海洋参数的遥感反演课件

第六讲

海洋参数的遥感反演第六讲卫星测高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：①高度计②散射计③合成孔径雷达使用高度计可以发挥以下作用：①测量海洋动力参数：海表面高度SSH（SeaSurfaceHeight）有效波高SWH（SignificantWaveHeight）海面地形（seasurfacetopography）②获取海洋动力参数信息：海流（oceancurrents）海浪（seawaves）潮汐（tides）海表面风（seasurfacewinds）③研究地球结构和海洋重力场卫星高度计从卫星探测海洋动力参数主要依靠主动微波雷达，即：卫星高度计两种卫星高度计①雷达高度计：发射和接收海面返回的微波②激光高度计：发射和接收海面返回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两种卫星高度计Satellite(Altimeter)LaunchFundedbyFrequency(GHz)Altitude(km)Footprintforcalmsurface(km)Precision(m)Skylab1973/05－74/02NASA13.9043581.0GEOS-31975/04－78/12NASA13.9084080.50SEASAT(Altimeter)1978/07－78/10NASA13.5080080.10GEOSAT(Altimeter)1985/05－89/12US/NAVY13.5080080.10GFO1998/02－US/NAVY

ERS-1(RA)1991/07－96/06ESA5.37851.70.10ERS-2(RA)1995/04－2002ESA5.37851.70.10TP/Jason(NRA和SSALT)1992/08－NASA/CNES5.3/C&13.6&13.65/Ku13002.20.024Jason-1(NRA/Poseidon-2)2001/12－NASA/CNES5.3/C&13.6/Ku13002.20.03Envisat(Altimeter)2002/03－ESA13.5/Ku8001.70.03载有高度计的卫星SatelliteLaunchFundedbyFrequeTOPEX/POSEIDON卫星（T/P卫星）：①1992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/POSEIDON②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：14cm③T/P卫星携带两个高度计：双频率雷达高度计（Ku(13.6GHz)+C(5.3GHz)NASA单频率高度计SSALT（Ku（13.65GHz））CNESTOPEX/POSEIDON卫星（T/P卫星）：JASON-1卫星：①2001年12月，NASA与CNES联合发射了Jason-1，这是T/P的第一颗后续卫星。②JASON-1携带两个高度计：NRA高度计Poseidon-2高度计（Ku+C）③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④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⑤T/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JASON-1卫星：海面地形几何学（TopographyGeometry）

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（referenceellipsoid）大地水准面起伏（geoidundulation）或大地水准面高度（geoidheight）海面地形（seasurfacetopography）或海面动力高度（seasurfacedynamicheight）海面地形异常(topographyanomaly)海表面（seasurface）海表面高度（seasurfaceheight）海表面异常（seasurfaceanomaly）海平面（sealevel）海平面高度（sealevelheight）海平面异常（sealevelanomaly）海面地形几何学（TopographyGeometry）涉1.距离（Range）、地球等势面（Geop）①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）②地球等势面（geop）的位势等于常数，所以被称为等势面。③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。④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。

1.距离（Range）、地球等势面（Geop）①距离是指卫星海面地形几何学（topographygeometry）的示意图

海面地形几何学（topographygeometry）的示海面地形几何学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①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，大地水准面应和平均海表面一致。②参考椭球面（referenceellipsoid）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。③大地水准面起伏（geoidundulation）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。2.大地水准面、参考椭球面、大地水准面起伏①大地水准面（ge3.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、海表面异常海表面高度（seasurfaceheight）表示海表面（seasurface）相对于参考椭球面（referenceellipsoid）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。3.海面地形（Topography）4.海表面高度、海表面异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（SeaLevelHeight）海平面异常SSA（seaLevelanomaly）海平面偏差（sealeveldeviation）数据产品三个术语表达相同定义，有时略有差别。5.海平面、海平面高度、海平面异常①海平面（sealevel）和海表面（seasurface）是两个非常相近的概念。②海平面（sealevel）是高潮时的海表面和低潮时的海表面之间的中值。③SLH（SeaLevelHeight）代表海平面高度，它表示海平面（sealevel）相对于参考椭球面（referenceellipsoid）的高度，或者相对于其它任何参考标准面的高度。④SLA（SeaLevelAnomaly）代表海平面异常，它表示海平面相对于平均海平面（meansealevel）的高度差。⑤海面地形异常（topographyanomaly）近似地等于海表面异常SSA（SeaSurfaceAnomaly）。

除去了潮汐影响的海表面异常SSA（SeaSurfaceAnomaly）近似地等于海平面异常SLA。注意：①海平面（sealevel）和海表面（seasurfac④高度计遥感与物理海洋学中定义（dynamicheight）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）：④高度计遥感与物理海洋学中定义（dynamicheight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。应用研究领域包括以下各个方面：①大洋环流②海洋潮汐③中尺度海洋现象④水准面与重力异常⑤有效波高⑥海面风速⑦海冰⑧水深⑨厄尔尼诺现象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。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Δt，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。测高原理卫星高度计由脉冲发射器、灵敏接收器和精确计时钟构成。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τ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。测波原理依赖于雷达脉冲回波的斜率和时间测波原理对2002年8月13～22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1m或10%。对2002年8月13～22日TP高度计星下点进行插值获得的全高度计测量的后向散射截面σ0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达脉冲的侧向散射能量增加雷达标准后向散射截面σ0减小得到σ0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。测风原理高度计测量的后向散射截面σ0和海面风速之间存在着一种非线性反高度计测高误差①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。②坐标系（coordinatesystem）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1-2m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（±20cm）d)陆地变形（±2cm）e)大陆漂移（±10cm）高度计测高误差①轨道误差③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。④对流层的折射率对电磁波传播速度影响带来的误差⑤

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。⑥使用激光测距仪跟踪卫星存在偏差。⑦

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)③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（3mSWH）的开阔海域，TP高度计的水平分辨率是5.5km。TP高度计大约1s测量一次，沿轨迹的间距大约是6km。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：ERS½卫星重复周期=35day轨道周期=100.5min在一个重复周期内卫星环绕地球的圈数N=501高度计卫星的地面轨迹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=9.9155d（9days，21hours，58minutes，31.3seconds）≈10d节点周期(Nodalperiod)t=112.0minN=127轨迹可到达南北纬66.04o

TOPEX/Poseidon卫星高度计在24小时内的地面轨迹用户手册：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（MergedGeophysicalDataRecordB）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（wetanddrytroposphere）内的大气效应、海洋潮汐（oceantides）、极潮汐（poletide）和逆气压（inversebarometer）的校正。MSSH产品数据集：平均海表面高度场数据由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散射计（Scatterometer）散射计（Scatterometer）

与高度计一样，为主动微波雷达（activemicrowaveradar）。专用于观测海表面风场，是获得大面积风场的唯一手段。

与高度计一样，为主动微波雷达（activemicrowa已发射的散射计及卫星卫星研发者散射计算法QuikSCAT(1999-)NASASeaWinds,双幅侧扫描的Ku波段13.4GHz散射计，刈幅1800km，每天覆盖地球90%面积。ADEOS–II(2002.12-2003.10)JAPANSeaWindsADEOS–I(1996.9-1997.6)JAPANNSCAT,双幅侧扫描的Ku波段14GHz散射计ERS1(1991-)ERS2(1995-)ESAAMI-SCAT,单幅侧扫描的C-波段/5.3GHzVV雷达，刈幅500kmCMOD3,4,5Seasat-A(1978.7-1978.10)NASASASS,单幅侧扫描的Ku-波段VV和HH雷达SASS-1,2已发射的散射计及卫星卫星研发者散射计算法QuikSCAT(标准化雷达后向散射截面

（NormalizedRadarBackscatterCrossSection）

θ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。标准化雷达后向散射截面

（NormalizedRadar雷达方程（RadarEquation）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。σ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：

λ

是电磁波波长。雷达方程的一般形式变为：雷达方程（RadarEquation）雷达(接收功率)方程σ可表为

σ0：单位面积的后向散射截面，也称为散射系数。由于σ0变化范围太大，一般用分贝σ0（dB）表示σ可表为测风原理σ0海面粗糙度（roughness）海面风。σ0的计算涉及到海面对微波的散射、反射机制，即σ0与海面粗糙度的关系。一般按三种情形来进行理论分析。①镜面反射理论（SpecularReflectionTheory）②布喇格共振散射（Bragg-ResonantScatter）③两尺度散射模型（Two-ScaleScatteringModel）实际应用中，采用经验模型。测风原理σ0海面粗糙度（roughness）海面风。镜面反射（SpecularReflection）

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（radarbeam）的入射角θ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-pointscatter）。镜面反射（SpecularReflection）

传感器能镜面反射产生的σ0σ0

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。θ是波束相对海表面的入射角（incidenceangle）。θlocal是波束相对反射小平面（facet）的入射角。ρ（θlocal=0）是垂直入射时海-气界面的Fresnel反射率。f（ζx,ζy

）是海表面斜率的联合概率密度函数。ζx和ζy分别代表在x方向和y方向的海表面斜率。镜面反射产生的σ0σ0可从电磁场方程出发经过推导获得布喇格共振散射布喇格共振条件（conditionofBraggresonance）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。布喇格共振散射布喇格共振条件（conditionofBr在一阶近似条件下，可以得到布喇格共振散射产生的σ0表达式是：

kR

雷达波波数（radarwavenumber）Ψ（kw,φ）极坐标下重力毛细波和短重力波的波数谱kw=2kRsinθ产生布喇格共振的海面重力毛细波或者短重力波的波数φ：雷达波方位角（azimuthangle），g（θ）加权因子在一阶近似条件下，可以得到布喇格共振散射产生的σ0表达式是两尺度散射模型①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。②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。两尺度散射模型①实际海浪由多种波长不同的波组成，不同组成波风场反演的经验模型针对ERS1/2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-A

携带的Ku波段/13.9GHz的散射计SASS（Seasat-ASatelliteScatterometer），建立了SASSⅠ和SASSⅡ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4-24m/s的风速范围内，散射计测量风速的准确度（accuracy）达到2m/s，相对平均误差（relativemeanerror）达到10%，风向的准确度达到20°。风场反演的经验模型针对ERS1/2携带的C波段/5.3GHCMOD3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CMOD3公式CMOD3是针对ERS1/2的C波段散射计，基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。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会出ERS1/2卫星采用前、中、后三个天线依次探测海洋上一个25km×25km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。ERS1/2卫星采用前、中、后三个天线依次探测海洋上一个25海表盐度遥感SSS的含义:SeaSurfaceSalinity.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。海表盐度遥感SSS的含义:SeaSurfaceSalinSSS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的意义SSS虽然是一个海洋化学的表征量，但是对大洋的物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：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SSS卫星观测的原理其中εr与盐度、温度和电磁波频率有关。SSS卫星观测的原理其中εr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0~5psu时，S每增加1psu，TB降低0.5K；S在25~35psu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f=1GHz，S在0~5psu时，S每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卫星观测的原理高频时，盐度无法观测。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。SSS卫星观测的原理L波段对SST和海面风速不敏感。Njoku提出的盐度观测系统1.41GHz(L波段)和2.69GHz(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。Njoku提出的盐度观测系统1.41GHz(L波段)和2.6数学模型亮温表达式：复介电常数可通过实验数据得到。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主要误差来源传感器灵敏度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0.2~0.3psu。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。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SST遥感SST遥感SST：应用广