卫星海洋学试题

问答题11.1 复习题（Questions for Review）第一套复习题1请将下列电磁波按频率由小到大排序：C波段、Ku波段、X波段、红光、蓝光、绿光、紫外光、黄光、黄绿光、近红外、远红外、无线电波。2什么波长范围的电磁波称为可见光？其对应的频率范围是什么？3菲涅耳反射率与发射率有何关系？与吸收率、透射率的关系？推导中用了什么定律？举出两个例子a）在海水可见光红外波段情况下b）在海水微波波段情况下菲涅耳反射系数和反射率的数值。4写出德拜方程的表达式。为什么L波段的微波辐射计适于测海表面盐度？相对电容率的变化通过什么公式导致辐射计接收到的亮温etTs也随之变化？5写出普朗克定律的表达式，解释公式中出现的每一个物理量和常数，并由此推导瑞利金斯定律。这两个定律分别适用于红外、可见光、微波波段三个波段中哪些波段的辐射度计算？6简要阐述米氏散射和瑞利散射的适用条件。大气层空气分子的散射属于那一种？气溶胶散射对可见光、红外和微波（例如5.3GHz）波段各属于那一种？指出气溶胶粒径的主要分布范围和5.3GHz微波波长。7分别写出兰伯比尔定律的微分和积分形式，并指出衰减系数与复折射率的关系。8写出水色遥感大气校正的最基本方程，并介绍各项的物理意义。指出在440纳米和清洁水条件下，各项对卫星信号的贡献占多少？10.画出典型的一类水体叶绿素的离水辐射的光谱曲线图。以SeaWiFs为例，利用那两个波段（用中心波长表示）的离水辐亮度的比值可以反演叶绿素浓度？该方法通常又叫什么名字？11.分别写出镜面反射和布喇格共振理论计算标准化雷达后向散射截面0的公式。二者通过什么函数与风速相联系？12.解释概念：Range，Geoid，Topography，Dynamic height，Geoid Undulation，Reference Ellipsoid。大地水准面起伏主要是由什么原因引起（回答一个最主要原因）？其变化的范围是什么？海面地形是由什么原因引起（回答三个最主要原因）？其变化的范围是什么？13.卫星到海面距离如何测得？Topex/Poseidon测量海平面高度的精度精度可达多少？海面到地心的距离如何计算？海面地形异常可用什么公式计算？14.写出合成孔径雷达的纵向距离分辨率。合成孔径雷达的采样距离与卫星速度、采样时间长度有什么关系？与真实孔径雷达有什么关系？与真实孔径雷达分辨率比较，采样距离与孔径有什么关系？第二套复习题1请将下列电磁波按波长由小到大排序：C波段、Ku波段、X波段、红光、蓝光、绿光、紫外线、黄光、黄绿光、近红外、远红外、热红外。2计算地球同步轨道卫星的近似高度和太阳同步轨道卫星（卫星绕地球旋转周期是100分钟）的近似高度。列出万有引力定律与牛顿第二定律的公式。并列出角速度与旋转周期的关系式。3在可见光和红外波段电磁波于海气界面的传递中，复折射率、菲涅耳反射率和发射率是多少？在10GHz的微波于20C的海气界面的传递中，相对电容率、菲涅耳反射率而后发射率是多少？指出菲涅耳反射率有什么公式计算？相对电容率有什么公式计算？4麦克斯韦方程组是关于电磁场传播的波动方程。请完成下列问题：1）出麦氏方程组2）写出电场的一个特解3）写出光速C与真空电容率0以及真空磁导率0的关系式4）写出在有介质（非真空）情况下复折射率与相对电容率的关系式5）分别说明复折射率的实部和虚部的各自的物理意义。5阐述光学厚度和穿透深度的定义和单位，以及二者之间的关系。对于10GHz的电磁波，20C海水的衰减系数和穿透深度是多少？这些数据的物理意义是什么？6在有边界的电磁波的传输中，哪几个物理过程对传感器接收的信号做出贡献？在方程T = TA（1 - t）+ t eSTS + t（1-eS）+ t（1-eS）（1 - t）TA中，右侧三项各代表什么？每一个字母表示什么？三项中每一项的贡献大约是多少（假设海水27C，35psu的盐度，电磁波频率5GHz，大气清洁）？7写出离水辐亮度Lw（,）与平均日地距离处大气层外垂直入射的太阳辐照度 （）的关系。指出图6-3中五个箭头代表的物理量的名称。8写出六种与水色遥感有关的卫星与传感器的名称（中文全称和英文缩写），并指出水色遥感涉及海洋水体要素的三种主要产品名称。9布喇格共振条件是什么？指出其中各符号名称。已知0dB=10 log(0)，式中左侧0dB是用分贝表示的标准化雷达后向散射截面，右侧0是无数学单位的标准化雷达后向散射截面。如果0增加到原来的100倍，0dB 增加多少？ 10散射计测海面风一般给出几组解？如果使用5.3GHz的C波段散射计，当入射角是45时，水面上什么波长的波浪与入射的电磁波共振？11大地水准面起伏由何原因引起？其变化尺度和变化范围是什么？海面地形的定义及产生原因是什么？潮汐、海流、海表面风和大气压可引起多大尺度的海面地形变化。12高度计测有效波高的原理是什么？测卫星到海面距离的原理是什么？测风速的原理是什么？13写出合成孔径雷达的距离分辨率（range resolution）、方位分辨率（azimuth resolution）、方位角分辨率（azimuth angle resolution）的表达式。哪一个分辨率与采样时间的卫星通过的距离有关？与真实孔径雷达的距离分辨率相比，哪一个量相当于“合成孔径”？14写出菲涅耳反射率的表达式，以及菲涅耳反射率与菲涅耳反射系数的关系式。第三套复习题1.请分别采用纳米（nm）和微米（m）为单位阐述什么波长范围的电磁波称为可见光？如果一个雷达的频率是1.5GHz, 它的波长应是多少厘米？2.什么叫水平极化和垂直极化？3.给出反射比、吸收比、发射比、透射比的定义和英文表述，它们的基本关系是什么？基尔霍夫定律（Kirchoff Law）条件是什么？在条件满足的情况下该定律表达什么思想？4.发射率e在海气边界与菲涅耳反射率的关系是e=1-；发射率e大气内部与透射率t的关系是e=1-t 。试用基尔霍夫定律（Kirchoff Law）对以上两个公式做出解释。已知大气光学厚度，如何计算透射率t ?5.简要阐述米氏散射和瑞利散射的适用条件。大气层空气分子的散射属于那一种？气溶胶散射对可见光、红外和微波（例如5.3GHz）波段各属于那一种？指出稳定气溶胶粒径的主要分布范围和5.3GHz微波波长。6.写出合成孔径雷达纵向距离分辨率（azimuth resolution on the surface）的包含采样距离的表达式。合成孔径雷达的采样距离与卫星速度、采样时间长度有什么关系？合成孔径雷达的采样距离与真实孔径雷达的孔径有什么关系？ 7.请给出下列变量的定义和相互关系：复折射率（回答其实部和虚部的物理意义）、相对电容率、光学厚度、衰减系数和穿透深度（又称皮层深度）。分别对于微波和可见光，请举例说明复折射率或相对电容率的大小、穿透深度的大小。8.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的关系是TR=eTS。请说明哪一项是亮温？哪一项是海面温度？如何计算海面发射率e？利用这个公式可以反演海面温度和盐度。在哪一个波段范围的微波辐射计适合用来探测海面盐度？在哪一个波段范围的微波辐射计适合用来探测海面温度？为什么？ 9.布喇格共振散射（Bragg-Resonant Scatter）、镜面反射(Specular Reflectance)、多普勒效应（Doppler Effect）、海面发射率（Sea Surface Emissivity）和德拜方程（Debye Equation）这五个物理概念中，哪些与微波辐射计遥感有关？哪些与高度计遥感有关？哪些与散射计遥感有关？哪些与合成孔径雷达（SAR）遥感有关？ 10.辐射度L和辐照度E有如下关系： LQ=E。试从辐射度L和辐照度E的定义出发，推导各向同性介质内部光场的Q因子（Q factor of light field）。11.请简要介绍高度计、水色扫描仪、红外辐射计、微波辐射计、合成孔径雷达、散射计的一至两项主要用途。指出属于被动（不辐射电磁波而只接受被检测体的辐射）还是主动（既辐射电磁波又接受其在被检测体的回波信号）遥感方式，并指出属于可见光、红外、微波三种波段类型中何种。12.写出单位角d的定义和微面积元dS的表达公式，式中包括单位的英文缩写，计算整个球面的立体角。13.有那些物理量能够描述电磁波的辐射功率？请给出它们的定义和中英文名称和单位。辐亮度与辐照度有什么区别？反射率与发射率有什么区别。14.热红外测海面亮度温度或微波测海面亮度温度的理论依据是什么？根据哪个定律（或方程）进行计算？使用主动还是被动的传感器测海温，为什么？测温传感器接收信号是海面的辐射度L还是辐射强度I？为什么？第四套复习题1.什么是光学厚度（optical thickness）和皮层深度（skin-depth）？2.复折射率 的实部有什么物理意义，与哪个定律相联系，用公式说明，对可见光波段如何测量？对微波波段如何计算？3.写出垂直入射和反射情况下的菲涅耳反射率的表达式。如果界面两处都不是空气或真空，表达式如何写？ 4.请回答在微波波段的辐射传输方程（radiative transfer equation） 各项和每个字母代表什么意义？ 大气介质内部的基尔霍夫定律体现在何处？5.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。（选择：基尔霍夫定律，菲涅耳公式，德拜方程，瑞利-金斯定律，两尺度模型）6.填空：在1-40GHz频率范围内，菲涅耳反射率在_随海表面盐度变化最大，在_随海表面温度变化最大，在_随海表面温度和盐度变化最小，（选择：X波段，C波段，L波段，Ka波段，Ku波段）7.请给出下列名词的详细解释：Argo，AVHRR，COCTS，HRPT，MODIS，NOAA/POES，SeaWiFS，SMMR，TOGA，TAO，TOPEX。要求a）写出缩写的英文原文；b）基本用途或作用；c）如果是传感器的话，回答它属于哪个波段（例如可见光、红外、微波波段）？哪些卫星携带了它？ 8.什么是“海面亮温”？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？相对电容率的变化通过哪些公式导致微波辐射计探测到的“海面亮温”也随之变化？某处海水的真实温度为297.67K，然而一个5GHz微波辐射计探测的“海面亮温”却是T=107.16K，为什么相差如此之大？ 9.请给出下列变量的定义及其相互关系：复折射率（回答其实部和虚部的物理意义）、相对电容率、衰减系数、光学厚度和穿透深度（又称皮层深度）。对于10GHz的电磁波，20C海水的衰减系数（光束衰减系数ka或者电场强度的衰减系数 ke中任何一个均可）和穿透深度是多少？这些数据的物理意义是什么？ 10.写出合成孔径雷达的距离分辨率和方位分辨率。合成孔径雷达的采样距离与卫星速度、采样时间长度有什么关系？与真实孔径雷达分辨率比较，采样距离与孔径有什么关系？11.请将下列电磁波按频率由小到大排序：C波段、Ku波段、X波段、Ka波段、红光、蓝光、绿光、紫外线、黄光、黄绿光、近红外、远红外、无线电波、X射线。12.填空：For TOPEX/POSEIDON, each measurement of sea level height has a precision of _ and an accuracy of _ for typical oceanic conditions, with small geographically correlated errors. In this context, precision ( _ ) is the ability to determine changes in sea level over distances of 20 km, and accuracy ( _ ) is the uncertainty of each