卫星海洋学复习题

1、简介 卫星海洋学（satellite oceanography）是利用卫星遥感技术观测和研究海洋的一门分支学科。卫星海洋学兴起于20世纪70年代，它是卫星技术、遥感技术、光电子技术、信息科学与海洋科学相结合的产物。笼统地讲，它包括两个方面的研究，即卫星遥感的海洋学解释和卫星遥感的海洋学应用。卫星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的研究，卫星遥感的海洋学应用涉及到运用卫星遥感资料在海洋学各个领域的研究。涉猎内容 （l）海洋遥感的原理和方法：包括遥感信息形成的机理、各种波段的电磁波（可见光、红外和微波）在大气和海洋介质中传输的规律、以及海洋的波谱特征。 （2）海洋信息

2、的提取：包括与海洋参数相关的物理模型、从遥感数据到海洋参数的反算法、遥感图像处理和海洋学解释、卫星遥感数据与常规海洋数据在各类海洋模式中的同化和融合。 （3）满足海洋学研究和应用的传感器的最佳设计和工作模式：包括光谱波段和微波频率的选择、光谱分辨率和空间分辨率的要求、观测周期和扫描方式的研究、以及传感器噪音水平的要求。 （4）反演的海洋参数在海洋学各领域中的应用。卫星遥感所获得的海洋数据具有观测区域大、时空同步、连续的特点，可以从整体上研究海洋。这极大地深化了人们对各种海洋过程的认识，引起了海洋学研究的一次深刻变革。卫星遥感资料和卫星海洋学的研究成果在海洋天气和海况预报、海洋环境监测和保护、海

3、洋资源的开发和利用、海岸带测绘、海洋工程建设、全球气候变化、以及厄尔尼诺现象监测等科学问题上有着广泛的应用。 原理 卫星在遥远距离通过放置在某一平台上的传感器对大气或者海洋以电磁波探测方式获取大气或者海洋的有关信息，这个过程称为遥感。海面反射、散射或自发辐射的各个波段的电磁波携带着海表面温度、海平面高度、海表面粗糙度以及海水所含各种物质浓度的信息。传感器能够测量在各个不同波段的海面反射、散射或自发辐射的电磁波能量，通过对携带信息的电磁波能量的分析，人们可以反演某些海洋物理量。传感器的遥感精度随着卫星遥感技术的发展在不断地提高，目前正在接近、达到甚至超过现场观测数据的精度。 应用 海洋表面是一个

4、非常重要的界面。海洋与大气的能量交换都是通过这个界面进行的；海洋内部的变化也会部分地透过这一表面表现出来。运用计算机三维数值模拟和卫星遥感数据同化技术，人们就可以通过获得的海洋表面遥感信息，了解海洋内部的海洋学特征和物理变化过程。遥感监测海面的空间分辨率与电磁波的波长有关，可见光与红外辐射计获得的遥感图像具有更好的空间分辨率。虽然云的覆盖阻挡了可见光波段电磁波的透过，但是能够穿透云层的微波遥感弥补了不足。总之，可见光和红外遥感满足了人们对较高的空间分辨率监测的需求，微波遥感满足了人们对全天候监测的愿望。目前，运用卫星、航天飞机和普通飞机遥感技术，人们实现了对海表面温度（sea surface

5、temperature）、海表面盐度（sea surface salinity）、海平面异常（sea level anomaly）、海流（ocean current）、海表面风（sea surface wind）、海浪（sea waves）、海洋内波（ocean internal waves）、悬浮物浓度（suspended matter concentration）、叶绿素浓度（chlorophyll concentration）、色素浓度（pigment concentration）和水色（ocean color）等多种海洋要素的监测，以及大气剖面温度和湿度（atmosphere prof

6、ile temperature and humidity）、垂程水汽含量（vertical water vapor column thickness）、可降水量（total column precipitable water vapor）、气溶胶光学厚度（aerosol optical thickness）等许多海洋和大气要素的监测。因为能够获取长时间、大范围、近实时和近同步监测资料，卫星遥感在海洋监测和研究中正在发挥越来越大的作用。然而，卫星遥感数据并不能完全取代传统的海洋学观测。例如，海洋内部垂直断面的测量必须依靠浮标或其它传统海洋学观测技术。卫星遥感数据与传统海洋学现场观测数据是互补的关

7、系。利用卫星数据传输设备，浮标数据和许多其它现场海洋学观测数据可以实现近实时获取。通过卫星对全球范围海洋进行的实时、全方位和立体的遥感监测，能够获得多种稳定可靠的长期观测资料。海洋观测资料是人类开发、利用和保护海洋的重要基础。卫星遥感技术作为获取海洋观测资料的重要手段，已经得到广泛的应用。图1：2001年全球海表面温度的年平均等温线图2：1998年1月的月平均海表面异常的图像 图1是利用美国NOAA国家海洋资料中心提供的卫星数据制作的2001年全球海洋的年平均海表面温度（SST：Sea Surface Temperature）的等温线图像，图中纵坐标代表纬度，横坐标代表经度，色标（color

8、bar）的单位是（摄氏度）。该图清晰显示了西太平洋热带暖水区的范围和温度大小。西太平洋热带暖水区向大气输运的热通量对于全球海洋大气热循环有举足轻重的影响，它的范围和温度变化与厄尔尼诺（El Nio）事件有密切关联，因而是科学家监测的重要目标。图2是利用美国宇航局喷气推进实验室提供的TOPEX/Poseidon卫星高度计观测资料制作的1998年1月的月平均全球海表面异常（SSA：Sea Surface Anomaly）图像，图中色标的单位是cm。该图清晰显示了西太平洋热带暖水区海平面的降低和热带东太平洋海表面的增高，这是在厄尔尼诺事件中发生的典型现象。1. 为什么海洋表面在卫星海洋学中非常重要？

9、海洋表面是一个非常重要的界面。海洋与大气的能量交换都是通过这个界面进行的；海洋内部的变化也会部分地透过这一表面表现出来。运用计算机三维数值模拟和卫星遥感数据同化技术，人们就可以通过获得的海洋表面遥感信息，了解海洋内部的海洋学特征和物理变化过程。2. 概念理解：卫星轨道倾角、星下点、节点、升轨、降轨、升轨点、降轨点卫星轨道倾角：卫星自转轴和通过卫星的中心垂直于公转轨道平面的线之间所夹的角度；星下点：卫星在地球表面的投影（或者卫星的天底点）；节点：卫星星下点轨迹与赤道的焦点；升轨：当卫星由南向北运动时； 降轨：当卫星由北向南运动时； 升轨点：卫星由南向北运动穿过赤道时，卫星星下点轨迹与赤道的交点；

10、 降轨点：卫星由北向南运动穿过赤道时，卫星星下点轨迹与赤道的交点；*升轨点和降轨点统称节点。3. 太阳同步轨道定义、特点定义：卫星的轨道平面以地球的公转速率围绕太阳旋转特点：卫星每天以相同方向经过同一纬度的当地上空；卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道倾角（轨道平面与赤道平面的夹角）接近90度，卫星要在两极附近通过。4. 地球同步轨道和地球静止轨道区别地球同步轨道：在这轨道上进行地球环绕运动的卫星或人造卫星始终位于地球表面的同一位置。它的轨道离心率和轨道倾角均为零。地球静止轨道：卫星或人造卫星垂直于地球赤道上方的正圆形地球同步轨道。是特殊的地球同步轨道。区别：（1）轨道倾角有区别地

11、球静止轨道一定在赤道平面上；而地球同步轨道平面可与赤道平面成一不为零的夹角。（2）观察者看到的现象不同在地球同步轨道上运行的卫星每天在相同时间经过相同地方的天空，对地面上观察者来说，每天相同时刻卫星会出现在相同的方向上在一段连续的时间内，卫星相对于观察者可以是运动的而处于地球静止轨道上运行的卫星每天任何时刻都处于相同地方的上空，地面观察者看到卫星始终位于某一位置，保持静止不动（3）星下点轨迹不同卫星运动和地球自转使星下点在地球表现移动，形成星下点轨迹地球同步卫星的星下点轨迹是一条8字形的封闭曲线，而地球静止卫星的星下点轨迹是一个点5. 轨道周期、重复周期、传感器重复周期、再访问时间定义轨道周期

12、：相邻两个升轨点之间的时间间隔重复周期： 卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后回到原地上空时所需要的天数。卫星的重复周期也被成为卫星地面轨迹的重复周期。对于采用循环轨道的卫星，重复周期等于 3循环周期。如：高度计卫星的重复周期和循环周期经常被等价使用。传感器重复周期：卫星装载的传感器对目标完成一次全部或全球覆盖的时间周期。再访问时间：地球上某一局部地点被传感器先后两次观测的时间区间。再访问时间与观测地点的纬度有关。对赤道地区的再访问时间 长于 高纬度地区的再访问时间。6. 光学仪器和微波雷达的角分辨率、空间分辨率根据瑞利判据，角分辨率：能够使两个像元恰可分辨的两个物体之间的角距离 空间

13、分辨率：能够使两个像元恰可分辨的两个物体之间的空间距离7. 水平极化和垂直极化定义设一个参考平面由两条直线确定，一条是入射或离开海面的电磁波束所在的直线，另一条是海表面的垂线。对于线性极化的辐射：水平极化的电场与参考平面垂直，垂直极化的电场与参考平面平行。8. 立体角详细推导 9. 天顶角、观测角10. 辐射通量、辐射强度、辐亮度、辐照度、发射率、菲涅耳反射率、朗伯表面辐射通量： 辐射强度：辐亮度： 辐照度： 发射率：菲涅耳反射率：朗伯表面：11. 基尔霍夫定律、两介质界面处的基尔霍夫定律12. 黑体定义、瑞利-金斯定律成立条件及公式、维恩位移定律公式黑体瑞利-金斯定律：维恩位移定律公式：13

14、. 太阳辐射和地球辐射特征(图5.5)14. 亮温定义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（SST），它被称为海面亮温或称为黑体温度TB。15. 复折射率和复相对电容率关系、菲涅耳反射率和菲涅耳反射系数关系 16. 复折射率实部和虚部意义 17. 皮层深度、穿透深度、吸收深度定义、使用范围皮层深度： 穿透深度：吸收深度：适用范围：18. 卫星遥感海表温度和传统观测海表温度区别 19. 衰减系数和光学厚度、太阳倾斜入射的光学厚度衰减系数： 光学厚度： 20. 辐射传输方程各项含义LB（z）：L（z）：光源的电

15、磁波在z处的辐亮度；Kab： 21. 可见光和微波波段在大气中衰减的主要因素在可见光波段，气溶胶的散射经常是构成最主要衰减的因素。在热红外特别是微波波段，由于电磁波波长远大于大气所含粒子的粒径，大气所含粒子的散射已经不起明显作用，大气所含粒子的吸收变成了最主要的衰减因素。22. 气溶胶定义 23. 大气窗定义24. 有边界存在时的辐射传输各项推导(P.149-150) 25. 水色定义、水色三要素水色：是太阳光经水体或海水散射后，可见光和近红外辐射计监测到的散射光的颜色。 三要素：1.浮游植物的叶绿素；2.无机的悬浮物；3.有机的黄色物质。26. 一类水体、二类水体 一类水体：浮游植物及其“伴

16、生”腐殖质对水体的光学特性起主要作用的水体二类水体：无机悬浮物或黄色物质（又称溶解的有色有机物）对水体的光学特性有不可忽视的明显作用的水体27. 离水辐射率含义28. 热红外遥感的海洋学应用 （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29. 影响微波辐射计接收海面辐亮度的因素有哪些？ （1） 海面及一定深度的复介电常数： 它反映海水的电学性质，由表层物质组成及温度所决定 海水由各种盐类、有机质、悬浮粒等组成的复杂水体 从微波辐射角度，海水可视为含NaCl等盐类的导电溶液 海水的介电常数，是海

17、水温度、盐度的函数（2） 海面粗糙度（海面至一定深度内的几何形状结构）从这角度将海面分为4类： 平静海面：海面无风或风速很小，可用物理光学处理，当水面粗糙度较微波波长小得多时，可视为平静海面，以镜面反射为主 风浪海面：海面有波浪而成为一个随机起伏的粗糙面，此时电磁波在界面上产生复杂多变的反射和散射，散射回波增强。同时，大风浪海面往往伴有泡沫带。它的特征除与辐射亮度温度有关外，海域海浪谱、海面风速有关。 污染海面：一般指油污染等形成两层介质，引起亮度温度的显著差异。油膜使海面趋于平滑，减弱回波强度，而呈黑色。 冻结海面：海面有海冰、冰山等，由于冰雪的介电常数较水体小，引起亮度温度的明显差异。30

18、. 填空：平静海面的微波亮温T通过_ 、_与海面发射率e相联系，海面 发射率e通过_ _与菲涅耳反射率相联系，菲涅耳反射率通过_与相对电容率r相联系，相对电容率r 通过_与海表面温度和盐度相联系。基尔霍夫定律 菲涅耳公式 德拜方程瑞利-金斯定律 发射率定义31. 为什么微波辐射计能够遥感海表面温度和海面风速？ 通过遥感方法获取海洋表面温度的理论基础是: 随着温度的升高海洋表面发射的总辐射能也迅速地增加，而且，海洋表面温度的变化也影响海洋的发射光谱。32. 散射计测量的海洋物理参数是什么？为什么可以观测这个参数？全球海面风场33. 给出雷达后向散射截面定义，什么是标准化雷达后向散射截面？如何用分

19、贝表示？ 雷达后向散射截面：度量目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量，简称RCS。它是目标的假想面积，用一个各向均匀的等效反射器的投影面积来表示，该等效反射器与被定义的目标在接收方向单位立体角内具有相同的回波功率。一般用符号表示目标的雷达散射截面。标准化雷达后向散射截面：用雷达散射截面的对数值的十倍来表示，符号是dBsm，单位是分贝平方米（dBsm），即dBsm10lg34. 布拉格共振的条件是什么？如何推导？计算：使用1.4GHz L波段散射计，当入射角是60度时，与电磁波共振的海表面波的波长是多少？ 35. 电磁波在粗糙海面的散射由几部分组成？什么是两尺度散射模型？ 两尺度散射模型： 3