第十一章：衛(wèi)星海洋遙感.ppt

海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 第一章 緒論2學(xué)時(shí)第二章 地球科學(xué)與海底系統(tǒng)4學(xué)時(shí)第三章 海水的物理性質(zhì)和大洋的層化結(jié)構(gòu)6學(xué)時(shí)第四章 海水的化學(xué)組成和特性4學(xué)時(shí)第五章 海洋環(huán)流6學(xué)時(shí)第六章 海洋中的波動(dòng)現(xiàn)象4學(xué)時(shí)第七章 潮汐4學(xué)時(shí)第八章 大氣與海洋4學(xué)時(shí)第九章 海洋生物4學(xué)時(shí)第十章 海洋中的聲 光傳播及其應(yīng)用6學(xué)時(shí)第十一章 衛(wèi)星海洋遙感6學(xué)時(shí)第十二章 中國(guó)近海區(qū)域海洋學(xué)6學(xué)時(shí)復(fù)習(xí)考試 4學(xué)時(shí) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 主要內(nèi)容 11 1引言 11 2衛(wèi)星海表溫度遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 4微波高度計(jì) 11 5微波散射計(jì) 11 6星載合成孔徑雷達(dá) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 衛(wèi)星海洋遙感 或稱空間海洋學(xué) 是利用電磁波與大氣和海洋的相互作用原理 從衛(wèi)星平臺(tái)觀測(cè)和研究海洋的分支科學(xué) 它屬于多學(xué)科緊密交叉的新興學(xué)科 其內(nèi)容涉及物理學(xué) 海洋學(xué)和信息學(xué)科 并與空間技術(shù) 光電子技術(shù) 微波技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 通訊技術(shù)密切相關(guān) 衛(wèi)星海洋遙感是20世紀(jì)后期海洋科學(xué)取得重大進(jìn)展的關(guān)鍵技術(shù)之一 11 1概述 引言 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 1 衛(wèi)星海洋遙感的基本性質(zhì) 衛(wèi)星海洋遙感是物理學(xué) 信息科學(xué)和海洋科學(xué)三門學(xué)科交叉的產(chǎn)物 為新的學(xué)科分支 它的理論基礎(chǔ)為電磁波與海洋 大氣的相互作用以及海洋 大氣輻射傳遞 衛(wèi)星海洋遙感涉及廣闊的電磁波范圍 包括可見光 紅外和微波 可見光遙感利用太陽光源 紅外遙感利用海面熱輻射 微波遙感分為海面微波輻射被動(dòng)源和星載微波雷達(dá)主動(dòng)源 將來 激光可能成為星載主動(dòng)源 衛(wèi)星海洋遙感的研究?jī)?nèi)容包括物理機(jī)制 海洋衛(wèi)星傳感器方案 反演理論和模型 圖象處理與信號(hào)處理 衛(wèi)星數(shù)據(jù)海洋學(xué)應(yīng)用 海洋gis等 11 1 1衛(wèi)星遙感對(duì)海洋科學(xué)的價(jià)值 包括性質(zhì)和研究意義 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 1衛(wèi)星遙感對(duì)海洋科學(xué)的價(jià)值 包括性質(zhì)和研究意義 2 衛(wèi)星海洋遙感的研究意義 優(yōu)點(diǎn) 為海洋的觀測(cè)和研究開辟一個(gè)新的考慮問題的視角 為海洋觀測(cè)和研究提供了一個(gè)嶄新的數(shù)據(jù)集 800 1000km 這個(gè)數(shù)據(jù)集之大 超過百余年來船舶與浮標(biāo)數(shù)據(jù)的總和 且涵蓋了海表溫度 大氣水汽 葉綠素濃度 懸移質(zhì)濃度 dom濃度 海洋初級(jí)生產(chǎn)力 海洋光學(xué)等多種海洋學(xué)參數(shù) 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具以下特點(diǎn) a 大面積同步測(cè)量 且具有很高或較高的空間分辨率 b 可滿足動(dòng)態(tài)觀測(cè)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求 c 實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)性 半小時(shí)到一個(gè)月 d 具有自動(dòng)求面積平均值的特點(diǎn) 尤其適用于數(shù)值模型的檢驗(yàn)和改進(jìn) e 衛(wèi)星觀測(cè)可以涉及船舶 浮標(biāo)不易抵達(dá)的海區(qū) 衛(wèi)星海洋遙感多傳感器資料可推動(dòng)海洋科學(xué)交叉學(xué)科研究的發(fā)展 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 1 第一階段是氣象衛(wèi)星 陸地衛(wèi)星的海洋應(yīng)用階段1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星 1957年10月4日 世界上第一顆人造地球衛(wèi)星 斯普特尼克1號(hào) 從拜科努爾發(fā)射場(chǎng)升空 標(biāo)志著人類的活動(dòng)疆域已經(jīng)從陸地 海洋 大氣層擴(kuò)大到了宇宙空間 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 1960年4月nasa 美國(guó)宇航局 發(fā)射了第一顆電視與紅外觀測(cè)衛(wèi)星 tiros i 隨后發(fā)射的tiros ii衛(wèi)星開始涉及海溫觀測(cè) 1960年4月nasa發(fā)射了第一顆電視與紅外觀測(cè)衛(wèi)星 tiros i 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 tiros ii主要用于海溫觀測(cè) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 1961年美國(guó)實(shí)行水星 aqua 計(jì)劃 御寒宇航員可親自觀測(cè)海洋 gemini宇宙飛船獲得大量的彩色照片以及多光譜照片 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 apollo宇宙飛船獲得大量的彩色照片以及多光譜照片 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 1973年skylab證實(shí)了可見光和近紅外遙感對(duì)地球連續(xù)觀測(cè)的能力 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 1975年美國(guó)實(shí)行衛(wèi)星高度計(jì) geos 3衛(wèi)星主要用于觀測(cè)海表到衛(wèi)星的距離 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 1972 1976發(fā)射noaa 1 2 3 4 5衛(wèi)星 裝載了紅外掃描輻射計(jì)和微波輻射計(jì) 估計(jì)海表溫度 大氣溫度 濕度剖面 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 level7 sigma 90 approx ht 98km approx press 900mbatmosphericchemistrymodelinggroup 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 海表或陸地溫度觀測(cè) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 noaa 3visiblerangevhrrimageofhurricanesione left andkirsten right therareeffectoftwointeractinghurricanesistermedthefujiwharaeffect photodate 1974august241749gmt aninfraredimagetransmittedfromnoaa2satelliteshowingtheeastcoastofnorthamericafromthegaspepeninsulatonorthernflorida afrontalsystemisoffshorewith cloudstreets extendingbacktothewest thiscoldfrontbroughtlowtemperaturestotheeasternunitedstates photodate 1972december18 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 2 第二階段是海洋衛(wèi)星應(yīng)用階段 1978 至今 1978nasa發(fā)射了三顆衛(wèi)星 噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室 jpl 研制的seasata衛(wèi)星 goddard空間飛行中心 gsfc 研制的tiros n和nimbus 7衛(wèi)星事實(shí)上 多數(shù)學(xué)者認(rèn)為 seasata tiros n和nimbus 7這三顆衛(wèi)星構(gòu)成了海洋衛(wèi)星的三部曲 它標(biāo)志著衛(wèi)星海洋遙感新紀(jì)元的開始 并反映了可見光 紅外 微波海洋遙感的概貌 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 3 衛(wèi)星性能seasata海洋實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星裝載了微波輻射計(jì) smmr 微波高度計(jì) ra 微波散射計(jì) sass 合成孔徑雷達(dá) sar 可見紅外輻射計(jì) virr 等5種傳感器 tiros n上裝載了avhrr 高級(jí)甚高分辨率輻射計(jì) 和tiros業(yè)務(wù)化垂直探測(cè)器tovs 奠定了衛(wèi)星海表溫度進(jìn)入氣象 海洋業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)的基礎(chǔ) nimbus 7裝載了7臺(tái)傳感器 其中多通道掃描微波輻射計(jì)smmr和沿岸帶海色掃描儀czcs與海洋觀測(cè)有關(guān) 奠定了海色衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ) 1978 86czcs提供了8年的全球海色 seacolor 圖像以及海洋次表層葉綠素濃度參數(shù) parametersofoceansub surface schlorophyllconcentration 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 seasata海洋實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星可提供的海洋信息 海表溫度 sst 海面高度 海面風(fēng)場(chǎng) 海浪 seawave 海冰 海底地形 風(fēng)暴潮 stormsurges 水汽 vapour 和降雨 precipitation 等 壽命108天 被稱為衛(wèi)星海洋遙感的里程碑 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 tiros n上裝載高級(jí)甚高分辨率輻射計(jì)avhrr和tiros業(yè)務(wù)化垂直探測(cè)器tovs noaa于1981年推出mcsst衛(wèi)星海表溫度業(yè)務(wù)化反演算法 因此 tiros n奠定了衛(wèi)星海表溫度進(jìn)入氣象 海洋業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)的基礎(chǔ) 它實(shí)際上是noaa 6及其后發(fā)射的noaa極軌系列衛(wèi)星的樣機(jī) tiros 9 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 2海洋遙感及空間海洋觀測(cè)歷史背景 nimbus 7裝載了7臺(tái)傳感器 其中多通道掃描微波輻射計(jì)smmr和沿岸帶海色掃描儀czcs與海洋觀測(cè)有關(guān) czcs專用于海色測(cè)量 它奠定了海色衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ) 1978 1986年間czcs提供了8年的全球海色圖象以及海洋次表層葉綠素濃度參數(shù) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 3衛(wèi)星海洋遙感系統(tǒng) 主要包括七個(gè)部分 1 空間平臺(tái)及軌道包括人造衛(wèi)星 宇宙飛船 天空實(shí)驗(yàn)室 電源 熱控制器 方位控制器 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等 空間運(yùn)載工具 衛(wèi)星距地面的距離為 衛(wèi)星沿軌道運(yùn)行的周期為 衛(wèi)星的水平速度為 航空遙感平臺(tái) 衛(wèi)星遙感平臺(tái) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 3衛(wèi)星海洋遙感系統(tǒng) 2 衛(wèi)星傳感器遙感技術(shù)根據(jù)電磁輻射原理獲取海洋信息 其采用的電磁波包括可見光 0 4 0 7 m 紅外 1 100 m 微波 0 3 100ghz 傳感器按工作方式可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式 被動(dòng)傳感器如可見紅外掃描輻射計(jì) 微波輻射計(jì)等 主動(dòng)式如微波高度計(jì) 微波散射計(jì) 合成孔徑雷達(dá)等 seawifs傳感器 海色傳感器 衛(wèi)星傳感器的種類很多 目前用于海洋研究的傳感器主要有 海色傳感器 主要用于探測(cè)海洋表層葉綠素濃度 懸移質(zhì)濃度 海洋初級(jí)生產(chǎn)力 漫射衰減系數(shù)以及其他海洋光學(xué)參數(shù) 紅外傳感器 主要用于測(cè)量海表溫度 微波高度計(jì) 主要用于測(cè)量平均海平面高度 大地水準(zhǔn)面 有效波高 海面風(fēng)速 海流 重力異常 降雨指數(shù)等 微波散射計(jì) 主要用于測(cè)量海面10m處風(fēng)場(chǎng) 合成孔徑雷達(dá) 主要用于探測(cè)波浪方向譜 中尺度渦旋 海洋內(nèi)波 淺海地形 海面污染以及海表特征信息等 微波輻射計(jì) 主要用于測(cè)量海面溫度 海面風(fēng)速以及海冰 降雨 co2海 氣交換等 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 3衛(wèi)星海洋遙感系統(tǒng) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 3衛(wèi)星海洋遙感系統(tǒng) 3 數(shù)據(jù)傳輸星載傳感器通常產(chǎn)生測(cè)量電壓或頻率信號(hào) 然后進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼 大部分情況下以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸?shù)降孛娼邮照?在采用二進(jìn)制編碼中 一般用0 255或0 1023或0 2047對(duì)輻射掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理 每個(gè)象元要求8bit 10bit或12bit 數(shù)據(jù)接收站 遙感技術(shù)中心 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 3衛(wèi)星海洋遙感系統(tǒng) 4 衛(wèi)星地面接收站主要是noaa衛(wèi)星地面接收站 分布較廣 其價(jià)格也相對(duì)較低 5 圖象處理與數(shù)據(jù)處理需參考有關(guān)海洋動(dòng)力參數(shù) 計(jì)算機(jī)圖象處理 信號(hào)處理 模式識(shí)別方面的書籍和方法 noaa衛(wèi)星地面接收站 衛(wèi)星遙感圖象處理和數(shù)據(jù)處理的程序框圖 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 3衛(wèi)星海洋遙感系統(tǒng) 6 海洋衛(wèi)星資料的反演是指從衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)獲得定量海洋環(huán)境參數(shù)的數(shù)學(xué)物理方法 從電磁場(chǎng)到物質(zhì)性質(zhì)或地球物理性質(zhì)的逆運(yùn)算 海料更為復(fù)雜和重要 主要采有準(zhǔn)解析 數(shù)值模擬 統(tǒng)計(jì)回歸或以上幾種的結(jié)合 7 gis系統(tǒng)地理信息系統(tǒng) gis 是一門介于信息科學(xué) 空間科學(xué)和地球科學(xué)之間的交叉學(xué)科和新技術(shù)學(xué)科 是空間數(shù)據(jù)處理與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 其難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)在于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和圖象庫(kù) 以及足夠好的模型庫(kù) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 20世紀(jì)90年代海洋衛(wèi)星計(jì)劃 1991年ers 1衛(wèi)星反射成功 它被稱為90年代海洋衛(wèi)星計(jì)劃的先驅(qū) 其上裝載了四個(gè)傳感器 包括atsr sar scat alt 后兩張表中列出了90年代國(guó)際上主要用于海洋觀測(cè)的衛(wèi)星計(jì)劃 從中看出 衛(wèi)星海洋遙感技術(shù)已趨于成熟并進(jìn)入業(yè)務(wù)化運(yùn)行 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 20世紀(jì)90年代海洋衛(wèi)星計(jì)劃 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 1概述 引言 11 1 20世紀(jì)90年代海洋衛(wèi)星計(jì)劃 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 任何物體都具有不斷輻射 吸收 發(fā)射電磁波的本領(lǐng) 輻射出去的電磁波在各個(gè)波段是不同的 也就是具有一定的譜分布 這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān) 因而被稱之為熱輻射 衛(wèi)星海表溫度 seasurfacetemperature sst 測(cè)量主要利用海面熱紅外輻射 衛(wèi)星海表溫度是最早從衛(wèi)星上獲取的海洋環(huán)境參數(shù) 是衛(wèi)星海洋遙感中最為成熟且用戶最為廣泛的技術(shù) 衛(wèi)星海表溫度測(cè)量已進(jìn)入業(yè)務(wù)化 在大中尺度海洋現(xiàn)象和過程 海洋 大氣熱交換 全球氣候變化以及漁業(yè)資源 污染監(jiān)測(cè)等方面有重要應(yīng)用 衛(wèi)星sst常分為海表皮溫和海表體溫 前者指海表微米量級(jí)海水層的溫度 后者指海表0 5 1 0m海水層的溫度 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 紅外輻射計(jì)工作原理 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 為了研究不依賴于物質(zhì)具體物性的熱輻射規(guī)律 物理學(xué)家們定義了一種理想物體 黑體 blackbody 以此作為熱輻射研究的標(biāo)準(zhǔn)物體 所謂黑體是指入射的電磁波全部被吸收 既沒有反射 也沒有透射 當(dāng)然黑體仍然要向外輻射 顯然自然界不存在真正的黑體 但許多地物是較好的黑體近似 在某些波段上 利用紅外波段測(cè)溫的物理基礎(chǔ)為 基爾霍夫輻射定律 kirchhoff 在熱平衡狀態(tài)的物體所輻射的能量與吸收的能量之比與物體本身物性無關(guān) 只與波長(zhǎng)和溫度有關(guān) 按照基爾霍夫輻射定律 在一定溫度下 黑體是輻射本領(lǐng)最大的物體 稱作完全輻射體 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 紅外輻射計(jì)工作原理 普朗克 planck 輻射定律 給出了黑體輻射的具體譜分布 在一定溫度下 單位面積的黑體在單位時(shí)間 單位立體角內(nèi)和單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)輻射出的能量為 b t 黑體的光譜輻射亮度 w m 2 sr 1 m 1 輻射波長(zhǎng) m t 黑體絕對(duì)溫度 k t t 273k c 光速 2 998或3 108m s 1 h 普朗克常數(shù) 6 626 10 34j sk 波爾茲曼常數(shù) bolfzmann 1 380 10 23j k 1為基本物理常數(shù) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 紅外輻射計(jì)工作原理 分光輻射通量密度的峰值波長(zhǎng) max隨溫度的增加向短波方向移動(dòng) 稱為維恩位移定律 wien 維恩位移公式 max t bb 2 898 10 3m k m 最大黑體譜輻射亮度處的波長(zhǎng) m t 黑體的絕對(duì)溫度 k 根據(jù)維恩定律 我們可以估算 當(dāng)t 6000k時(shí) m 0 48 m 綠色 這就是太陽輻射中大致的最大譜輻射亮度處 當(dāng)t 300k m 9 6 m 這就是地球物體輻射中大致最大譜輻射亮度處 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 紅外輻射計(jì)工作原理 從零到無窮大的波長(zhǎng)范圍內(nèi) 對(duì)普朗克公式積分 可得到從單位面積的黑體輻射到半球空間里的總輻射通量表達(dá)式 m t t4 5 67 10 8w m2 k4黑體輻射通量 單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射量 密度的增加與絕對(duì)溫度的四次方成正比 稱為斯蒂芬 波爾茲曼定律 斯蒂芬 波爾茲曼定律 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 紅外輻射計(jì)工作原理 不同溫度下的黑體輻射譜 地球表面平均溫度為300k左右 其黑體輻射峰值波長(zhǎng)在8 14 m 實(shí)際物體的輻射還與比輻射率有關(guān) 在紅外譜段 海洋的比輻射率 0 98 隨波長(zhǎng) 海水溫鹽 海況的變化極小 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 紅外輻射計(jì)工作原理 大氣透射率隨波長(zhǎng)的變化 在紅外譜段 大氣存在兩個(gè)窗口 即3 5 m和8 13 m 7mm 29mm 54mm總可降水量 totalprecipitablewater 分別對(duì)應(yīng)極地 中緯度 熱帶 可見 熱帶大氣透射率最低 證明水汽是主要的吸收因子 見上圖 11 m 12 m為海水輻射峰值區(qū) 3 7 m水汽吸收弱 透射率高 因此 紅外輻射計(jì)的光譜通道設(shè)在3 7 m 11 m 12 m 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 與avhrr相比 atsr作了重要改進(jìn) 采用錐形掃描技術(shù)使地球表面同一地點(diǎn)從不同角度 0 和55 測(cè)量?jī)纱?時(shí)間間隔約2 5min 利用多通道 多角度以改善大氣校正 采用兩個(gè)穩(wěn)定性很高的黑體作星上輻射量定標(biāo) 以提高輻射定標(biāo)精度 克服avhrr測(cè)量中天空輻射不為零的影響 利用新型的主動(dòng)冷卻裝置使探測(cè)器的溫度保持在90k左右以降低探測(cè)器噪聲 近紅外通道 1 6 m 用于在白天探測(cè)云 另外 根據(jù)1 6 m通道觀測(cè)的輻亮度 1 6 m與3 7 m自動(dòng)交替工作 atsr avhrr 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 紅外輻射計(jì)工作原理 沿軌跡掃描輻射計(jì) 甚高分辨率掃描輻射計(jì) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 紅外輻射計(jì)工作原理 thisisanight time11micronfalsecolourimage showingtyphoonsaomaiovertheeastchinasea headingnorthtowardsthekoreanpeninsular thisatsrimagewastakenon13thseptember2000 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 2衛(wèi)星海表溫度的反演 noaa采用的業(yè)務(wù)化海表溫度反演算法有mcsst cpss和nlsst三類 其中mcsst包括劈通道算法和三通道算法 劈通道算法 sst a1t11 a2 t11 t12 a3 t11 t12 sec 1 a4三通道算法 sst a1t11 a2 t3 7 t12 a3 t3 7 t12 sec 1 a4 avhrr 甚高分辨率掃描輻射計(jì) 原始數(shù)據(jù)反演海表溫度流程包括 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 2衛(wèi)星海表溫度的反演 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 2衛(wèi)星海表溫度的反演 avhrrsstproductoftheworldisahighquality 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 2衛(wèi)星海表溫度的反演 avhrryangtzeriverdongtinglakehubei 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 sstaveragedistributionsinchina sseaareainfourseasons2003 hy 1 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 2衛(wèi)星海表溫度的反演 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 2衛(wèi)星海表溫度的反演 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 1986年8月29日從avhrr獲取的sst圖象 它顯示了東海黑潮 高溫 高鹽 與冷渦 低溫 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 2衛(wèi)星海表溫度的反演 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 衛(wèi)星海表溫度得到了廣泛的應(yīng)用 主要包括海洋動(dòng)力學(xué) 海氣相互作用 漁業(yè)經(jīng)濟(jì) 污染監(jiān)測(cè)等方面 1 應(yīng)用衛(wèi)星海表溫度研究了厄爾尼諾現(xiàn)象 多年平均衛(wèi)星海表溫度給出了西太平洋暖池的溫度和位置 這是常規(guī)測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)的 利用海表溫度研究了黑潮和灣流的特征 赤道海域kelvin rossby波的傳播過程 利用衛(wèi)星海表溫度發(fā)現(xiàn)了諸多中尺度渦旋 并研究了中尺度渦旋 上升流 鋒面的變化 小尺度海洋動(dòng)力特征方面 研究了湍動(dòng)的精細(xì)結(jié)構(gòu) 2 海氣相互作用方面 利用衛(wèi)星海表溫度結(jié)合其他數(shù)據(jù)研究全球氣候變化 計(jì)算海洋熱收支 co2氣體交換系數(shù)等 特別值得一提的是 衛(wèi)星海表溫度已進(jìn)入天氣 海洋數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù) 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 3衛(wèi)星海表溫度 sst 的應(yīng)用 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 太平洋上厄爾尼諾現(xiàn)象 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 3衛(wèi)星海表溫度 sst 的應(yīng)用 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 3衛(wèi)星海表溫度 sst 的應(yīng)用 deepconvectivecloudsprovideheatingthatwarmstheatmosphereanddrivesmajorcirculationfeaturesoftheatmosphere thehighcloudsaremostabundantoverthewarmestseasurfacetemperaturesinthetropics 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 衛(wèi)星海表溫度遙感 11 3衛(wèi)星海表溫度 sst 的應(yīng)用 3 漁業(yè)方面 海表溫度與魚類的洄游路線和漁場(chǎng)的位置相關(guān) 衛(wèi)星海表溫度可為漁業(yè)部門提供指導(dǎo) 4 污染監(jiān)測(cè)方面 利用衛(wèi)星海表溫度可以監(jiān)測(cè)油污染 大型核電站附近的熱污染 藍(lán)色代表鰹魚 紅色代表刀魚 日本 2003 9 3 9 5 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 所謂海色 即海洋表觀所呈現(xiàn)的顏色 太陽光入射海面 一部分在海面直接反射 另一部分通過海面進(jìn)入水體 在傳輸過程中受到水體的吸收和散射 后向散射光經(jīng)海面返回大氣 后向散射光和海面直接反射的太陽輻射合稱為海面向上光輻射 因其具有光譜分布特性 所以又稱為海面向上光譜輻射 被人眼視見函數(shù)所限定的海面向上光譜輻射即海色 海色與海水水質(zhì)密切相關(guān) 由于浮游生物 懸移質(zhì)以及可溶性有機(jī)物dom等空間分布隨時(shí)間和地點(diǎn)而異 因此 海色具有區(qū)域性和季節(jié)性的特點(diǎn) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 海色遙感是唯一可穿透海水一定深度的衛(wèi)星海洋遙感技術(shù) 它利用星載可見紅外掃描輻射計(jì)接收海面向上光譜輻射 經(jīng)過大氣校正 根據(jù)生物光學(xué)特性 獲取海中葉綠素濃度及懸浮物含量等海洋環(huán)境要素 因而 它對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力 海洋生態(tài)環(huán)境 海洋通量 漁業(yè)資源等具有重要意義 在海色遙感研究中 海水劃分為 類水域和 類水域 前者以浮游植物及其伴生物為主 海水呈現(xiàn)深藍(lán)色 大洋屬于這一類 后者含有較高的懸浮物 葉綠素和dom以及各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 海水往往呈現(xiàn)藍(lán)綠色甚至黃褐色 我國(guó)近海就是典型的 類水域 繼1978年nimbus 7 czcs衛(wèi)星資料的成功應(yīng)用之后 衛(wèi)星海色遙感逐漸成為一些著名的國(guó)際海洋研究計(jì)劃的技術(shù)關(guān)鍵和重要內(nèi)容 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3 1seawifs與czcs海色傳感器 11 3海色衛(wèi)星遙感 seawifs sea viewingwidefield of viewsensor 是裝載在美國(guó)seastar衛(wèi)星上的第二代海色遙感傳感器 1997年8月發(fā)射成功 運(yùn)行狀況良好 seawifs共有8個(gè)通道 前6個(gè)通道 412 443 490 510 555 670nm 位于可見光范圍 7 8波段 765 865nm 位于近紅外 czcs coastalzonecolorscanner 海色傳感器是裝載于nimbus 7上的一個(gè)以可見光通道為主的多通道掃描輻射計(jì) 前4個(gè)通道 443 520 550 670nm 位于可見光范圍 第5個(gè)通道 750nm 位于近紅外 第6個(gè) 10 5 12 5 m 通道位于熱紅外 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3 1seawifs與czcs海色傳感器 11 3海色衛(wèi)星遙感 seawifs傳感器主要技術(shù)指標(biāo)及波段設(shè)計(jì) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3 1seawifs與czcs海色傳感器 11 3海色衛(wèi)星遙感 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3 1seawifs與czcs海色傳感器 11 3海色衛(wèi)星遙感 czcs傳感器主要技術(shù)指標(biāo)及波段設(shè)計(jì) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3 1seawifs與czcs海色傳感器 11 3海色衛(wèi)星遙感 czcs可見光波段的光譜帶寬較窄 僅為20nm 地面分辨率0 825km 觀測(cè)角沿軌跡方向傾角可達(dá)到20 用以減少太陽耀斑的影響 刈 yi 幅寬度1636km 8bit量化 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3 1seawifs與czcs海色傳感器 11 3海色衛(wèi)星遙感 兩種傳感器比較 seawifs在czcs基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和提高 a 增加了光譜通道 即412nm 490nm 865nm 412nm針對(duì)于 類水域dom的提取 490nm與漫衰減系數(shù)相對(duì)應(yīng) 865nm用于精確的大氣校正 b 提高了輻射靈敏度 seawifs靈敏度約為czcs的兩倍 在czcs反演算法中被忽略因子的影響 如多次散射 粗糙海面 臭氧層濃度變化 海表面大氣壓變化 海面白帽等 都在seawifs反演算法中作了考慮 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3 與海色衛(wèi)星遙感有關(guān)的海洋光學(xué)特征 11 3海色衛(wèi)星遙感 海洋光學(xué)理論是海色衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ) 海色傳感器可見光通道是按照海洋中主要組分的光學(xué)特性設(shè)置的 每個(gè)通道對(duì)應(yīng)于海洋中各種組分吸收光譜中的強(qiáng)吸收帶和最小吸收帶 例如 在葉綠素吸收光譜吸收曲線圖中可見443nm通道位于葉綠素強(qiáng)吸收帶 520nm通道葉綠素的吸收比水明顯大 可以補(bǔ)充葉綠素信息 550nm通道則接近葉綠素吸收的最小值 在強(qiáng)透射帶內(nèi) 同時(shí) 對(duì)應(yīng)較小的海水吸收 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 cdom光譜吸收曲線 11 3 與海色衛(wèi)星遙感有關(guān)的海洋光學(xué)特征 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 3海色反演原理 1 輻射量定標(biāo)海色傳感器輸出的計(jì)數(shù)值dc digitalcount 并非真正意義上的物理量 因此 必須利用標(biāo)準(zhǔn)源將計(jì)數(shù)值換算成輻亮度 這一過程叫做輻射量定標(biāo) 一般說來 傳感器接收的輻亮度由下式確定 其中 s i為斜率和截距 對(duì)于czcs 在實(shí)驗(yàn)室中用直徑為76cm的積分球?qū)椛溆?jì)預(yù)先進(jìn)行校準(zhǔn) 衛(wèi)星發(fā)射后用機(jī)內(nèi)白熾燈光源和涂黑儀器箱進(jìn)行星上定標(biāo) 另外深空也作為一個(gè)定標(biāo)源 傳感器按固定的程序測(cè)量目標(biāo)和定標(biāo)源 測(cè)量的數(shù)據(jù)傳送回地面通過上式來校正s和i 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 3海色反演原理 2 大氣校正算法大氣校正的目的是消除大氣吸收和散射的影響 獲取海面向上光譜輻亮度 czcs大氣校正算法采用單次散射模型 其本質(zhì)是一種對(duì)潔凈大氣中良好傳播的線性近似 傳感器接收到的輻亮度由四部分組成 即 其中 lr 為大氣分子瑞利散射引起的光輻射 可由大氣傳輸理論精確計(jì)算得出 lw 是離水輻亮度 是大氣校正所得的結(jié)果 t 是大氣透射率 lra 為瑞利散射和氣溶膠散射相互作用引起的光輻射 單次散射情況下可以忽略 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 3海色反演原理 3 生物光學(xué)算法由海面向上光譜輻亮度lw反演海中葉綠素濃度 懸移質(zhì) dom濃度的方法 稱為生物光學(xué)算法 由相關(guān)海洋光學(xué)關(guān)系式可得到海表層葉綠素濃度與海洋光學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系為 其中 ci是水中i組分的濃度 fi一般是非線性函數(shù) aw ai分別為海水及第i組分的吸收系數(shù) bbw bbi分別為海水及第i組分的后向散射系數(shù) 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)已證實(shí)了該公式的合理性 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 3海色反演原理 鑒于海水組分濃度及其引起的后向散射特性與吸收特性之間關(guān)系的復(fù)雜性 由上述解析式很難求出fi的解 必須利用經(jīng)驗(yàn)算法 目前比較常用的計(jì)算色素濃度的方法為比值法 即利用兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波段的輻亮度比值與葉綠素濃度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系 czcs傳感器主要有兩種簡(jiǎn)單的方法 1 gordon等提出的適合于i類水體的雙通道算法 利用綠 520nm 550nm 與藍(lán) 443nm 波段的比率來確定葉綠素的濃度 這一比值反映了隨葉綠素濃度增加海色由藍(lán)到綠的變化趨勢(shì) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 1 海洋初級(jí)生產(chǎn)力與海洋漁業(yè)初級(jí)生產(chǎn)力pp primaryproduction 是海洋生物食物鏈的起點(diǎn) 與平均葉綠素相關(guān) 可表示為 其中ck為平均葉綠素濃度 葉綠素濃度初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空變化對(duì)于生物海洋學(xué) 全球氣候變化和全球生態(tài)環(huán)境的研究具有重要意義 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 thedatausedtogeneratethecontourmapsoriginatedfromthegoddardspaceflightcenter gsfc thechlorophylpigmentandaerosolat670nmconcentrationswereobservedbythecoastalzonecolorscanner czcs sensorinthenasanimbus 7satellite thetimeperiodforthedataisfromnovember1978tojune1986 winter 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 海色溫度傳感器 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 thenexttwoseawifsimagesareanaturalcolorandachlorophyllmapofthesouthernatlanticoceanofthebraziliananduruguayancoasts themalvinascurrentformsanarrowlinerunningn soffshore 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 from1998 11 1999 10葉綠素濃度變化 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 日本octs漁情預(yù)報(bào) 海色和營(yíng)養(yǎng)級(jí)數(shù)之間具有極強(qiáng)的相關(guān)性 因此 海色數(shù)據(jù)結(jié)合衛(wèi)星海表溫度和海流參數(shù)可以預(yù)報(bào)漁場(chǎng)環(huán)境 日本octs傳感器雖然僅工作10個(gè)月 它在成功發(fā)射后很快進(jìn)入衛(wèi)星實(shí)時(shí)漁情預(yù)報(bào)業(yè)務(wù) 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 2 海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與研究赤潮主要由于海域中浮游生物的大量繁殖所引起 赤潮發(fā)生時(shí) 在藍(lán)綠波段 450nm 具有強(qiáng)烈吸收 在紅色和近紅外波段具有強(qiáng)烈散射 因此可以通過衛(wèi)星觀測(cè)海水的光譜特性和海水中的葉綠素 色素濃度實(shí)現(xiàn)對(duì)赤潮的監(jiān)測(cè) 配合與赤潮密切相關(guān)的其他多種衛(wèi)星資料 建立風(fēng)場(chǎng) 流場(chǎng) 熱力學(xué)模式 則有希望實(shí)現(xiàn)對(duì)赤潮的預(yù)測(cè) 在海色衛(wèi)星遙感圖象中 可以顯示鋒面 渦旋 海流 水團(tuán)等大中尺度海洋現(xiàn)象 與其他衛(wèi)星資料結(jié)合研究 可揭示許多海洋現(xiàn)象的動(dòng)力機(jī)制和過程 對(duì)于海洋生態(tài)環(huán)境動(dòng)力學(xué)的研究十分有用 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 河口海灣的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象 紅外遙感圖像 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 在廣東惠州大亞灣水生資源自然保護(hù)區(qū)的大海上 最近突然出現(xiàn)一條面積達(dá)100平方公里的黃褐色 彩帶 廣東省海洋與漁業(yè)局有關(guān)專家昨日證實(shí) 這是令漁民一見即色變的赤潮 2004年6月 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 redtide thisseawifsimageofthenortheasterngulfofmexicoshows inlightblue green anearshoreconcentrationofthisalgalbloomonmarch1 1999 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 redtideoccurrednorthofthefloridakeysin2002 asseeninthisseawifsimagethatrenderstheredalgaeinalmostnaturalcolor 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 海色衛(wèi)星資料應(yīng)用 渦旋 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 3 河口海岸帶泥砂濃度及其運(yùn)移河口海岸帶的泥沙運(yùn)移是一個(gè)倍受各方面關(guān)注的問題 含有泥沙的水體具有以下特點(diǎn) 1 隨著泥沙含量的增加 光譜反射比也增加 2 光譜反射比的峰值逐漸由藍(lán)波段向紅端位移 也就是水體本身的散射特性逐漸被泥沙的散射所掩蓋 利用多光譜信息和反射比可從海色資料中提取出懸移質(zhì)濃度及其運(yùn)移的信息 懸移質(zhì)遙感定量模式有以下形式 式中a b c為系數(shù) s為懸移質(zhì)含量 r為反射比 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 黃河口的泥沙大部沿海岸向西運(yùn)行 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 theaboveseawifsimagewascollectedonfebruary18 2003andshowsairbornedustandsandbeingpushedacrossthegulfofomanandthearabianseatowardsouthernpakistanandwesternindia thesourceareafortheseaerosolsisthearrubalkhalidesertofomanandsouthernsaudiarabia strongwesterlywindsareresponsibleforliftingthesandanddustandalsoeffecttheturbidityofthepersiangulf aquamarinecolor 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 4 海洋通量及固碳能力全球通量計(jì)劃 jgofs 主要目的是從全球尺度了解和研究控制海中碳及有關(guān)通量變化的多種過程 估價(jià)海洋對(duì)co2的吸收儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移能力 確定海洋碳系統(tǒng)從季節(jié)性到十年尺度的變化 衛(wèi)星數(shù)據(jù) 尤其是海色衛(wèi)星數(shù)據(jù)滿足上述目標(biāo)所需的大時(shí)空尺度調(diào)查 葉綠素濃度和海洋初級(jí)生產(chǎn)力的探測(cè) 對(duì)于詳細(xì)了解海洋對(duì)co2的調(diào)控過程 是不可缺少的關(guān)鍵技術(shù) 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 hurricanesstirringupcarboncyclestudyfindsincreaseinphytoplankton whichabsorbco2nasa sseawifsinstrumentcapturedbefore left andafterimagesofhurricanebonnieofftheu s coastinaugust1998 thegreenrepresentsphytoplanktonblooms withawiderstretchinthe after view 11 3海色衛(wèi)星遙感 11 3 4海色衛(wèi)星資料的應(yīng)用 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) 從衛(wèi)星探測(cè)海洋動(dòng)力參數(shù)主要依靠微波傳感器 其中高度計(jì) altimeter alt 最為成熟 alt通過對(duì)海平面高度 有效波高 后向散射的測(cè)量 可同時(shí)獲取流 浪 潮 海面風(fēng)速等重要?jiǎng)恿?shù) 衛(wèi)星高度計(jì)還可應(yīng)用于地球結(jié)構(gòu)和海域重力場(chǎng)研究 繼skylab geos 3以及seasata衛(wèi)星之后 美國(guó)海軍于1985年發(fā)射了geosat業(yè)務(wù)化衛(wèi)星 它為科學(xué)家們首次提供了持續(xù)時(shí)間長(zhǎng) 覆蓋范圍廣的衛(wèi)星高度計(jì)資料 從而揭開了衛(wèi)星海洋學(xué)和衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué)嶄新的一頁(yè) ers 1 topex poseidon和ers 2衛(wèi)星是目前正在運(yùn)行的三顆裝有高度計(jì)的衛(wèi)星 其中美 法聯(lián)合發(fā)射的topex poseidon衛(wèi)星上同時(shí)裝載兩臺(tái)高精度高度計(jì) 作為全球大洋環(huán)流實(shí)驗(yàn) woce 的核心設(shè)備 它的成功發(fā)射與運(yùn)行 是衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的一次飛躍 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) 雷達(dá)高度計(jì) ers 1衛(wèi)星高度計(jì) 1991年 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) topex poseidon衛(wèi)星高度計(jì) 1992年 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) ers 2衛(wèi)星高度計(jì) 1995年 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) 11 4 1與海平面高度相關(guān)的幾個(gè)曲面概念 1 參考橢球面 referenceellipsoid 略顯扁形的地球由于萬有引力和慣性離心力的作用可近似視為一個(gè)長(zhǎng)軸在赤道方向的雙軸旋轉(zhuǎn)橢球體 其幾何形狀由半長(zhǎng)軸和偏心率兩個(gè)參數(shù)確定 我們將這一理想化的數(shù)學(xué)曲面定義為參考橢球面 并以此作為實(shí)際海平面的零級(jí)近似 2 大地水準(zhǔn)面 geoid 地球上重力位勢(shì)相等的各點(diǎn)構(gòu)成等勢(shì)面 與平均海平面最為接近的等勢(shì)面稱為大地水準(zhǔn)面 3 瞬時(shí)海面 instantaneousseasurface 瞬時(shí)海面即某一時(shí)刻的實(shí)際海面 它除了受制于地球重力場(chǎng)的分布之外 還受到海流 波浪 潮汐 降水 融冰 氣壓等海洋和大氣過程的影響 是各種復(fù)雜環(huán)境因素共同作用下的一種隨機(jī)瞬態(tài)平衡 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 4 平均海平面 meansealevel 衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)得的瞬時(shí)海面經(jīng)海洋潮高 固體潮高和有效波高修正之后 得到所謂平均海平面 5 海面動(dòng)力高度 seasurfacedynamicheight 將平均海平面相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的偏離 稱為海面動(dòng)力高度 即海洋學(xué)中的海面重力位勢(shì)差 其范圍一般在1 5m以內(nèi) 6 大地水準(zhǔn)面起伏 geoidundulation 大地水準(zhǔn)面相對(duì)于參考橢球面的偏離 稱為大地水準(zhǔn)面起伏 其范圍一般在 100m以內(nèi) 7 海平面起伏 seasurfaceundulation 瞬時(shí)海平面相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的偏離 稱為海平面起伏 其范圍一般在 100m以內(nèi) 11 4微波高度計(jì) 11 4 1與海平面高度相關(guān)的幾個(gè)曲面概念 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) 11 4 1與海平面高度相關(guān)的幾個(gè)曲面概念 衛(wèi)星測(cè)高原理示意圖 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 1 衛(wèi)星高度計(jì)的工作原理 測(cè)量高度 衛(wèi)星高度度由一臺(tái)脈沖發(fā)射器 一臺(tái)靈敏接收器和一臺(tái)精確計(jì)時(shí)鐘構(gòu)成 脈沖發(fā)射器從海面上空向海面發(fā)射一系列極其狹窄的雷達(dá)脈沖 接收器檢測(cè)經(jīng)海面反射的電磁波信號(hào) 再由計(jì)時(shí)鐘精確測(cè)定發(fā)射和接收的時(shí)間間隔 t 便可算出由高度計(jì)質(zhì)心到衛(wèi)星下點(diǎn)瞬時(shí)海面的距離hmeas 其中c 3 108m s 為電磁波在真空中的傳播速度 11 4微波高度計(jì) 11 4 1衛(wèi)星高度計(jì)的基本原理 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) 11 4 1衛(wèi)星高度計(jì)的基本原理 衛(wèi)星高度計(jì)脈沖檢測(cè)工作原理 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 技術(shù)難點(diǎn) 1 高度計(jì) 厘米級(jí)的測(cè)距精度 5cm測(cè)高精度 0 2ns時(shí)間精度 1s 年誤差 2 發(fā)射和接收技術(shù) 測(cè)距尖脈沖能量很有限 因此采用脈沖壓縮技術(shù)來提高能量以保證檢測(cè)回波信號(hào)所需的信噪比 3 脈沖帶寬問題 對(duì)0 2ns的脈沖來說 相應(yīng)的帶寬約為5ghz 遠(yuǎn)大于國(guó)際公允的衛(wèi)星使用帶寬 為解決這一矛盾 采用波形檢測(cè)的方法 11 4微波高度計(jì) 11 4 1衛(wèi)星高度計(jì)的基本原理 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) 11 4 1衛(wèi)星高度計(jì)的基本原理 2 衛(wèi)星測(cè)高原理依據(jù)衛(wèi)星測(cè)高的幾何關(guān)系 海平面高度可以表示為 hinst 星下點(diǎn)瞬時(shí)海平面相對(duì)于參考橢球面的高度 hsat 衛(wèi)星質(zhì)心相對(duì)于參考橢球面的計(jì)算高度 sat hsat的計(jì)算誤差 hmeas 高度計(jì)質(zhì)心到星下點(diǎn)瞬時(shí)海平面的測(cè)量距離 hmeas 對(duì)hmeas的各種修正 meas hmeas的測(cè)量誤差 hcom 質(zhì)心修正 hwet 濕對(duì)流層修正 hdry 干對(duì)流層修正 hiono 電離層修正 衛(wèi)星高度 測(cè)量高度 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 衛(wèi)星測(cè)高幾何關(guān)系 11 4微波高度計(jì) 11 4 1衛(wèi)星高度計(jì)的基本原理 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) 11 4 1衛(wèi)星高度計(jì)的基本原理 1 星下點(diǎn)的瞬時(shí)海面高度是由衛(wèi)星高度與測(cè)量高度之差經(jīng)過一系列修正后得到的 2 衛(wèi)星高度是根據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)方程結(jié)合地面遙測(cè)定位數(shù)據(jù)經(jīng)理論計(jì)算得到 測(cè)量高度是根據(jù)前節(jié)描述的原理由高度計(jì)實(shí)測(cè)得到的 各種修正量通過其它獨(dú)立渠道獲得 3 從海平面高度的構(gòu)成來看 瞬時(shí)海面還可以表示 hinst hg hdt hot hst hswh其中hg為大地水準(zhǔn)面高度 hdt為海面動(dòng)力高度 hot為海洋潮高 hst為固體潮高 hswh為海面有效波高 在實(shí)際應(yīng)用中 就是應(yīng)用上述兩個(gè)公式 首先確定瞬時(shí)海面高度 再采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法將各種海洋過程分離出來 1 大洋環(huán)流目前 利用衛(wèi)星高度計(jì)資料推算大洋環(huán)流最簡(jiǎn)單的方法是將平均海平面與大地水準(zhǔn)面相減 得出動(dòng)力高度 再利用地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系 算出大洋環(huán)流 由于現(xiàn)有大地水準(zhǔn)面模型的誤差與大洋環(huán)流引起的動(dòng)力高度處于同一量級(jí) 因而 這種方法只能用于大尺度海洋動(dòng)力現(xiàn)象觀測(cè) 另一種方法被稱為同步分離法 其主要思路是將大地水準(zhǔn)面與海面動(dòng)力高度同時(shí)從高度計(jì)資料分離出來 這一方法的數(shù)學(xué)依據(jù)是改進(jìn)的加權(quán)約束最小二乘法 11 4微波高度計(jì) 11 4 2衛(wèi)星高度計(jì)的應(yīng)用 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) 11 4 2衛(wèi)星高度計(jì)的應(yīng)用 夏威夷地區(qū)瞬時(shí)海面高度圖 大洋環(huán)流 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) 11 4 2衛(wèi)星高度計(jì)的應(yīng)用 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) 11 4 2衛(wèi)星高度計(jì)的應(yīng)用 oceancirculationfromtopex poseidon 海洋科學(xué)導(dǎo)論 第十一章 衛(wèi)星海洋遙感 11 4微波高度計(jì) 11 4 2衛(wèi)星高度計(jì)的應(yīng)用 2 海洋潮汐衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海平面高度本身需要進(jìn)行潮汐修正 同時(shí) 它能夠給出全球大洋的潮高空間分布 由于潮汐具有確定的周期 使人們有可能將它從海平面高度中與其它不同周期或非周期性的海面起伏分離開來 目前大洋潮汐反演模式約有13種 邊緣海潮汐反演模式僅有3 4種 以上模式可分為以下三類 無水動(dòng)力假設(shè) 線性水動(dòng)力