave Height）,海表面的有效波高代表在一个时间区间内观测到的最高的三分之一大波的平均波高,是

39、由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。我们称这个时间区间为雷达的有效脉冲持续时间（effective pulse duration）。有效脉冲持续时间与海表面的有效波高是一一对应关系。所以，通过对有效脉冲持续时间的测量，就可以计算出海表面的有效波高。,第十二章 合成孔径雷达（Synthetic-Aperture Radar）,12.1 合成孔径雷达简介（Introduction to Synthetic Aperture Radar）12.1.1 加拿大的雷达卫星和星载合成孔径雷达 12.1.2 合成孔径雷达的分辨率12.2 合成孔径雷达的原理（Principl

40、e of Synthetic-Aperture Radar）12.3 合成孔径雷达的应用（Application of SAR）,12.2.1 多普勒效应（Doppler Effect）,当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率和波源发出的频率会产生差别，这种现象叫多普勒效应。两者相互接近时，观察者接收到的频率升高；两者相互远离时，观察者接收到的频率降低。,Doppler frequency shift fD due to sensor movementAs target gets closer,http:/www.radartutorial.eu/11.coherent/co06.en

41、.html,0.5s103pulses,2XDsin 和真实孔径 D 在各自公式中的作用相同，这等同于通过合成孔径技术取得了一个比较大的天线孔径。合成孔径技术意味着依据多普勒效应，采用“混频”技术产生多普勒频率，然后运用“低通滤波”技术剔除随之产生的高频成分而只保留多普勒频率成分。不但这些多普勒频率的电磁波携带着地球表面粗糙度的信息，而且这些地球表面信息具有比传统雷达更高的空间分辨率。所以，这种能够利用多普勒效应携带高分辨率地球表面信息的雷达被称为合成孔径雷达SAR。,Azimuth Resolution,距离分辨率y与线段EB有关,线段EB和卫星接收到的脉冲持续时间（pulse duration）的关系是,距离分辨率y可以表示为,距离分辨率（range resolution）y 与脉冲宽度（pulse width）r=c成正比。脉冲持续时间越短，脉冲宽度r 越窄，距离分辨率y 越细。窄的脉冲宽度r 是通过使用脉冲压缩技术实现的。,