（空间物理学专业论文）海洋微波极化辐射研究.pdf

摘要 海洋辐射决定性地影响着人7i 环境、水循环、飓风强度、并 导致e ln i n o 现象对海洋的研究具有广泛和深远的意义近几年 束，人们逐渐认识到被动微波极化遥感在海洋研究中的重要性 风成海面的各向异性将影响海面的辐射特性，海风矢量与海浪高 度分布和海浪取向之间的关系提供了问接测量海洋风速和风向的 途径( 1 ) 报告从理论角度探讨了耳前所采用的各种理论模型在处 理海浪对电磁波散射所存在的问题和模型所适用的范围分析了 与观察角度有关的海浪阴影效应对海洋辐射的影响( 2 ) 首次采用 f r e n z 散射场秋分方程并结合k i r c h h o f f 近似方法对海面的微波辐 射从 r b 论方进行了推导和仿麒计算，理论计算表明水平极化亮 温和垂直极化亮温是方位角的偶函数，随方位角的变化为几个 k ：第i 个和第四个s t o k e s 参数是方位角的奇函数，随方位角的 变化为卜2 个k ( 3 ) 创造性地利用统计的方法和儿何光学模型研 究了风成海面的极化辐射特性认为海面由一系列随机分布的小 镜面组成，海面对电磁波的散射可看作镜面反射，风成海面的辐 射是小镜面辐射的统计平均，从理论角度计算了前三个s t o k e s 参 数计算表明辐射亮温随方位角的变化幅度为几个k ，亮温随方 位角的变化关系为简谐函数上述仿真计算与报道的实验和理论 结果是一致的 a bs t r a c t i n v e s t i g a t i o no fo c e a n e m i s s i o n b e h a v i o rc o u l db ee x p e c t e dt o p r o v i d ei n c r e a s e dp r e d i c t i v ec a p a b i l i t i e s o fc l i m a t ef o r e c a s t sa n d a s s e s s m e n t ，h u r r i c a n ee a r l yw a r n i n g , c o a s t a le r o s i o n ，a d v e n to fe 1 n i n op h e n o m e n o nb o t ht h r o u 曲b e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h eo c e a n p r o c e s s e s a n di np r o v i d i n gap a t t e r nh i s t o r y a f t e r 3 0 y e a r s a p p l i c a t i o n so fm i c r o w a v er e m o t es e n s i n gi ne x p l o r i n gt h ee a r t ha n d i t se n v i r o n m e n t a l i th a sb e e ng r a d u a l l yr e c o g n i z e dt h ep o t e n t i a l b e n e f i to fu t i l i z i n gp o l a r i m e t r i cr a d i a t i o no ft h er e m o t e l yn a t u r a l b o d y o n l yi nr e c e n ty e a r s ，i th a sb e e ne x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d t h a tt h eu p w e l l i n gs t o k e sv e c t o ro fw i n d d r i v e ns e as u r f a c e se x h i b i t s a z i m u t h a lv a r i a t i o n su pt oaf e wk e l v i n t h ei n h e r e n ta n i s o t r o p i c c h a r a c t e r i s t i co fs e at h e f m a le m i s s i o nc o u l dp r o v i d ea p o t e n t i a l p o s s i b i l i t yt og r e a t l yf a c i l i t a t et h ew i n dv e c t o rr e t r i e v a lf r o ms p a c e u s i n gt h eo o l a r i m e t r i cr a d i o m e t r y t h e r ea r em a n yc o m p l e x i t i e s i n v o l v e di nf u l l yc h a r a c t e r i z i n ga n dm o d e l i n gp o l a r i m e t r i ce m i s s i o n s i g n a t u r e so fw i n d d r i v e ns e as u r f a c e s a t t e m p t sh a db e e nm a d ei n t h i sr e p o r tt oe x a m i n em o d e l st h a th a v eb e e nu t i l i z e df op r e d i c tt h e o c e a ne m i s s i o n ，w h i l ei d e n t i f y i n gp o t e n t i a lp r o b l e m st h a tm i 曲t c o m p r o m i s et h ea c c u r a c yo fi n t e r p r e t a t i o no fe m i s s i o ns i g n a t u r e so f s e as u r f a c e s t h ec u r r e n tm o d e l i n gc a p a b i l i t i e sa r ei n v e s t i g a t e d a l o n gw i t ht h er e l e v a n tt h e o r e t i c a lb a c k g r o u n dr e q u i r e dt oe x p l o r e t h el i m i t a t i o no ft h ec u r r e n tm o d e l sa n dt od e v e l o pm o r er i g o r o u s m o d e l s t h i sr e p o r ti sf o c u s e do n e x p l o r i n gt h ei n t r i c a c i e s o f m o d e l i n gp a s s i v ep o l a r i m e t r i cp h e n o m e n o l o g y w i t h i nr e m o t e s e n s i n ga p p l i c a t i o n sa n du s i n gw e l l e s t a b l i s h e dp h y s i c a lm o d e l ss u c h a sk i r c k h o f fa p p r o a c ha n dg e o m e t r i c a lo p t i c sm o d e it oi d e n t i f va n d m o d e lt h ec o m p l e x i t yo ft h es e as u r f a c ee m i s s i o nb e h a v i o r ，w i t ht h e u n d e r s t a n d i n gt h a ta n ym o d e l sc o u l d n ta n dw o u l d n tb ea b l et o a c c u r a t e l yp r o g n o s t i c a t et h ee m i s s i o ns i g n a t u r eo fan a t u r a lb o d y p r e 纯e e p r e f a c e w ea r ed i r e c t l yo ri n d i r e c t l vr e l a t e dt ot h es t a t eo fo c e a n s ，w h i c h p r o f o u n d l ys h a p e s o u ra t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n ta n ds i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c e sc l i m a t ea n dw a t e rc y c l e ，a n dd e t e r m i n et h ei n t e n s i t yo f h u r r i c a n e s ，a n dg i v e s r i s et oe 1n i n o p h e n o m e n a t h a tw o u l d s e r i o u s l yi m p a c t t h ee c o n o m i c p a t t e r n si ni t sr a g i n ga r e a s n o w a d a y s w es e ea p r e s s i n gd e m a n df o ro c e a ns t a l ep r e d i c t i n g a n dw e a t h e r f o r e c a s t i n g i na d d i t i o nt oe n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g a n dh a b i t a t a s s e s s m e n t i th a s l o n g b e e n g e n e r a l l ya c c e p t e d f a c tt h a tt h e a n i s o t r o p i c n a t u r eo fw i n d r o u g h e n e ds e as u r f a c e s g i v e s r i s et o a z i m u t h a lv a r i a t i o n si nt h e r m a le m i s s i o n o n l yi nr e c e n ty e a r s ，i th a s b e e ne x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e dt h a tt h eu p w e l l i n gs t o k e sv e c t o r e x h i b i t sa z i m u t h a lv a r i a t i o n s u p t oaf e wk e l v i n t h ei n h e r e n t a n i s o t r o p i cc h a r a c t e r i s t i co fs e ae m i s s i o ns i g n a t u r e sc o u l dp r o v i d ea p o t e n t i a lp o s s i b i l i t y t o g r e a t l yf a c i l i t a t e t h ew i n dv e c t o rr e t r i e v a l f r o m s p a c eu s i n g t h e p o l a r i m e t r i cr a d i o m e t r y t h ep a s s i v e p o l a r i m e t r i co c e a no b s e r v a t i o n sa t ee x p e c t e dt op r o v i d ei n c r e a s i n g l y p r e d i c t i v ec a p a b i l i t i e s o ft h eo c e a ns t a t e t h r o u g h b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o ft h eo c e a n p r o c e s s t h eb a s i cf a c to fa z i m u t h a lv a i l a t i o n si n b r i g h t n e s sh a di n i t i a t e d s u b s t a n t i a lr e s e a r c ho v e r p a s t t h r e ed e c a d e s t o w a r d s d e e p u n d e r s t a n d i n g t h e p h e n o m e n a ，w h i c h i sf a rf r o m b e i n gf u l l y u n d e r s t o o d ，a l t h o u g hi ts u r e l yb e l o n g st ot h eo l d e s tp r o b l e mo fw a v e s c a t t e r i n gf r o mr a n d o mr o u 曲s u r f a c e st h ep h e n o m e n ah a si n s p i r e d t h ed e v e l o p m e n to ft h ef u n d a m e n t a lm o d e l so nw h i c ho u rm o d e m p h y s i c a lu n d e r s t a n d i n g o ft h eo c e a n p r o c e s s i sb a s e d t h e ! ! 丝堡 ! d e v e l o p m e n t o fac o n s i s t e n t p h y s i c a lp i c t u r e o fo c e a ne m i s s i o n b e h a v i o ri sa m o n gt h em o s ti n t r i g u i n gf u n d a m e n t a lp r o b l e m sw i t h f a r r e a c h i n gc o n s e q u e n c e s f o ro u ru n d e r s t a n d i n go ft h er o l e t h a t o c e a n sh a v e p l a y e d i n s h a p i n go u rc l i m a t e t h ep u r p o s e o ft h i s r e s e a r c hi st o i n v e s t i g a t e t h ei n t r i c a c i e so fm o d e l i n gm i c r o w a v e p o l a r i m e t r yp h e n o m e n o l o g yo ft h eo c e a nt h e r m a l e m i s s i o n t h e r e a r em a n yc o m p l e x i t i e si n v o l v e di nf u l l yc h a r a c t e r i z i n ga n dm o d e l i n g m i c r o w a v ep o l a r i m e t r i ce m i s s i o no fs e as u r f a c e s t h i sr e p o r ti s f o c u s e do nu s i n gw e l l e s t a b l i s h e dp h y s i c a lm o d e l ss u c ha sk i r c h h o f f a p p r o a c ha n dg e o m e t r i c a lo p t i c sm o d e lt h a tp r o v i d e a ne x c e l l e n t a p p r o x i m a t i o n ，t oi d e n t i f y a n dm o d e lt h e c o m p l e x i t y o ft h es e a s u r f a c ee m i s s i o nb e h a v i o r ，w i t ht h eu n d e r s t a n d i n gt h a ta n ym o d e l s c o u l d n ta n dw o u l d n tb ea b l et o a c c u r a t e l yp r o g n o s t i c a t e t h e e m i s s i o ns i g n a t u r eo fan a t u r a lb o d y s i n c em o d e l st r yt od e a lw i t h t h er e a l i t y ，e v e nt h em o s tp r e c i s et h e o r e t i c a la p p r o a c h e sw o r kw i t h m o r eo rt e s si m p e r f e c t l yu n d e r s t o o da p p r o x i m a t i o n st o w a r d sw h i c h w em u s tm a i n t a i na n a p p r o p r i a t es k e p t i c i s m ，w h i c h i s h e a l t h yt o d e v e l o pm o r er i g o r o u sm o d e l s g a i n i n g a p e r f e c tu n d e r s t a n d i n g o fm i c r o w a v e p o l a r i m e t r i c p h e n o m e n o l o g ya s s o c i a t e dw i t ha c t i v eo rp a s s i v em i c r o w a v er e m o t e s e n s i n gr e q u i r e s t h e p o w e r o f p h y s i c a li m a g e r y a n dt h e c o m p r e h e n s i v ek n o w l e d g eo fp h y s i c sa n dm a t h e m a t i c s ，a n dt h e a b i l i t yo ff u s i n gi tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a u n d e rt h eg u i d a n c eo f a c a d e m i c i a n j i a n g3 i n g s h a n ( 姜景山) ，is t e pi n t ot h i sl a b y r i n t h l i k e f i e l dt h a ti sf u l lo f c h a l l e n g e s u n d e r t a k i n g o ft h i sr e s e a r c hh a sb e e n p r o v e dt o b ear i c ha n dr e w a r d i n ge x p e r i e n c e d u r i n gt h et w o y e a r r e s e a r c h ，ib e n e f i tg r e a t l yf r o ma c a d e m i c i a n j i a n g ，am a n o fs c i e n t i f i c i n t e g r i t y , w a r m f r i e n d l i n e s s ， c o n f i d e n t s p i r i t s ，u r b a n i t y , l i b e r a l - m i n d e d n e s s ，a n dam a no fs o u r c e so fa d v i c e e n c o u r a g e m e n t ， a n dam a no f u n d e r s t a n d i n ga n dc o n s i d e r a t i o n i ti sw i t hg r e a t p l e a s u r et h a tie x p r e s sm y s i n c e r eg r a t i t u d et oa c a d e m i c i a n 曼竺垒堡 坐 j i a n gf o r h i s i n s p i r i n gg u i d a n c et h r o u l g h t h et w o y e a rr e s e a r c hb y g e n e r o u s l ys h a r i n gb o t hh i sp e n e t r a t i n gi n s i g h t s i n t ot h e p h y s i c a l w o r l da n dt h eg u a r d e do p t i m i s mo ft h es p i r i t u a lw o r l d 1w o u l dl i k e t oa v a i l m y s e l f o ft h i s o p p o r t u n i t y t o e x p r e s sm yg e n u i n e a p p r e c i a t i o n t op r o f l i uh e g u a n g ( 刘和光) f o rh i s g e n e r o u s s u p p o r ta n da l t r u i s t i ch e l p ，a n dh e a r t ye n c o u r a g e m e n t ia mm u c h i n d e b t e dt o p r o f z h a n gy u n h u a ( 张云华) f o rh i s e n t h u s i a s t i c s u p p o r t ，w i t h o u t w h i c hi ti s i m p o s s i b l e f o rm et oc o n d u c tt h i s r e s e a r c h 1w o u l dl i k et oe x t e n dm y p a r t i c u l a rg r a t e f u l n e s st ow a n g z h e n z h a n ( 王振占) f o rh i sc o n s t r u c t i v es u g g e s t i o n si ni m p r o v i n g c o m p u t a t i o na e c u r a c y 1w o u l d l i k et ot a k et h i s o p p o r t u n i t yt ot h a n k o t h e rc o l l e a g u e sw h oh a d p r o v i d e ds u p p o r ta n dw h oh a db e e nk i n di n t h e i rw i l l i n g n e s st oi m p a r tt h e i ri d e a sf o ra c c o m p l i s h i n g t h i sr e s e a r c h l a s t ，b u tn e v e rt h el e a s t ，ia md e e p l yg r a t e f u lt od i r e c t o r z h a n g z u o h e ( 张作和) a n dl iy a n q i u ( 李艳秋) w h o s ev a l u a b l eh e l p c o n t r i b u t e dg r e a t l yt ot h ea p p e a r a n c eo ft h i sr e p o r t d u et ot i m ec o n s t r a i n ta n dt h ea b s e n c eo f r e q u i r e dr e s o u r c e s ，a n dt h e u n a v a i l a b i l i t y o fa p p l i c a b l e d a t a ，t h er e p o r th a sm u c hr o o mt ob e r e f i n e d c o m m e n t sa r e h i g h l ya p p r e c i a t e d p l e a s e s e n d y o u r c o m m e n t st ot h ef o l l o w i n ga d d r e s s ： g u o g u a n j u n y a h o o c o m c n a c a d e m i as i n i c a b e i j i n g 妇l y 2 0 0 4 g n og u a n j u n n 0 m e n c l a t u r e n o m e n c l a t u r e c ( r e 。 一 e ， 一 h ： 一 h ， o rj g 伊一f7 ) j 托 k b k ； k p q 尸0 ) r r n 防j 5 朋 y 胛筇 s ( o ，f ) c o r r e l a t i o nf u n c t i o n i n c i d e n te l e c t r i cf i e l d s c a t t e r e de l e c t r i cf i e l d i n c i d e n tm a g n e t i cf i e l d s c a t t e r e dm a g n e t i cf i e l d i m a g e r y u n i t g r a v i t a t i o n a la c c e l e r a t i o n f r e e - s p a c eg r e e nf u n c t i o n c u r r e n t d e n s i t y c o r r e l a t i o nl e n g t h w a v e n u m b e r b o l t z m a nc o n s t a n t i i l c i d e n tw a v ev e c t o r s c a t t e r i n g w a v ev e c t o r u n i tv e c t o r p a r a l l e lt ot h ei n c i d e n tp l a n e u n i tv e c t o r p e r p e n d i c u l a r t ot h ei n c i d e n tp l a n e p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n tf o rt h eh o r i z o n t a l p o l a r i z a t i o n r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n tf o rt h ev e r t i c a lp o l a r i z a t i o n u n i to fs u r f a c en o r m a iv e c t o r a n t i s y m m e t r i cm a t r i xo f 【】 s c a t t e r i n ge l e m e n t p o l a r i m e t r i cb i s t a t i cs c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t s h a d o w i n g f u n c t i o n 一ocean m i c r o w a v ep o l a r i m e t r i ce m i s s i o nb e h a v i o r ! c h a p t e r 1 i n t r o d u c t i o n o v e rd a s tt h r e ed e c a d e s ，m i c r o w a v er e m o t es e n s i n gh a dm a d em a n y i m p o r t a n tc o n t r i b u t i o n s t oo u ru n d e r s t a n d i n go ft h ee a r t h a n di t s e n v i r o n m e n t af u n d a m e n t a lu n d e r s t a n d i n g o ft h ei n t e r a c t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cw a v e s w i t hm a t t e r se n a b l eu st od e v e l o pm o d e l sa n d r e t r i e v a la l g o r i t h m s ，w h i c hc o u l db eu s e dt op r e d i c th o wm i c r o w a v e w i l lb ee m i t t e da n ds c a t t e r e df r o mt h ee a r t h ss u r f a c e ar e l a t i v e l y n e wf i e l di nm i c r o w a v er e m o t es e n s i n gc o r l c e l t i st h em e a s u r e m e n to f t h ef u l l yp o l a r i z e dm i c r o w a v ee m i s s i o ns i g n a t u r e sf r o mg e o p h y s i c a l s u r f a c es u c ha so c e a n ，t e r r a i na n dc a n o p i e s ，e t c f u l l yp o l a r i m e t r i c r a d a rs i g n a l sc o n v e ya d d i t i o n a li n f o r m a t i o no ft h er e m o t e l ys e n s e d n a t u r a lm e d i a ，a n de x p l o i t i n gt h eb e n e f i to ff u l l yp o l a r i z e ds i g n a t u r e s p r o v i d e su sm o r ea c c u r a t ea p p r o a c h e sw h i c h w o u l ds h e dl i g h to nt h e c o m p l i c a t e dr a d i a t i o nm e c h a n i s mo fn a t u r a lt a r g e t s a n dp r o v i d eu s t l l ep o w e rt oe x t r a c te m i s s i o nr e l a t e di n f o r m a t i o no fau a t u r a lb o d y t h ei n t e r p r e t a t i o no ft h ee m i s s i o ns i g n a t u r e so fs e as u r f a c e sm a k e si t p o s s i b l e f o ru st o p r o g n o s t i c a t e o c e a nw i n dv e c t o r ( s p e e da n d d i r e c t i o n ) ，w h i c h i se s s e n t i a lf o raw i d er a n g eo fo c e a n o g r a p h i c ， m e t e o r o l o g i c a l ，a n dc l i m a t ei n v e s t i g a t i o n s ，a sw e l la s f o ri m p r o v i n g r e g i o n a la n d o b a lo p e r a t i o n a lw e a t h e rf o r e c a s t w ea r e d i r e c t l y o ri n d i r e c t l yr e l a t e dt ot h es t a t eo fo c e a n s ，w h i c h i n f l u e n c e sc l i m a t ea n dw a t e r c y c l ea n da g r i c u l t u r ea n dc o a s t a le r o s i o n a n d a l g a lb l o o m i n g , a n d c a nd e t e r m i n et h ei n t e n s i t yo fh u r r i c a n e sa n d c y c l o n e s ，a n dg i v e sr i s et oe 1n i n op h e n o m e n at h a tw o u l ds e r i o u s l y n a t i o n a lm i c r o w a v er e m o t e s e n s i n gl a b o r a t o r y o c e a nm i c r o w a v e p o l a r i m e t r i ce m i s s i o nb e h a v i o r i m p a c t t h ee c o n o m i cp a t t e r ni n i t s r a g i n g a r e a s t h e l o n g t e r m p a s s i v ep o l a r i m e t r i c o c e a no b s e r v a t i o n sc a nb ea p p l i e dt op r o v i d e i n c r e a s i n g l yp r e d i c t i v ec a p a b i l i t i e s o ft h e s e p h e n o m e n at h r o u 【g h b e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h eo c e a np r o c e s s ，a n da r ee x p e c t e dt oy i e l d t h e t i m e l y i n f o r m a t i o nt o p r o t e c tp e o p l e f r o mt h e r a v a g e s o f h u r r i c a n e s ，a n dw i l ll e a dt oa c c u r a t ep r e d i c t i o no fo c e a nc o n d i t i o n s ， a n dw i l la i di nu n d e r s t a n d i n ga n df o r e c a s t i n gc l i m a t ec h a n g ed u et o t h ef a c tt h a tt h eo c e a ni st h em o s t i m p o r t a n tc o m p o n e n t o fc l i m a t e t h ew i n d c o r r u g a t e ds e as u r f a c ei sa n i s o t r o p i c w i t ht h ew a v ec r e s t s a n d t r o u g h so r i e n t e dp r i m a r i l y i nt h ed i r e c t i o no ft h ep r e v a i l i n gw i n d a n i s o t r o p i c c h a r a c t e r i s t i co fw i n d d r i v e ns e as u r f a c e sc o u l d d e f i n i t e l y a f f e c ti t st h e r m a le m i s s i o nb e h a v i o r , s ot h e a n i s o t r o p i c n a t u r eo fe m i s s i o ns i g n a t u r e sc o u l dp o t e n t i a l l yf a c i l i t a t et h er e t r i e v a l o fw i n dd i r e c t i o nf r o ms p a c eu s i n gp u r e l yp a s s i v em e a n s i th a sl o n g b e e na c c e p t e df a c tt h a tt h ea n i s o t r o p i ct r a i to ft h ew i n d - r u 棚e ds e a s i l l f a c e g i v e sr i s e t oa z i m u t h a lv a r i a t i o n si ne m i s s i o n ，b u to n l yi n r e c e n t l yy e a r s i th a sb e e n e x p e r i m e n t a l l y d e m o n s t r a t e dt h a t m i c r o w a v er a d i o m e t r i cm e a s u r e m e n t sa r es e n s i t i v et ot h ew i n d d i r e c t i o n a i r b o r n ec a m p a i g n sa n ds p a c e b a s e dm e a s u r e m e n t sh a v e i n d i c a t e dt h a tt h e u p w e l l i n g s t o k e sv e c t o re x h i b i t s a z i m u t h a l v a r i a t i o n su pt oaf e wk e t v i n si na m p l i t u d e e v e rs i n c et h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gp a s s i v ep o l a r i m e t r i cm i c r o w a v e t e c h n i q u e st o r e t r i e v eo c e a nw i n dv e c t o rb a s e do nt h ew i n d d r i v e n o c e a ne m i s s i o ns i g n a t u r e sh a db e e nd e m o n s t r a t e d ，e x t e n s i