物理海洋(海洋技術(shù))專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文

衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用摘 要本文系統(tǒng)闡述了衛(wèi)星高度計(jì)的發(fā)展歷史、未來(lái)趨勢(shì)、工作原理、數(shù)據(jù)處理方法及海洋學(xué)應(yīng)用。并開(kāi)展了基于衛(wèi)星高度計(jì)的系列研究。在數(shù)據(jù)處理方面，進(jìn)行了以下具有新意的研究：l、提出了中國(guó)海海平面高度反演的新的潮汐修正方法：2、提出了有效波高和海面風(fēng)速在中國(guó)海和西北太平洋的校正模型；3、利用軌道精度較高的TDPEx，POsEDON衛(wèi)星高度計(jì)對(duì)ERS一2衛(wèi)星高度計(jì)的徑向軌道誤差進(jìn)行了修正。／(利用實(shí)測(cè)資料，對(duì)上述研究結(jié)果進(jìn)行了印證，印證結(jié)果如下：1、高度計(jì)獲取的中國(guó)海月平均海平面高度與中國(guó)渤海、黃海、東海和南海沿岸的26個(gè)驗(yàn)潮站月平均水位數(shù)據(jù)相比，相關(guān)系數(shù)為75％，均值偏差為1．0cm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為6．6cm；2、與日本氣象廳三個(gè)長(zhǎng)期浮標(biāo)的實(shí)測(cè)資料相比，1、oPEx／PoSEDoN有效波高的相關(guān)系數(shù)為93％，均值偏差為0．25m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為O．38m；海面風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為90％，均值偏差為0．24m／s，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1．55m／s。在以上數(shù)據(jù)處理和印證工作的基礎(chǔ)上，將衛(wèi)星高度計(jì)海平面高度、有效波高和海面風(fēng)速資料進(jìn)行了若干海洋學(xué)應(yīng)用研究0主要包括：1、黑潮變異與ElNifio事件的關(guān)系。利用衛(wèi)星高度計(jì)資料分析了黑潮受ElNifio影響而發(fā)生變異的機(jī)制。指出衛(wèi)星高度計(jì)獲取的土噶拉海峽海平面斜率可能成為ElNifio事件來(lái)臨的一個(gè)指征量；2、利用r110PEx／POSEDON海平面高度資料定量研究了1993～1999年中國(guó)海和西北太平洋的海平面變化趨勢(shì)。妓現(xiàn)這期間我國(guó)海平面總體上(而非僅沿岸)成上升趨勢(shì)，且南部海域海平面上升速率要大于北方海域，中國(guó)海海平面平均上升速率為4mrrdyear。整個(gè)西北太平洋海平面也呈上升趨勢(shì)，平均上升速率為1lmm／year，是全球海洋中主要的海平面上升海域；J／i3、利用TOPEX／POSEIDON有效波高和海面風(fēng)速數(shù)據(jù)給出了中國(guó)海和西北太平洋各個(gè)海區(qū)的風(fēng)、浪關(guān)系。研究了這些海區(qū)風(fēng)、浪場(chǎng)的季節(jié)、年際變化特征3、利用TOPEX／POSEIDON有效波高和海面風(fēng)速數(shù)據(jù)給出了中國(guó)海和西北太平洋各個(gè)海區(qū)的風(fēng)、浪關(guān)系。研究了這些海區(qū)風(fēng)、浪場(chǎng)的季節(jié)、年際變化特征及其氣候季平均和氣候年平均的變化特征；4、將TOPEX／POSEIDON氣候季平均的海面風(fēng)速數(shù)據(jù)用于C02在中國(guó)海和西北太平洋海一氣界面交換的通量研究。話(huà)出了中國(guó)海和西北太平洋海表CO：海．氣通量的季節(jié)分布。指出中國(guó)東海每年可以吸收大約528萬(wàn)噸碳，說(shuō)明中國(guó)東海是大氣C02的弱匯區(qū)，與我國(guó)JGOFS現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果基本吻合。3關(guān)鍵詞：衛(wèi)星高度計(jì)?海洋潮汐j海平面變化：厄爾尼諾：風(fēng)浪jC02通量，DataDataProcessing，ValidationandOceanApplicationsofSatelliteAltimetryintheChinaSeasandNorthwestPacificOceanAbstractAcompletereviewhasbeenpresentedofsatellitealtimetryincludingitsdevelopment，newopportunitiesitcanoffertothescientificcommunityinnearfuture，itsworkingprincipals，dataprocessingtechniquesandrelatedoceanapplications．Systematicstudieshavebeencarriedoutonthebasisofsatellitealtimetry．EffortisfirstmadetoaddressnewdataproeessingmethodsaSfollowing，1．ImprovedtidalcorrectionschemehasbeenworkedoutforERS一2altimeterandTOPEX伊OSEIDONovertheChinesecontinentalshallowwaters．2．Acorrectionmethodisproposedtocalibratealtimeterderivedsignificantwaveheight(SWH)andseasurfacewindspeed(sws)totheinsitudataintheChinaSeasandtheNWPacificOcean．3． AmodifiedmethodisusedtoreducetheorbiterrorofERS一2toasimilarleveltoTOPEX伊OSEIDONbasedonaglobalminimizationofTOPEX坤0SEIDONandERS一2dualcrossoverdifferencesThealtimeterderivedseasurfaceheight(SSH)．SWHandSWSarevalidatedagainstfieldobservations，whichmaybesummarizedasbelow,1．ComparisonsofaltimetricmonthlyseasurfaceheightagainstthatderivedbytidegaugeslocatedalongthecoastofBohaiSea，theYellowSea，theEastChinaSeaandtheSouthChinaSea(altimeter0ninsitu)showaco．elationcoefficientof75％．meanbiasof1．0cmandstandarddeviatiOnof6．6era；2．Comparisons ofaltimetricSWHandSWSagainstmeasurementsfromthreebuoysoflongdurationwhicharedeployedbyJapaneseMeteorologicalAgency(JMA)showcorrelationsof93％and90％，meanbiasofO．25mandO．24m／s，standarddeviationof0．38mand1．55rrl／s，respectively．BasedBasedonabovementioneddataprocessingstrategyandvalidations，altimeterdataareusedforassociatedoceanapplications．Themainresultsinclude：1．On therelationshipbetweenthevariationsofKuroshioandE1N訪(fǎng)o．ThemechanismsofKuroshiovariationsinresponsetotheElNifioeventareanalyzedandinterpretedusingsatellitealtimeterdata．ItisfoundthealtimeterderivedseasurfaceslopeoverTokaraStraitmaybecomeonepotentialindicatoroftheupcomingofElNifio．2．Trendsinthesealeveloverthestudyareafrom1993—1999aredeterminedandanalyzedinaquantitativemarnlerusingTOPEX／POSEIDONdata．Itpresentsthesea leveloftheChinaSeasarerisingduringthisperiodwithalocalrateof4mm／year．AnditseemstherateofsealevelchangeincreaseswithlatitudeintheChinaSeas．ForthewholeNWPacificOcean，theannualrisingrateis11mm／yearanditprovestobeoneofthemainregionsoftheglobaloceanswheresealevelisrisingsignificantly．3．TherelationsbetweenwindandwaveareinvestigatedintheChinaSeasandNWPacificOceanusingTOPEX／POSEDIONSWHandSWSdata．Theseasonal，anntlalandinter-annualcharacteristicsofthewind／wavefieldaswellasitsclimatologicalfeaturesarerevealed．4．TheclimatologicalseasonalSWSareappliedtotheestimationofC02fluxattheair-seainterface．TheseasonaldistributionsofCOzfluxareworkedoutintheChinaSeasandNWPacificOcean．TheannualnetC02fluxintheEastChinaSeais·0．745mol·肌～·yr一1equivalentto5．28X106tonsofcarbontakenupbyEastChinaSeaeveryyear，whichmeanstheEastChinaSeaiSamildsinkfortheatmosphericC02．ThisisingoodagreementwiththeresultsderivedfromthefieldinvestigationsofseveralChinaJGOFScruisesintheEastChinaSea．Keywords： satelIit。!!墮竺!!!墜!!e如tide，ElNiflo，sealevelchange，windandwave，C02flux衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干造堂應(yīng)用第一章導(dǎo)言衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干造堂應(yīng)用第一章導(dǎo)言1．1 衛(wèi)星高度計(jì)的發(fā)展衛(wèi)星高度計(jì)是一種星載主動(dòng)式微波遙感器，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力，主要用于測(cè)量海平面高度、有效波高和海面風(fēng)速。海平面高度的獲取基于兩個(gè)基本參數(shù)：一是衛(wèi)星相對(duì)于海面的高度，由衛(wèi)星高度計(jì)直接測(cè)量；二是衛(wèi)星相對(duì)于參考橢球面的高度，由衛(wèi)星地面跟蹤網(wǎng)所測(cè)量的數(shù)據(jù)代入衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)模式計(jì)算得出。海平面高度蘊(yùn)涵著海洋動(dòng)力學(xué)信息。衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的提出始于1964年在美國(guó)伍茲霍爾(WoodsHole)舉行的一次“空間海洋學(xué)”研討會(huì)，當(dāng)時(shí)為高度計(jì)確定了10cm的測(cè)距技術(shù)指標(biāo)。衛(wèi)星高度計(jì)的首次原理性實(shí)驗(yàn)于1973年在美國(guó)宇航局(NASA)發(fā)射的天空實(shí)驗(yàn)室(Skylab)上進(jìn)行，它的運(yùn)行為后續(xù)的地球動(dòng)力實(shí)驗(yàn)海洋衛(wèi)星(GEOS--3)及海洋衛(wèi)星(Seasat—A)高度計(jì)的設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。GEOS--3衛(wèi)星是美國(guó)NASA于1975年發(fā)射的，所載高度計(jì)在其三年半飛行中獲取超過(guò)五百萬(wàn)個(gè)海面測(cè)量數(shù)據(jù)，其中包括Schiwiderski海洋潮汐模式和Cartwrigllt固體潮汐模式修正參數(shù)。GEOS--3衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)距精度在長(zhǎng)脈沖模式下(200ns)達(dá)50cm，在短脈沖模式下(12ns)達(dá)20cm。有效波高測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)25％，已可與浮標(biāo)資料相比擬。GEOS—3衛(wèi)星高度計(jì)被認(rèn)為是一次成功的飛行，在很多方面超過(guò)預(yù)期目標(biāo)。依靠GEOS--3高度計(jì)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星高度計(jì)的數(shù)據(jù)處理方法得以逐步發(fā)展。由于GEOS一3高度計(jì)的地面軌跡是非重復(fù)的，Hungetal．(1978)提出了衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)處理的交叉軌跡分析法，其基本思想一直沿用至今。Rapp(1979)提出了大地水準(zhǔn)面及重力異常的反演方法。DouglasetaI(1981)利用GEOS--3高度計(jì)資料并結(jié)合區(qū)域大地水準(zhǔn)面的精確實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，觀(guān)測(cè)到一些強(qiáng)流和中尺度渦漩。1978年，美國(guó)NASA發(fā)射了Seasat—A，所載高度計(jì)的測(cè)高技術(shù)達(dá)到一個(gè)新水平。其儀器測(cè)距精度為10cm，有效波高測(cè)量準(zhǔn)確度為10％，海面風(fēng)速測(cè)量準(zhǔn)確度為2m／s。尤其，Seasat．A衛(wèi)星在其最后25天運(yùn)行期內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)重復(fù)地面軌跡運(yùn)行模式，重復(fù)周期為3天，重復(fù)軌跡偏離范圍小于2km?；赟easat—A的這種運(yùn)行模式，Cheneyetal(1983)提出衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)處理的重復(fù)軌跡分析法，并給出全球海平面變化性分布圖，發(fā)現(xiàn)海平面變化的均方根值在全球海洋大部分水域約5～10cm，而在渦漩活動(dòng)頻繁及主要流系存在的海域則可達(dá)20～40cm。Seasat．A高度計(jì)技術(shù)上的成功，第一次為人們提供了高質(zhì)量、多參數(shù)、同步的全、導(dǎo)言球海洋動(dòng)力環(huán)境空間觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)集。雖然Seasat—A運(yùn)行108天后便因電源故障停止、導(dǎo)言球海洋動(dòng)力環(huán)境空間觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)集。雖然Seasat—A運(yùn)行108天后便因電源故障停止工作，但它卻顯示了衛(wèi)星高度計(jì)技術(shù)的成熟及其海洋學(xué)應(yīng)用的誘人前景。1985年，美國(guó)海軍發(fā)射地球重力衛(wèi)星(Geosat)，衛(wèi)星高度計(jì)開(kāi)始業(yè)務(wù)化運(yùn)行。其使命分為兩個(gè)階段，第一階段自1985年3月至1986年10月，執(zhí)行大地測(cè)量使命(GeodeticMission，簡(jiǎn)稱(chēng)GM)。這階段資料具有軍事價(jià)值，至今仍未全部解禁，僅公開(kāi)了不包含大地水準(zhǔn)面信息的軌跡交叉點(diǎn)海平面高度差數(shù)據(jù)。第二階段自1986年11月至1990年1月，執(zhí)行精確重復(fù)使命(ExactRepeatMission，簡(jiǎn)稱(chēng)ERM)。這階段重復(fù)周期為17天，儀器測(cè)距精度10cm，重復(fù)軌跡偏離范圍在2km以?xún)?nèi)?；贕eosat／ERM資料，衛(wèi)星高度計(jì)的數(shù)據(jù)處理方法和海洋學(xué)應(yīng)用得到進(jìn)一步發(fā)展。Tai(1990)研究了灣流及黑潮擴(kuò)展區(qū)域流軸位置、流幅寬度和最大流速；Marsheta1．(1990)利用衛(wèi)星高度計(jì)進(jìn)行海洋重力場(chǎng)和重力異常的研究；Cartwright＆Ray(1990，1991)利用潮汐響應(yīng)分析法從高度計(jì)資料直接提取大洋海洋潮汐，他們建立的潮汐模式與Schwiderski(1980a，b)潮汐模式并列，后來(lái)為T(mén)OPEx／PosEDON衛(wèi)星高度計(jì)提供潮汐修正。歐洲空間局(BsA)于1991年發(fā)射第一顆歐洲遙感衛(wèi)星(ERS一1)，其上所載高度計(jì)測(cè)距精度為10cm，重復(fù)軌跡偏離范圍縮小到lkm以?xún)?nèi)。根據(jù)不同觀(guān)測(cè)目的，重復(fù)周期分為3天、35天和168天。ERS一1高度計(jì)采用沿軌跡掃描輻射計(jì)微波通道(ATSR／M)探測(cè)水汽數(shù)據(jù)，用于水汽誤差修正。ERS一1高度計(jì)首次對(duì)南北緯72。以上的高緯地區(qū)進(jìn)行了測(cè)量(緯度可達(dá)82。)，并首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)格陵蘭島冰況的監(jiān)測(cè)。ERs一1高度計(jì)35天和168天重復(fù)周期，提供了前所未有的空間采樣分辨率，對(duì)于大中尺度海洋動(dòng)力學(xué)和大地測(cè)量學(xué)的研究具有重要意義。1992年，美國(guó)NASA和法國(guó)空間局(CNES)聯(lián)合發(fā)射TOPE)(／POSEDON衛(wèi)星，裝載了TOPEX和POSEIDON兩顆高度計(jì)。其中TOPEX為第一臺(tái)雙頻高度計(jì)(K。和C)，可更有效地修正大氣電離層對(duì)海平面高度測(cè)量精度的影響。POSEDON一1是一顆實(shí)驗(yàn)性單頻固態(tài)雷達(dá)高度計(jì)，具有功耗低(49瓦)和重量輕(23公斤)的特點(diǎn)。它與TOPEX高度計(jì)共享一根天線(xiàn)，但只占用10％的工作時(shí)間，用于檢驗(yàn)制造輕型高度計(jì)的新技術(shù)。ToPE)(／POSEDON上也裝有微波輻射計(jì)(TMR)，用于水汽修正。TOPEx／POSEDON只有單一的高度計(jì)使命，它的軌道高度為1336km，比其他衛(wèi)星高度計(jì)高很多，這對(duì)于排除大氣拖曳作用，提高衛(wèi)星軌道定位精度有很大幫助。TOPEX／POSEIDON高度計(jì)首次被認(rèn)為不再需要進(jìn)行軌道誤差修正，其測(cè)距精度為2cm(Fu，1994)。衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用第二顆歐洲遙感衛(wèi)星(ERs一2)于1995年發(fā)射，其上所載高度計(jì)的設(shè)計(jì)與衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用第二顆歐洲遙感衛(wèi)星(ERs一2)于1995年發(fā)射，其上所載高度計(jì)的設(shè)計(jì)與ERS—l基本相同，重復(fù)周期為35天。1998年，美國(guó)海軍委托BATC公司(BallAerospace&TechnologiesCorp．)研制并發(fā)射了Geosat的后繼衛(wèi)星高度計(jì)Geosat—Follow—On(GFO)。GFO重復(fù)周期17天，完全沿Geosat軌道運(yùn)行。GFO為單頻高度計(jì)，其電離層測(cè)距修正采用美國(guó)NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(JPL)的全球電離層模式，其濕對(duì)流層測(cè)距修正則依靠水汽輻射計(jì)的同步測(cè)量數(shù)據(jù)。TOPEx，POsEDON的后繼衛(wèi)星Jason-1由NASA和CNES于2001年底發(fā)射，所搭載的高度計(jì)POSEIDON．2是由POSEDON一1發(fā)展而來(lái)，但增加了二個(gè)C波段，因此也是雙頻高度計(jì)。與以往的高度計(jì)相比，POSEIDON一2更輕巧、更便宜，但性能毫不遜色。目前POSEIDON．2正在進(jìn)行為期6個(gè)月的儀器校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)印證。它將完全沿著TOPEX／POSEIDON的軌道運(yùn)行，但在時(shí)間上大約領(lǐng)先1分鐘，即大約超前370km。因此，可以在幾乎相同的條件下，用兩顆衛(wèi)星高度計(jì)對(duì)同一海表區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，可以有效利用TOPEX／POSEIDON數(shù)據(jù)來(lái)校正Jason．1數(shù)據(jù)。2002年，ESA成功發(fā)射大型海洋觀(guān)測(cè)衛(wèi)星Envisat．1。它是ERS系列的后繼衛(wèi)星，其上也搭載了一臺(tái)雙頻高度計(jì)(AdvancedRadarAltimeter，簡(jiǎn)稱(chēng)RA．2)，可工作于3．2GHz(s波段)和13．6GHz(瞄波段)。RA．2可提供320MHz、80MHz和20MX-Iz三種脈沖模式，分別適用于對(duì)海洋、陸冰和海冰的觀(guān)測(cè)。根據(jù)探測(cè)到的地表特征，RA．2可以自動(dòng)進(jìn)行脈沖模式的轉(zhuǎn)換。目前人們可以同時(shí)利用多達(dá)5顆衛(wèi)星高度計(jì)對(duì)全球海洋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，大大提高了觀(guān)測(cè)的時(shí)空分辨率。值得一提的是，隨著地球重力場(chǎng)模型的不斷改進(jìn)，人們重新計(jì)算了定位更加精準(zhǔn)的Seasat和Geosat衛(wèi)星軌道，使其徑向軌道精度分別達(dá)到20cm和10-一20cm，從而提高了這兩顆衛(wèi)星所獲得的海平面高度的精度。這樣，從二十世紀(jì)七十年代到二十一世紀(jì)伊始，衛(wèi)星高度計(jì)已經(jīng)積累了時(shí)間跨度達(dá)25年的全球海洋觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。尤其是二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，國(guó)際上多項(xiàng)衛(wèi)星高度計(jì)發(fā)射計(jì)劃的成功實(shí)施，保證了衛(wèi)星高度計(jì)資料的連續(xù)性。目前，人們主要可以通過(guò)三個(gè)衛(wèi)星系列獲取連續(xù)的、時(shí)空分辨率各有特色的衛(wèi)星高度計(jì)資料，即ERS系列、TOPEx／POSEDON系列和Geosat系列。衛(wèi)星高度計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1-1所示。二十世紀(jì)八十年代以來(lái)已經(jīng)發(fā)射的衛(wèi)星高度計(jì)外觀(guān)如圖1-1所示。1、導(dǎo)言^1、導(dǎo)言^昌蜀 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k4圖1．1二十世紀(jì)八十年代以來(lái)已經(jīng)發(fā)射的衛(wèi)星高度計(jì)圖1．1二十世紀(jì)八十年代以來(lái)已經(jīng)發(fā)射的衛(wèi)星高度計(jì)衛(wèi)星高度計(jì)的發(fā)展一方面表現(xiàn)為測(cè)距精度的提高、數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)以及觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的逐步積累，另一方面則體現(xiàn)在衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的創(chuàng)新。針對(duì)傳統(tǒng)高度計(jì)在應(yīng)用上的局限性，如不能用于陸地、不能有效地進(jìn)行海冰參數(shù)測(cè)量和不能成像測(cè)量等，新的衛(wèi)星高度計(jì)概念應(yīng)運(yùn)而生(Francis&Roca，1998；Elachi，1990；Gdffiths，1988；Purseyyed，1988)，包括有限波束高度計(jì)(Beamwidth—limitedAkimeter)、干涉高度計(jì)(InterferometricAltimeter)、合成孔徑高度計(jì)(SyntheticA口ertureAldmeter)、收發(fā)分置高度計(jì)(BistaticAltimeter)和激光高度計(jì)(LaserARimeter)等。衛(wèi)星高度計(jì)今后一個(gè)重要的對(duì)地觀(guān)測(cè)目標(biāo)是對(duì)極地海冰變化的監(jiān)測(cè)。極地海冰的消融或增長(zhǎng)與全球海平面和全球氣候之變化聯(lián)系密切。目前的衛(wèi)星高度計(jì)由于受制于設(shè)備自身的局限性，在技術(shù)上尚不能對(duì)海冰進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、現(xiàn)有高度計(jì)地面“足跡”太大。由于目前高度計(jì)所發(fā)射的微波波束寬度為1～2。，根據(jù)衛(wèi)星軌道高度的不同，地面“足跡”的直徑為lO～20k．m。也就是說(shuō)，現(xiàn)有高度計(jì)測(cè)量得到的不是某個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而是直徑為10～20krn的一個(gè)區(qū)域的平均值。對(duì)于海洋測(cè)量而言，這種平均是完全可以接受的。然而對(duì)于海冰測(cè)量，卻會(huì)帶來(lái)很大誤差。尤其對(duì)于海冰地形空間變化梯度大的區(qū)域，這種平均所帶來(lái)的誤差可能達(dá)到幾十米。2、信噪比低?，F(xiàn)有高度計(jì)單個(gè)脈沖測(cè)量的信噪比(SNR)很低，通常需要將1000次測(cè)量的回波信號(hào)進(jìn)行平均，才能獲得穩(wěn)定的回波曲線(xiàn)。這也意味著要沿衛(wèi)星運(yùn)行方向作一定的空間平均，會(huì)產(chǎn)生與上述l類(lèi)似的問(wèn)題。、導(dǎo)言3、在冰／海邊界會(huì)丟失數(shù)據(jù)。冰／海邊緣處海冰的融化或凝固對(duì)于全球海平、導(dǎo)言3、在冰／海邊界會(huì)丟失數(shù)據(jù)。冰／海邊緣處海冰的融化或凝固對(duì)于全球海平面變化和氣候變遷有直接的影響?，F(xiàn)有高度計(jì)上的跟蹤電路只適用于表面地形變化較平穩(wěn)的海洋情況，而對(duì)于冰／海交界這種表面突變情況，跟蹤電路常常會(huì)失去跟蹤，造成大量冰／海邊界處的數(shù)據(jù)丟失。星載激光高度計(jì)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)解決上述海冰測(cè)量的技術(shù)問(wèn)題。早在二十世紀(jì)八十年代就已經(jīng)進(jìn)行了這方面的研究，并提出了星載激光高度計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)(Davis．2000)：地面足跡直徑70m，測(cè)距精度lOcm，采樣頻率20Hz(對(duì)應(yīng)地面分辨率350m)，高信噪比發(fā)射脈沖(不需要進(jìn)行多脈沖平均)，能夠精確計(jì)算激光測(cè)量點(diǎn)與星下點(diǎn)的偏離，能夠在三個(gè)半月內(nèi)獲取一千萬(wàn)個(gè)海冰測(cè)量數(shù)據(jù)。目前，在地球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)(EOS)的框架下，美國(guó)NASA正在積極研制地球科學(xué)激光高度計(jì)系統(tǒng)(GeoscienceLaserAltimeterSystem，簡(jiǎn)稱(chēng)GLAS)。這將是第一臺(tái)針對(duì)海冰觀(guān)測(cè)的衛(wèi)星激光高度計(jì)，計(jì)劃于2002年7月發(fā)射。除了激光高度計(jì)外，新的雷達(dá)高度計(jì)技術(shù)也得到深入研究，以獲取陸地或海冰寬刈幅、高空間分辨率(100～300m)的測(cè)量數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，可以采用多波束、多天線(xiàn)或合成孔徑等方法(Raney,1995，1996；Elachi，1990；Barbarossa，1990)。目前最成熟的方法是將合成孔徑概念與干涉技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用到衛(wèi)星高度計(jì)的測(cè)量中(Alberti，1996)。即利用雷達(dá)高度計(jì)和成像海面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移，提高沿方位角的空間測(cè)量分辨率。合成孔徑處理技術(shù)既可以使用k頻段，也可以使用傳統(tǒng)俯視高度計(jì)通常采用的Ku或C頻段。同時(shí)采用干涉技術(shù)獲取測(cè)量刈幅內(nèi)每個(gè)像元的高度信息。即利用兩個(gè)不同天線(xiàn)獲取的同一目標(biāo)的相位差，來(lái)獲取該目標(biāo)的高度。這種干涉的合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)在技術(shù)上可以與傳統(tǒng)高度計(jì)很好地兼容。因此，未來(lái)的新型高度計(jì)可以工作于三種模態(tài)：非成像的海洋模態(tài)(脈沖壓縮方式)、成像的海冰模態(tài)和陸地模態(tài)(有限波束方式)。意大利AleniaSpazio公司在ESA相關(guān)的研究框架下已經(jīng)進(jìn)行了原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)。中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心也正在研制中國(guó)成像高度計(jì)(ChinaImagingAltimeter，簡(jiǎn)稱(chēng)CIALT，Zhangetal，1999)。為了提高衛(wèi)星高度計(jì)海洋采樣的時(shí)空分辨率，可以采用以下幾種方案(Chelton．2001)：衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用1、星群計(jì)劃。使分別載有傳統(tǒng)衛(wèi)星高度計(jì)的若干衛(wèi)星各自按預(yù)先設(shè)定的軌衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用1、星群計(jì)劃。使分別載有傳統(tǒng)衛(wèi)星高度計(jì)的若干衛(wèi)星各自按預(yù)先設(shè)定的軌道運(yùn)行，構(gòu)成星群。這些衛(wèi)星高度計(jì)仍然是對(duì)星下點(diǎn)處海面進(jìn)行采樣，但在時(shí)間和空間上相互彌補(bǔ)，可以極大地提高采樣的時(shí)空分辨率。目前有兩種新技術(shù)可以支持這種造價(jià)低、風(fēng)險(xiǎn)小的多衛(wèi)星高度計(jì)方案。一是WITTEX(WaterInclinationTopographyandTechnologyExperiment)技術(shù)。WITTEX是基于延遲多普勒技術(shù)，可以利用低能量、雙頻高度計(jì)提供高頻率、小“足跡”的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。如圖1．2所示，WITTEX包括三顆小衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)，他們的地面軌跡近似相互平行，側(cè)向間距數(shù)百公里。在橫切軌跡方向，三顆衛(wèi)星高度計(jì)采樣的時(shí)間間隔只有數(shù)分鐘。因此，既可以獲取沿軌跡方向的海面傾斜，也可以獲取橫切軌跡方向的海面傾斜，從而可以得到直接測(cè)量的二維海表地轉(zhuǎn)流場(chǎng)。二是AltiK|a技術(shù)，它采用35GHz的k頻段電磁波進(jìn)行測(cè)量，在該頻率上電離層的影響可以忽略不計(jì)，因此可以利用造價(jià)相對(duì)較低的單頻高度計(jì)進(jìn)行小“足跡”觀(guān)測(cè)。法國(guó)空間局CNES計(jì)劃于2004年以后，利用微小衛(wèi)星，實(shí)施AltiKa計(jì)劃。圖1-2WITTEX技術(shù)原理圖2、采用干涉的合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)技術(shù)。刈幅以衛(wèi)星地面軌跡為中心，寬度為200km，其空間采樣原理如圖1—3所示。目前進(jìn)行的仿真結(jié)果和原理樣機(jī)的研制已經(jīng)顯示出該方案激動(dòng)人心的潛力，它有望成為人類(lèi)未來(lái)獲取全球高精度海面動(dòng)力高度的有效工具。美國(guó)NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(JPL)正在籌備寬刈幅海洋高度計(jì)(WideSwathOceanAltimetry)計(jì)劃，并將在Jason一2上進(jìn)行其原理性實(shí)驗(yàn)。、導(dǎo)言圖1—3干涉雷達(dá)高度計(jì)空間采樣原理、導(dǎo)言圖1—3干涉雷達(dá)高度計(jì)空間采樣原理3、采用GPS技術(shù)。通過(guò)分析利用GPS衛(wèi)星所發(fā)射電磁波的反射信號(hào)，來(lái)獲取全球高分辨率海平面高度。雖然這種利用GPS反射信號(hào)的測(cè)高技術(shù)尚未成熟，但前景誘人。隨著GPS測(cè)高術(shù)的進(jìn)～步發(fā)展，它可能會(huì)成為測(cè)量精度最高的一種方法。1．2衛(wèi)星高度計(jì)的海洋學(xué)應(yīng)用衛(wèi)星高度計(jì)是發(fā)展最早、迄今最成熟的海洋微波遙感器。其資料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量學(xué)和海洋動(dòng)力學(xué)。本文僅對(duì)衛(wèi)星高度計(jì)的海洋應(yīng)用加以介紹。衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)得的海平面高度主要由海洋大地水準(zhǔn)面和海洋動(dòng)力高度組成。海洋動(dòng)力高度與海流、渦漩等海洋動(dòng)力過(guò)程有密切聯(lián)系，是反演～系列海洋動(dòng)力參數(shù)的基礎(chǔ)，其量級(jí)約為lm。然而，衛(wèi)星高度計(jì)海洋應(yīng)用的一個(gè)桎梏是缺少高精度海洋大地水準(zhǔn)面。迄今最好的海洋大地水準(zhǔn)面模式計(jì)算水平只能達(dá)到在2000km空間尺度上，精度為10cm(Park&Gamberoni，1995)。因此長(zhǎng)期以來(lái)，衛(wèi)星高度計(jì)資料雖然已被廣泛應(yīng)用于大洋環(huán)流的研究(Lerchetal，1982；Marshetal，1990)，但要從高度計(jì)觀(guān)測(cè)資料確定中尺度(空間尺度小于500km)絕對(duì)動(dòng)力高度一直有困難(Fu，2001)。精確大地水準(zhǔn)面的獲取有望在近期得到根本解決(Fu，2001)。2000年7月15日，德國(guó)空間局(DLR)等單位聯(lián)合成功發(fā)射了致力于地球科學(xué)研究與應(yīng)用的“挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星載荷”(CHAllengingMini—satellitePayload，簡(jiǎn)稱(chēng)CHAMP)。美國(guó)NASA和德國(guó)DLR正在聯(lián)合進(jìn)行一項(xiàng)名為“重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒?yàn)(GravityRecoveryandClimateExperiment，簡(jiǎn)稱(chēng)GRACE)”的衛(wèi)星計(jì)劃，該衛(wèi)星計(jì)劃于衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用2002年發(fā)射。GRACE將采用一對(duì)繞地球低空飛行的衛(wèi)星，其相對(duì)距離可以通過(guò)衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用2002年發(fā)射。GRACE將采用一對(duì)繞地球低空飛行的衛(wèi)星，其相對(duì)距離可以通過(guò)GPS和一套微波測(cè)距系統(tǒng)精確測(cè)定。GRACE可以在200km的空間尺度上獲得精度優(yōu)于lcm的大地水準(zhǔn)面。另外，ESA正在致力于發(fā)展～個(gè)名為“重力場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)海流探測(cè)器”(GravityFieldandSteady-stateOceancirculationExplorer，簡(jiǎn)稱(chēng)GOCE)的衛(wèi)星計(jì)劃，該衛(wèi)星擬于2004年發(fā)射。GOCE可以獲取100kin尺度上精度優(yōu)于lcm的大地水準(zhǔn)面起伏。空間尺度優(yōu)于100km的大地水準(zhǔn)面信息有助于揭示邊界流、南極繞極流和中尺度渦漩的許多細(xì)節(jié)。以上這些地球重力衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃將極大改善人們對(duì)于地球重力場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，可以使人們能夠直接從衛(wèi)星高度計(jì)資料中提取絕對(duì)海洋動(dòng)力高度，并進(jìn)而獲取海表地轉(zhuǎn)流場(chǎng)的信息(Tapley&Kim，2001)。這些信息可以為海洋模式以及海洋／大氣耦合模式提供有利的邊界條件，以模擬和預(yù)報(bào)全球海洋環(huán)境年際和十年尺度變化。由于高度計(jì)對(duì)同一星下點(diǎn)海平面可實(shí)現(xiàn)精確重復(fù)測(cè)量，因此也可以通過(guò)分析海平面高度的時(shí)變成分，亦即分析海平面的時(shí)間變化性(TemporalVariability)，來(lái)研究海洋動(dòng)力過(guò)程。如渦漩引起的海平面變化(Douglasetal，1981；Cheney，1983；Fu，1983；Parketal,1995)。這是一種不涉及大地水準(zhǔn)面的研究方法。長(zhǎng)期以來(lái)，驗(yàn)潮站水位資料獲取的海平面變化性被認(rèn)為十分有助于研究各種時(shí)空尺度的海洋過(guò)程，如海洋潮汐、內(nèi)波、海流引起的海面波動(dòng)、海洋對(duì)大氣驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)、行星波等。但是，驗(yàn)潮站主要集中分布于大陸沿岸和大洋中零散的島嶼上，空間分布不但稀疏，且極不均勻。衛(wèi)星高度計(jì)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題(Fu，2001)。在固定時(shí)間區(qū)間內(nèi)，衛(wèi)星高度計(jì)可以提供全球海洋大約50萬(wàn)個(gè)分布均勻的海平面變化性數(shù)據(jù)，藉此可對(duì)各種尺度的海洋動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行研究：1、大尺度環(huán)流(Rappelal，1996)。通常指空間尺度在500kin以上的海盆尺度環(huán)流，包括大洋東邊界流速較慢、流向赤道的東邊界流，大洋西邊界流速較快、流束較窄、流向高緯的所謂西邊界流以及貫穿南大洋的南極繞極流等。2、中尺度海洋動(dòng)力過(guò)程(Fu&Cheney，1995)。通常指典型空間尺度在50～500kin，典型時(shí)間尺度在10～100天的海洋動(dòng)力過(guò)程，包括海流、渦漩、鋒面、射狀流、彎曲、流環(huán)、暖絲和波動(dòng)等。中尺度海洋動(dòng)力過(guò)程的發(fā)生在海洋中非常普遍。以上大、中尺度海洋動(dòng)力過(guò)程所體現(xiàn)的時(shí)間變化性具有多種形成機(jī)制，如海洋對(duì)大氣作用的響應(yīng)，包括風(fēng)應(yīng)力、大氣壓力和海氣交換。厄爾尼諾一南方濤動(dòng)(ENSO)等引起的氣候變化也會(huì)對(duì)海洋動(dòng)力過(guò)程產(chǎn)生巨大影響。因此，也可以1、導(dǎo)言通過(guò)衛(wèi)星高度計(jì)對(duì)海洋動(dòng)力過(guò)程變化的觀(guān)測(cè)，來(lái)洞察氣候的變遷(Fu，2001)。1、導(dǎo)言通過(guò)衛(wèi)星高度計(jì)對(duì)海洋動(dòng)力過(guò)程變化的觀(guān)測(cè)，來(lái)洞察氣候的變遷(Fu，2001)。衛(wèi)星高度計(jì)反演的高精度海平面高度可直接用于海平面變化研究(Ekmanetn，．1990：Anzenhoferetal，1998)。由于溫室氣體的增加，二十世紀(jì)被認(rèn)為是全球變暖的一百年。是否會(huì)因此造成全球海洋熱膨脹以及格陵蘭島和極地海冰的融化，進(jìn)而使得全球海平面上升，是人們關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。Douglas(1991)通過(guò)分析60年的驗(yàn)潮站資料，認(rèn)為全球海平面正在以1．8±O．Imm／year的速度上升。與驗(yàn)潮站水位資料相比，衛(wèi)星高度計(jì)對(duì)海平面變化的測(cè)量既有其優(yōu)勢(shì)(如基準(zhǔn)點(diǎn)固定，可測(cè)量大面積海域海平面上升的平均狀況等)，也有其特有的不足(如樣本時(shí)間序列短，各種修正項(xiàng)可能會(huì)引入長(zhǎng)周期誤差等)。但衛(wèi)星高度計(jì)畢竟為全球和區(qū)域性海平面變化研究提供了一個(gè)新的技術(shù)手段。特別是TOPEX／POSEIDON成功發(fā)射后，由于不需要進(jìn)行軌道誤差修正，其對(duì)全球海平面變化評(píng)估的可信度大大提高。Nerem(2001)利用6年的TOPEⅪPOSEDON數(shù)據(jù)計(jì)算得出全球海平面的上升速率為2．5±1．3mm／year。在利用高度計(jì)資料進(jìn)行區(qū)域性海平面變化研究時(shí)，往往更容易受到環(huán)境誤差項(xiàng)的影響。如研究淺海海平面變化時(shí)，最大的一個(gè)誤差源就是剩余的潮汐誤差。隨著測(cè)高精度的不斷改善，衛(wèi)星高度計(jì)資料已被成功用于深水大洋的潮汐提取，這為測(cè)定整個(gè)大洋潮高的空間分布提供了迄今唯一可行的技術(shù)手段。它不僅可以直接服務(wù)于海洋潮汐學(xué)研究，而且為高度計(jì)資料自身的潮汐修正又開(kāi)辟了一條嶄新的途徑(Carr刪atetal，1990，1991；Andersen，1995；Desai，1995；Matsunoto，1995；Sanchez，1995)。目前已經(jīng)建立了十幾種全球潮汐模式，表1—2列出了這些模式計(jì)算的大洋主要分潮與102個(gè)驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)值的比較(Provost，2001)。這些模式除了SCH80(Schwiderski，1980a，b)和FES94．1(Provost，1994)外，都使用了高度計(jì)資料。從表1—2可以看出，全球潮汐模式的精度不斷提高，1994和1995年以后各種潮汐模式計(jì)算結(jié)果趨于一致，顯示了大洋潮汐提取方法的成熟?；谝陨夏Ｊ疆a(chǎn)生的各種潮汐產(chǎn)品被廣泛地應(yīng)用于地球自轉(zhuǎn)、潮汐負(fù)載效應(yīng)、潮流和潮汐能量等領(lǐng)域的研究。值得指出的是，在水深較淺的近岸邊緣海，如西北歐陸架淺海和我國(guó)陸架淺海，由于潮波系統(tǒng)空間分布復(fù)雜、潮波空間尺度小，水位梯度大，因此全球潮汐模式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差距較大，精度明顯降低。例如主要分潮M2、s2、K1和01的反演精度在大洋可以分別達(dá)到1．82～3．06cm、1．15～2．29cm、1．16～1．97cm、1．00～1．28cm(Anderson，1995)，在東中國(guó)海分別為10cm、10cm、10．8cm、5cm，在中國(guó)南海分別為13cm、5cm、12cm、llcm(Mazzega&Berge．1994)。O衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用表1-2全球潮汐模式結(jié)果與102個(gè)驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)值的比較(Provost，2001)衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用表1-2全球潮汐模式結(jié)果與102個(gè)驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)值的比較(Provost，2001)衛(wèi)星高度計(jì)還是目前唯一能夠長(zhǎng)時(shí)間、同步獲取海洋風(fēng)、浪信息的空間遙感器。傳統(tǒng)的海上風(fēng)、浪觀(guān)測(cè)主要依靠浮標(biāo)、調(diào)查船、沿岸站、島嶼站以及船舶報(bào)等常規(guī)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，這是人類(lèi)認(rèn)識(shí)區(qū)域性或全球海洋風(fēng)浪場(chǎng)所不可或缺的重要手段。然而，常規(guī)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)海洋風(fēng)浪場(chǎng)采樣的時(shí)空分辨率參差不齊，而且還有大面積海域?yàn)檎{(diào)查船所難以涉足，因此不能滿(mǎn)足海洋研究和海上業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。隨著衛(wèi)星高度計(jì)技術(shù)上的成熟，為海洋風(fēng)、浪的監(jiān)測(cè)和研究提供了新的資料來(lái)源。迄今，人類(lèi)已經(jīng)積累了Geosat、ERS一1、TOPX／POSEIDON和ERS一2等4顆衛(wèi)星高度計(jì)多年有效波高和海面風(fēng)速的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。由于每個(gè)高度計(jì)的采樣方式、儀器制造和數(shù)據(jù)處理有所不同，因此所獲取的數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)性差異，需要利用相同的實(shí)測(cè)資料對(duì)每個(gè)高度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)(Cotton，1997a，Lefevre＆Cotton，2001)。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的高度計(jì)風(fēng)浪資料可以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并廣泛地應(yīng)用于全球海況監(jiān)測(cè)、海浪預(yù)報(bào)模式中的數(shù)據(jù)同化和印證、熱帶氣旋監(jiān)測(cè)、海岸工程、海洋波侯和風(fēng)侯的季節(jié)性與年際變化特征提取等領(lǐng)域(Fradonetal，2000；Lefevreetal，1998：Cotton，1997b)。另外，由于二氧化碳在海．氣界面的交換速率與海面風(fēng)速密切相關(guān)(Liss&Merlivat，1986；Tansetal，1990)，而衛(wèi)星高度計(jì)迄今已經(jīng)獲取了十年尺度的海面風(fēng)速資料，因此高度計(jì)測(cè)量的海面風(fēng)速可用于計(jì)算二氧化碳在海一氣界面的交換系數(shù)，并結(jié)合海洋／大氣二氧化碳偏壓差資料，估算二氧化碳在海一氣界面的通量。最新研究結(jié)果表明(Nelsonetal，2001)，TOPEX／POSEIDON雙頻高度計(jì)測(cè)量的兩個(gè)后向散射系數(shù)盯。0。和盯：通過(guò)參數(shù)化結(jié)合，可以為二氧化碳在海．氣界面交換系數(shù)的計(jì)算提供一種全新算法。衛(wèi)星高度計(jì)資料還被廣泛地應(yīng)用于海洋降雨、大洋水深、冰邊界和冰貌的研究(Chenetal，1997，Colton，1983；Dixonetal，1983；Wneetal，1983；Bamber，1994a．b)。1、導(dǎo)言有關(guān)衛(wèi)星高度計(jì)研究與應(yīng)用的論文專(zhuān)集見(jiàn)表1—3。1、導(dǎo)言有關(guān)衛(wèi)星高度計(jì)研究與應(yīng)用的論文專(zhuān)集見(jiàn)表1—3。表1-3衛(wèi)星高度計(jì)研究專(zhuān)輯衛(wèi)星名稱(chēng) 雜志名稱(chēng) 卷號(hào)、年份GEoS．3 美國(guó)《地球物理研究雜志》 V01．84∞8)，1979V01．87(c5)，1982Seasat 美國(guó)《地球物理研究雜志》 V01．88(C3)，1983V01．95(C3)，1990GCOSat 美國(guó)《地球物理研究雜志》V01．95(ClO)，1990TOPEⅪ美國(guó)《地球物理研究雜志》 V01．99(C12)，1994POSEⅡ)ON V01．100(C12)，1995第一次ERS衛(wèi)星專(zhuān)題研討會(huì)論文集 ESA，ReportSP-359，1992年11月，嘎納第二次ERS衛(wèi)星專(zhuān)題研討會(huì)論文集 ESA-ReportSP一361。1993年10月，漢堡ESA—RepoaSP-365，ERS．1，2 第一次ERS應(yīng)用Workshop論文集 1994年10月，托萊多第二次ERS應(yīng)用Workshop論文集 ESA-ReportSP-383，1995年12月，倫敦第三次ERS衛(wèi)星專(zhuān)題研討會(huì)論文集 ESA—ReportSP-4141997年3月，佛羅倫薩ERS／Envisat專(zhuān)題研討會(huì)論文集 ESA-RepogSP-4612000年10月，哥德堡1．3 論文框架與思路與衛(wèi)星高度計(jì)資料在全球深水大洋廣泛應(yīng)用形成鮮明對(duì)照的是，衛(wèi)星高度計(jì)資料在邊緣淺海的使用一直遇到困難。這主要是由于受到淺水潮波的影響，在淺海潮汐信號(hào)作為一項(xiàng)重要的環(huán)境誤差不能被精確計(jì)算并從衛(wèi)星高度計(jì)海平面資料中去除。雖然目前已發(fā)展了多種全球潮汐模式為高度計(jì)的海平面高度數(shù)據(jù)提供潮汐修正，并且這些模式在深水大洋的準(zhǔn)確性已得到證實(shí)，但由于在淺海水域潮波信號(hào)受海底地形的影響發(fā)生較大畸變，使得現(xiàn)有全球潮汐模式在淺水海區(qū)潮高預(yù)報(bào)的精度降低，潮汐修正后的剩余誤差仍大大高于海洋動(dòng)力信號(hào)的幅度，使其成為高度計(jì)數(shù)據(jù)在淺海使用的一個(gè)嚴(yán)重桎梏。中國(guó)陸架淺海是世界上最大的陸架水域之一，水深一般不超過(guò)200米。因此，衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)淺海的潮汐修正是其能否在我國(guó)海域得到應(yīng)用的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵，也是我國(guó)海域海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)以及災(zāi)害性海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)能否受益于衛(wèi)星測(cè)高這一高新技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。圖1—3為1992年4月～1993年12月ERS一1衛(wèi)星高度計(jì)獲取的經(jīng)全球潮汐模式(Schwiderski，1980a’b)修正后的海平面變化性(即時(shí)間序列海平面。、，o—衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和青t塑堂堂堡旦衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和青t塑堂堂堡旦高度異常的均方根值)，在中國(guó)陸架海區(qū)顯示出不合理的高值，達(dá)15～35cm，幾乎與黑潮擴(kuò)展區(qū)域相當(dāng)。圖1—3全球潮汐模式修正后的平均海平面變化性(ERS．1／AIT)-●■‘‘___’一當(dāng)前我國(guó)學(xué)者對(duì)于衛(wèi)星高度計(jì)海平面高度資料的應(yīng)用主要側(cè)重于深水海區(qū)(潘家棉等，1995；董明昌等，1996)。青島海洋大學(xué)海洋遙感研究所在“八五”期間承擔(dān)中國(guó)／歐空局政府間科技合作項(xiàng)目“ERS一1衛(wèi)星在中國(guó)海和西北太平洋的研究和印證”過(guò)程中，就此曾專(zhuān)門(mén)進(jìn)行過(guò)研究，取得了重要進(jìn)展(He&Chen，1998)。其方法主要是利用我國(guó)潮汐研究的最新成果(方國(guó)洪等，1994；趙保仁、方國(guó)洪等，1994)，對(duì)中國(guó)海主要分潮的潮高分布進(jìn)行預(yù)報(bào)，然后將預(yù)報(bào)值內(nèi)插到高度計(jì)星下采樣點(diǎn)處，為衛(wèi)星高度計(jì)資料提供潮汐校正。該方法獲得的海平面高度之精度明顯優(yōu)于利用全球潮汐模式修正后的結(jié)果。并且由此得出的海平面變化性已可初步反映出中國(guó)陸架淺海的一些動(dòng)力特征，如長(zhǎng)江沖淡水舌軸的變化。然而，由于受模式輸出的限制，在He＆Chen(1998)的研究中，只對(duì)最大的日潮(M2)和最大的半日潮(Kl、01)進(jìn)行了較為精確的去除，而其他分潮則利用相關(guān)法和固定的差比值來(lái)近似求解，所以在渤、黃、東海，尤其是近岸水域，殘留潮汐信號(hào)依然較大，這體現(xiàn)出中國(guó)淺海潮波傳播的復(fù)雜性。本文提出了為T(mén)OPEX／POSEIDON和ERS衛(wèi)星高度計(jì)海平面高度資料進(jìn)行潮汐修正的改進(jìn)方法，并利用現(xiàn)場(chǎng)資料進(jìn)行了印證。同時(shí)，有效波高和海面風(fēng)速是衛(wèi)星高度計(jì)另外兩個(gè)重要的測(cè)量數(shù)據(jù)，本文對(duì)其在研究海區(qū)的測(cè)量精度進(jìn)行了、導(dǎo)言印證與分析，并將經(jīng)過(guò)修正的有效波高和海面風(fēng)速資料用于中國(guó)海和西北太平洋、導(dǎo)言印證與分析，并將經(jīng)過(guò)修正的有效波高和海面風(fēng)速資料用于中國(guó)海和西北太平洋氣候平均的風(fēng)、浪特征和海氣交換研究。經(jīng)過(guò)修正的衛(wèi)星高度計(jì)海平面高度資料還用于若干海洋和大氣問(wèn)題的應(yīng)用研究。本文的主要工作如下：1、利用軌道定位精度較高的TOPEX／POSEIDON衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)ERS衛(wèi)星高度計(jì)進(jìn)行徑向軌道誤差修正，使ERS衛(wèi)星高度計(jì)軌道精度達(dá)到TOPEX／POSEDON的水平；(第三章)2、利用調(diào)和分析法和對(duì)潮汐進(jìn)行分析的_，、v模型獲取中國(guó)海主要分潮(振幅>5cm)的調(diào)和常數(shù)，并給出中國(guó)海主要日潮和半日潮差比值的地理分布。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)海二維非線(xiàn)性潮波動(dòng)力學(xué)模式對(duì)中國(guó)海主要潮汐的潮高進(jìn)行預(yù)報(bào)，為衛(wèi)星高度計(jì)海平面高度資料提供潮汐修正。利用實(shí)測(cè)資料，對(duì)有關(guān)的潮汐算法和衛(wèi)星高度計(jì)反演的海平面高度進(jìn)行了印證；(第四章)3、利用浮標(biāo)資料，對(duì)TOPE)(／POSEDON衛(wèi)星高度計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)和有效波高資料進(jìn)行印證，提出其在研究海區(qū)的修正模型。在此基礎(chǔ)上，分析了中國(guó)海和西北太平洋海面風(fēng)場(chǎng)和浪場(chǎng)的季節(jié)性、年際和氣候平均的變化規(guī)律：(第五章)4、1993～1999年中國(guó)海和西北太平洋海平面上升趨勢(shì)的研究。經(jīng)過(guò)對(duì)這段時(shí)間衛(wèi)星高度計(jì)海平面高度資料的分析，指出1993 1999年間，無(wú)論中國(guó)海還是西北太平洋整體，海平面均呈上升趨勢(shì)。給出了中國(guó)海各個(gè)海區(qū)以及西北太平洋海平面的上升速率；(第六章)5、黑潮變異與E1Nifio事件的關(guān)系研究。發(fā)現(xiàn)了1992～2001年期間，在每次E1Nifio事件到來(lái)的前一年，ERS和TOPEX／POSEDON衛(wèi)星高度計(jì)獲取的土噶拉海峽海面斜率都會(huì)出現(xiàn)異常高值。結(jié)合衛(wèi)星高度計(jì)和散射計(jì)獲取的PN斷面黑潮流量和副熱帶高壓風(fēng)應(yīng)力渦度資料對(duì)其形成機(jī)制進(jìn)行了研究。指出土噶拉海峽海面斜率可能會(huì)成為預(yù)報(bào)E1Nifio事件到來(lái)的一個(gè)指征：(第七童)6、將衛(wèi)星高度計(jì)氣候平均的海面風(fēng)場(chǎng)資料用于C02在海．氣界面的通量研究。結(jié)合WOCE計(jì)劃現(xiàn)場(chǎng)資料，提出了計(jì)算C02在海一氣界面交換的新模式，得出了COz在研究海區(qū)海一氣界面的通量分布，分析了研究海區(qū)相對(duì)于大氣C02的主要源區(qū)和匯區(qū)。并將有關(guān)結(jié)果與我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目“東海海洋通量關(guān)鍵過(guò)程研究”的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)論進(jìn)行了比較。(第八章)4衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用第二章衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海洋參數(shù)的原理及其數(shù)據(jù)處理衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用第二章衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海洋參數(shù)的原理及其數(shù)據(jù)處理2．1衛(wèi)星高度計(jì)的工作原理衛(wèi)星高度計(jì)是一種星載微波雷達(dá)，通常由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、時(shí)間系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。衛(wèi)星高度計(jì)通常采用直徑為O．6～lm的拋物型天線(xiàn)，發(fā)射功率2KW，作用距離800kin。工作頻率一般選在2～18GHz，包括S波段(1．55--4．20GHz)、C波段(4．20～5．75GHz)、X波段(5．75～10．9GHz)和Ku波段(10．9～22．0GHz)。迄今已經(jīng)發(fā)射的單頻衛(wèi)星高度計(jì)工作頻率選擇在約13．9GHz的‰波段，而雙頻高度計(jì)則增加了一個(gè)頻率為5．3GHz的c波段。在衛(wèi)星高度計(jì)的工作頻段內(nèi)，海水對(duì)微波的反射率較高。當(dāng)微波頻率高于18GHz時(shí)，由于大氣吸收作用，衛(wèi)星高度計(jì)接收的海面返回信號(hào)明顯減弱；而頻率低于2GHz時(shí)，由于電離層引起的電磁波輻射法拉第旋轉(zhuǎn)和折射效應(yīng)，以及地面通訊、導(dǎo)航和雷達(dá)等軍用或民用電磁波輻射所引起的干擾都會(huì)增加。lineRelativetl／2(nsec)圖2一l衛(wèi)星高度計(jì)回波信號(hào)隨接收時(shí)間的變化衛(wèi)星高度計(jì)的工作原理如下：發(fā)射機(jī)通過(guò)天線(xiàn)以一定的脈沖重復(fù)頻率(PRF)向地球表面發(fā)射調(diào)制后的壓縮脈沖，經(jīng)海面反射后，由接收機(jī)接收返回脈沖。根據(jù)發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間差以及返回脈沖上升沿的斜率，可以獲得衛(wèi)星到海面的距離和有效波高。衛(wèi)星高度計(jì)接收的返回脈沖能量取決于微波在海表面的散射特性、雷達(dá)參數(shù)和大氣吸收效應(yīng)。微波在海表面的散射特性又取決于海面粗糙度，后者與海面風(fēng)場(chǎng)直接有關(guān)。根據(jù)這種關(guān)系，可以測(cè)量海面風(fēng)速。衛(wèi)星高度計(jì)接收的回波信號(hào)如圖2-1所示。衛(wèi)星高度計(jì)發(fā)射的微波波束寬約1。左右，作用范圍為星下點(diǎn)處直徑約10～20km的海面。因此，衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)得的海平面高度是衛(wèi)星到這個(gè)直徑為10～20km圓形海面的平均距離。衛(wèi)星高度計(jì)發(fā)出的測(cè)距尖脈沖之傳播速度為3×105km／s，則lcm的測(cè)距精度要求30ps的時(shí)間測(cè)量精度，時(shí)2、衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海洋參數(shù)的原理及其數(shù)據(jù)處理鐘設(shè)備的穩(wěn)定性要優(yōu)于10’8(約每三年誤差一秒)。這樣高的時(shí)間分辨率要求導(dǎo)致2、衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海洋參數(shù)的原理及其數(shù)據(jù)處理鐘設(shè)備的穩(wěn)定性要優(yōu)于10’8(約每三年誤差一秒)。這樣高的時(shí)間分辨率要求導(dǎo)致的困難是寬頻帶。解決這一問(wèn)題的方法是，對(duì)從海面返回的回波信號(hào)進(jìn)行多次采樣，使回波信號(hào)擬合于一條平滑曲線(xiàn)。為了提高返回脈沖信號(hào)的信噪比，通常采用對(duì)1000個(gè)接收脈沖進(jìn)行平均。衛(wèi)星高度計(jì)設(shè)計(jì)的技術(shù)問(wèn)題之一，是用多大的海表面積來(lái)確定衛(wèi)星與海平面之間的距離，亦即確定衛(wèi)星高度計(jì)星下點(diǎn)“足跡”的大小。該足跡要具備既“大”又“小”的特點(diǎn)?！按蟆笔侵笐?yīng)該能濾除海表重力波的影響；“小”是指要保留羅斯貝變形半徑，以保留海洋斜壓中尺度變化特征。羅斯貝變形半徑在低緯地區(qū)大，高緯地區(qū)小。在赤道處為1500km，在緯度600的地方約60km。同時(shí)為了簡(jiǎn)化雷達(dá)方程，也需要衛(wèi)星高度計(jì)星下點(diǎn)足跡足夠小，以使得在足跡范圍內(nèi)，由波浪和風(fēng)引起的海面粗糙度大體均勻。直徑為1～10km的地面足跡能夠滿(mǎn)足以上要求。為了保證衛(wèi)星高度計(jì)的接收脈沖來(lái)自海面足夠小的表面元，采用脈沖有限工作方式。天線(xiàn)發(fā)射的窄脈沖以球面波形式向地表傳播，其前沿首先照明波前與海面相交的一點(diǎn)，受照區(qū)逐漸擴(kuò)大為一個(gè)圓盤(pán)，繼而成為半徑生長(zhǎng)著的環(huán)帶，環(huán)帶寬度逐漸減小，面積卻保持不變。如圖2-2所示。環(huán)帶周長(zhǎng)與sin0成正比，徑向厚度與1／sin0成正比，一直到球形波后沿到達(dá)海面。這里0為天線(xiàn)波束寬度。在整個(gè)過(guò)程中，高度計(jì)接收機(jī)不斷接收返回的脈沖能量。在受照環(huán)帶生成之前，接收信號(hào)的能量與海面受照區(qū)域的面積成正比，迅速增加；受照環(huán)帶生成以后，接收信號(hào)的能量保持不便，直到受照環(huán)帶增長(zhǎng)至雷達(dá)波束的邊緣才開(kāi)始減弱。海面受照半徑為y^=(2hct'A1鏟,2p2毪攔其中hl『3為有效波高，t。為發(fā)射的短脈沖長(zhǎng)度，c為電磁波傳播速度，h為衛(wèi)星高度。如果海表面不是平坦的，而是由許多均勻分布的散射點(diǎn)組成，則回波信號(hào)生長(zhǎng)時(shí)間要長(zhǎng)一些，因?yàn)槎堂}沖需要更長(zhǎng)的時(shí)間與所有散射點(diǎn)接觸。對(duì)于平靜海面，^／3=o，t：即為壓縮脈沖作用時(shí)間(如3納秒)。可見(jiàn)，波高值越大，回波信號(hào)達(dá)到最大值的時(shí)間越長(zhǎng)。圖2-1也說(shuō)明了這一點(diǎn)。如果海面風(fēng)浪較大，不僅照明區(qū)內(nèi)起始時(shí)刻的斑點(diǎn)變大，而且脈沖返回的持續(xù)時(shí)間也會(huì)增長(zhǎng)。這種增長(zhǎng)可由回波信號(hào)的前沿斜坡區(qū)上觀(guān)測(cè)出來(lái)。因而，從回波波形中可以研究海面有效波高。此外，海面風(fēng)速對(duì)回波也產(chǎn)生影響。風(fēng)速越大，返回的回波幅度越小。這一點(diǎn)直接反映在接收機(jī)的自動(dòng)增益控制(AGC)值的變化上。衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用圖2。2衛(wèi)星高度計(jì)的發(fā)射脈沖與海表面相互作用衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用圖2。2衛(wèi)星高度計(jì)的發(fā)射脈沖與海表面相互作用衛(wèi)星高度計(jì)設(shè)計(jì)的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是如何使這樣短的尖脈沖具有足夠的功率，以便能夠測(cè)量回波信號(hào)的強(qiáng)度。目前衛(wèi)星高度計(jì)的測(cè)距脈沖發(fā)射前都經(jīng)過(guò)脈沖壓縮技術(shù)處理，即先產(chǎn)生一個(gè)3納秒的尖脈沖，使其經(jīng)過(guò)色散濾波器后成為一個(gè)脈沖寬度長(zhǎng)得多的掃描頻率脈沖，該掃描頻率脈沖所攜帶的信息量與原尖脈沖相同，卻具有更多的能量。對(duì)于回波信號(hào)再經(jīng)過(guò)逆濾波器使其被壓縮，重新恢復(fù)原來(lái)的尖脈沖形狀。這種脈沖壓縮技術(shù)沒(méi)有改變高度計(jì)的設(shè)計(jì)原理，卻使發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。從以上分析看出，衛(wèi)星高度計(jì)能給出三種基本的觀(guān)測(cè)量：l、微波在衛(wèi)星和海面間的往返時(shí)間出。由出可計(jì)算出衛(wèi)星到瞬時(shí)海面的距離，并進(jìn)而獲得海平面高度；2、回波信號(hào)的斜率k。由k可獲得海面有效波高；3、回波信號(hào)的幅度或自動(dòng)增益控制(AutomaticGainControl，簡(jiǎn)稱(chēng)AGC)值。由此可確定海面后向散射系數(shù)鞏，并進(jìn)而獲得海面風(fēng)速。172、衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海洋參數(shù)的原理及其數(shù)據(jù)處理2．22、衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海洋參數(shù)的原理及其數(shù)據(jù)處理2．2 衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海平面高度及其誤差源2．2．1 衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海平面高度圖2-3衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量示意圖圖2-3為衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海平面高度示意圖。理想情況下，衛(wèi)星高度計(jì)的測(cè)量結(jié)果為衛(wèi)星到瞬時(shí)海面的距離，即有，(2—1)‰=c坐2其中 c為電磁波在真空介質(zhì)中的傳播速度；△r為雷達(dá)脈沖往返于衛(wèi)星到海面之間所需要的時(shí)間；k為衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量的衛(wèi)星質(zhì)心相對(duì)于瞬時(shí)海面的高度。衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海平面高度的基準(zhǔn)面是人為定義的參考橢球面。參考橢球面是對(duì)地球表面的～級(jí)近似。對(duì)于不同的衛(wèi)星高度計(jì)，參考橢球面是不一樣的。TOPEx／P0sEDON使用的參考橢球面赤道半徑6378．1363km，橢率為1／298．257，而ERS衛(wèi)星高度計(jì)使用的參考橢球面赤道半徑6378．1370km，橢率為1／298．257。衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)摩用衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)摩用衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海平面高度的實(shí)際過(guò)程受許多因素的影響，例如大氣、海況和海洋潮汐等的影響，必須從式(2—1)消除這些影響。如果h。枷為衛(wèi)星相對(duì)于參考橢球面的高度，‰L姍為大氣氣壓引起海面的變化(InverseBarometer)，hr為潮汐修正項(xiàng)，h。^為基于參考橢球面的瞬時(shí)海面高度，占為測(cè)量噪聲。則有，h。^=horbn一(h。n—Ah)一h。，k，一hr—s (2—2)式(2-2)中的幽表示微波傳輸時(shí)仍然要受到大氣電離層(^iono)、大氣干對(duì)流層(^卻抑)、大氣濕對(duì)流層(hwe，_fw)以及海浪引起的電磁偏差(hesi。)的影響，所造成的測(cè)距偏差可表示為，Ah=h。+^卻一腳+^。f一％P+hE一口m (2—3)潮汐修正包括固體潮汐(SolidEarthTide)、極潮(PoleTide)和海洋潮汐(ElasticOceanTide)引起的海面高度起伏，分別用hsta、^。耐和^。耐表示。其中海洋潮汐比另兩項(xiàng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。hr=h。塒+h；耐+h。甜 (2—4)氣壓引起的海面起伏可以表示為大氣壓的函數(shù)，hm，h，=9．948(尸一1013．3) (2—5)衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量的海平面高度又可以表示為大地水準(zhǔn)面和海洋動(dòng)力高度之和，如式(2．6)所示，h”^=hP卯塒+∞o+∞， (2—6)其中，^。村為基于參考橢球面的大地水準(zhǔn)面高度；。。+6A，為海洋動(dòng)力高度，?？跒槠涠ǔ２糠?即Am一^。耐的均值部分)，69，為其時(shí)變部分。衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)得的海平面高度之主要成分為大地水準(zhǔn)面起伏，其量值比海面動(dòng)力高度高出1～2個(gè)量級(jí)，即使其不確定部分的量值亦與海面動(dòng)力高度值相當(dāng)。如果一個(gè)區(qū)域的大地水準(zhǔn)面已經(jīng)測(cè)得，則海平面與大地水準(zhǔn)面之差，便是海洋動(dòng)力高度，它對(duì)于研究具有地轉(zhuǎn)性質(zhì)的海流和渦漩有重要意義。假設(shè)^。枷。為衛(wèi)星高度計(jì)軌道高度的模式計(jì)算值，△^。岫n為其計(jì)算誤差，h。n。為吃。計(jì)算值，Ah。It為其計(jì)算誤差，即，horb*=h訕k—c一△hom" (2．7)^。n=A。一。一幽。n (2．8)2、衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海洋參數(shù)的原理及其數(shù)據(jù)處理所以，由高度計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算出的瞬時(shí)海平面高度^枷一。為，2、衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海洋參數(shù)的原理及其數(shù)據(jù)處理所以，由高度計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算出的瞬時(shí)海平面高度^枷一。為，hⅡ^一c=^orbitc-hdn—c=(horbn—Ah。n“)一(^。n—Ah。n)(2·9)：hmn—h。n一△^mn+Ah。n=hssh—Ah。mn+Ah4q將式(2—6)代入式(2-9)，得h盯^一c=hs,o甜+coo+國(guó)f—Ah口而“+△^d“ (2．10)如(2-11)式所示，△JI。n主要由AM和占兩部分組成，Ah。n=AM+占 (2-11)△M為對(duì)各種誤差源進(jìn)行模式計(jì)算后的剩余誤差，可表示為，AM=幽加。+△^岍一抑+曲州一卻+幽占一口泗+幽咖一姍+幽r (2·12)因此，式(2—6)可以變換為h；即一。=^弘。耐+國(guó)o+彩f—Ahorb“+AM+F (2—13)按式(2—13)可以求出每個(gè)星下點(diǎn)的平均海平面高度^啪。。因衛(wèi)星高度計(jì)的運(yùn)行軌道是精確重復(fù)的，重復(fù)周期為T(mén)，即對(duì)同一地點(diǎn)每隔T時(shí)間測(cè)量一次，NT時(shí)間后即可得到對(duì)該點(diǎn)測(cè)量的N個(gè)h。^。，求這N個(gè)值的平均值，即可得到平均海平面^。。，h。^一。=(h。。一。)=h"Ⅲ+03。+(∞，-Ahm“+△Jl。n十塒) (2—14)其中，()代表N個(gè)^m』的算術(shù)平均；hgeoid 甜口視為常量。將氐。^。從每次測(cè)量的^m。中減去，即可得每次測(cè)量的海平面高度距平值^。，h“。=hI¨c一^。^。=國(guó)f—Ah。啪+塒+占一(∞f—Ah。巾n+塒+占)=Coj?一Ahjo。％l+縱j+￡=09：+^一，(2。15)其中，03：是海洋動(dòng)力高度中時(shí)變信號(hào)相對(duì)于其均值的變化異常，且在較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)，有國(guó)j“0；^—，為整體誤差。如果信噪比足夠大，則可以將海洋動(dòng)力信息提取出來(lái)。本文又將h。稱(chēng)為海面高度異常，通過(guò)海面高度異?？梢杂^(guān)溯海衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用洋動(dòng)力高度的變化量。在地轉(zhuǎn)和等密近似條件下，對(duì)h。沿軌跡求導(dǎo)，可得垂直衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用洋動(dòng)力高度的變化量。在地轉(zhuǎn)和等密近似條件下，對(duì)h。沿軌跡求導(dǎo)，可得垂直于地面軌跡方向的地轉(zhuǎn)流速異常U々“，：一旦竺竺：墅 (2．16)1 衄其中，g為重力加速度：科氏力產(chǎn)2臼sin，12為地球自轉(zhuǎn)角速度(7．23x104s。)，咖為緯度值。海面渦動(dòng)能EKE為臌=專(zhuān)≯ (2．17)海平面變化性為，^。= (2．18)2．2．2 衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海平面高度的誤差源不斷提高測(cè)距精度是高度計(jì)資料有效地應(yīng)用于海洋動(dòng)力學(xué)的前提。衛(wèi)星高度計(jì)的測(cè)距精度受到若干測(cè)量誤差源的影響，主要包括儀器誤差、軌道誤差和環(huán)境誤差。有效利用衛(wèi)星高度計(jì)海面高度資料的前提是對(duì)這些誤差源加以分析并設(shè)法消除?，F(xiàn)將這三類(lèi)測(cè)量誤差分別介紹如下。2．2．2．1儀器誤差如前所敘，衛(wèi)星高度計(jì)通過(guò)發(fā)射測(cè)距脈沖并精確計(jì)算脈沖的往返時(shí)間，來(lái)獲取海平面高度信息。假設(shè)電磁波傳播速度一定，則可以得出高度計(jì)相對(duì)于瞬時(shí)海平面的初始測(cè)量高度值H—Alt—Raw。相關(guān)的儀器誤差修正包括：1、測(cè)距查找表修正(HAltLUT_Cor)該查找表提供由于衛(wèi)星高度計(jì)再跟蹤算法的不完善所引起的測(cè)距誤差。H_AltLUT_Cor是有效波高和信噪比的函數(shù)。2、多普勒修正(HAlt_Dop Cor)由于多普勒效應(yīng)引起的衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)高誤差用多普勒修正表示。它是通過(guò)對(duì)測(cè)高數(shù)據(jù)的微分計(jì)算得到。該微分過(guò)程在星上進(jìn)行。2、衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海洋參數(shù)的原理及其數(shù)據(jù)處理3、內(nèi)部校正I(H2、衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海洋參數(shù)的原理及其數(shù)據(jù)處理3、內(nèi)部校正I(HAlt CalCor_1)通過(guò)衛(wèi)星高度計(jì)的內(nèi)部校正對(duì)測(cè)高數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。該內(nèi)部校正過(guò)程每隔數(shù)分鐘進(jìn)行一次，在每個(gè)校正周期內(nèi)需要3個(gè)20Hz的基本數(shù)據(jù)。4、內(nèi)部校正2(H_Alt—CalCor_2)對(duì)衛(wèi)星高度計(jì)內(nèi)部校正提供的測(cè)高修正進(jìn)行初始設(shè)定。該初始設(shè)定值最初是要設(shè)計(jì)成一個(gè)星上處理的參數(shù)，但實(shí)際上它是一個(gè)常數(shù)。5、天線(xiàn)距離修]]：(HAlt COG_C00是衛(wèi)星質(zhì)心相對(duì)于測(cè)距天線(xiàn)參考點(diǎn)之間的距離。6、偏差修正(H—A1t』-ias)由衛(wèi)星高度計(jì)的工程校正過(guò)程提供。它是一個(gè)常數(shù)。經(jīng)儀器誤差修正后高度計(jì)相對(duì)于瞬時(shí)海平面的測(cè)量高度值HAlt為，H—Alt=H—Alt—Raw+HLAlt—LuT_Co什HL_A1Lpop_Cor+HAlt Cal—Cor一1+H—Alt—Cal—Cor一2+H_A1t_COG—Cor+H—Alt—Bias(2—19)2．2．2．2軌道誤差其主要成分是徑向軌道誤差。該誤差是衛(wèi)星相對(duì)于參考橢球面高度的計(jì)算誤差，主要源于人們對(duì)于地球重力場(chǎng)認(rèn)識(shí)的不夠完善以及諸如太陽(yáng)輻射及大氣滯力等非重力因素的影響。在TOPE)(／PoSEDoN發(fā)射之前，徑向軌道誤差的主要含能部分集中在每圈一次的頻率上。因此通常消除該誤差的算法為以一次、二次函數(shù)或三角函數(shù)利用最小二乘原理作調(diào)和分析，擬合出該誤差值并從測(cè)量數(shù)據(jù)中減去。采用這種方法也會(huì)同時(shí)消除波長(zhǎng)在4000km左右的有用海洋信息。TOPEX／POSEIDON衛(wèi)星采用了第二代聯(lián)合重力模式(JGM一3)，軌道定位精度達(dá)到了前所未有的3．5cm，因此在TOPE)汁OSEDON高度計(jì)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，首次不需要對(duì)軌道誤差進(jìn)行修正。但對(duì)于其他衛(wèi)星高度計(jì)，如ERS衛(wèi)星高度計(jì)，則必須進(jìn)行徑向軌道誤差修正。對(duì)于ERS衛(wèi)星高度計(jì)軌道誤差的修正方法見(jiàn)本文第三章。2．2．2．3環(huán)境誤差1、大氣對(duì)流層修正(H-_A1t-】乩丌一Cor)22衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用電磁波脈沖在大氣對(duì)流層傳播時(shí)，會(huì)受到干燥空氣和水汽的影響而減慢速衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用電磁波脈沖在大氣對(duì)流層傳播時(shí)，會(huì)受到干燥空氣和水汽的影響而減慢速度，從而引起衛(wèi)星測(cè)高的誤差。干燥空氣引起的測(cè)距誤差(Dry_CoO接近一個(gè)常數(shù)，約為一2．3m；而對(duì)流層中水汽含量時(shí)空變化較大，且不易預(yù)測(cè)，它引起的測(cè)距誤差(wet-Cor)范圍為-6cm一一40cm。不過(guò)，這些影響可以測(cè)量并被模擬出來(lái)。Dry—Cor=-2．277P,(1+0．0026cos(2妒)) (2—20)其中只海表大氣壓，單位：^只；p為緯度，單位：OoF-PAF根據(jù)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)(ECMWF)的模式輸出，每6小時(shí)提供0．5。x0．5。海表氣壓場(chǎng)，利用空間雙線(xiàn)性插值和時(shí)間線(xiàn)形性插值，即可得到只。Wet_Cor可以采用與計(jì)算Dry_Cor相同的方法得到。在ERS衛(wèi)星發(fā)射之前的衛(wèi)星高度計(jì)都是采用這種方法進(jìn)行該項(xiàng)修正。ERS一1／2和TOPEX／POSEIDON都裝備了微波輻射計(jì)，可以實(shí)時(shí)提供由微波輻射計(jì)得到的水汽修正項(xiàng)WetHRad。WetHRad的值可以通過(guò)建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑⒗梦⒉ㄝ椛溆?jì)測(cè)得的亮溫?cái)?shù)據(jù)和高度計(jì)測(cè)得的海面風(fēng)速計(jì)算得到。例如ERS衛(wèi)星高度計(jì)而言，采用如下模式，Wet—H—Rad=口+blog。(280一t3)+clog。(280一五6)+d(U一7)(2．21)其中，正，和五。分別是微波輻射計(jì)23．8GHz亮溫和36．5GHz亮溫?！荆歉叨扔?jì)測(cè)得的海面風(fēng)速。另外，a、b、c、d為典型大氣和海表情況下的回歸系數(shù)，這里分別是a=1654．35，b一546．68，c=225．58，d=．1．37。在極少數(shù)情況下，微波輻射計(jì)因數(shù)據(jù)異常而未能給出Wet—H—Rad，這時(shí)仍用Wet_Cor為高度計(jì)提供水汽修正。2、大氣電離層修正(Iono—CoO電磁波脈沖在大氣電離層傳播時(shí)，其傳播速度會(huì)由于電離層自由電子的存在而有所降低。該速度的減小量與自由電子的數(shù)目成正比，與該電磁波頻率的平方成反比，并呈現(xiàn)較明顯的日變化和季變化。經(jīng)驗(yàn)性修正IonoCor的方法如下，Iono—Cot=一40250TEC／，2 (2．22)其中，TEC表示每平方米電子含量，可通過(guò)模式計(jì)算得到。廠(chǎng)為高度計(jì)工作頻率。2、衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海洋參數(shù)的原理及其數(shù)據(jù)處理TOPEX／POSEIDON首次裝載了兩臺(tái)高度計(jì)，工作于不同的頻率。這使得由2、衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海洋參數(shù)的原理及其數(shù)據(jù)處理TOPEX／POSEIDON首次裝載了兩臺(tái)高度計(jì)，工作于不同的頻率。這使得由于電離層引起的測(cè)距誤差可以被直接估算。3、海冰和液態(tài)水(雨)的影響液態(tài)水會(huì)降低衛(wèi)星高度計(jì)回波信號(hào)的能量，主要在瓦波段。另外，海冰和雨在微波輻射計(jì)視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)，會(huì)增強(qiáng)亮溫值，從而導(dǎo)致其他參數(shù)的錯(cuò)誤估算值。不過(guò)，受此影響的數(shù)據(jù)應(yīng)在極少數(shù)，一般都在標(biāo)志位上標(biāo)出，不予使用。4、海況偏差修正(SSBCor)在衛(wèi)星高度計(jì)星下點(diǎn)處被微波脈沖覆蓋區(qū)域的范圍內(nèi)，各點(diǎn)的回波信號(hào)并不相同，即海浪的波谷比波峰能更好地反射微波信號(hào)。因此平均反射面的質(zhì)心將會(huì)從平均海面向波谷方向偏移。這個(gè)稱(chēng)為電磁偏差(EMB)的偏移使得衛(wèi)星高度計(jì)過(guò)大估計(jì)H_Alt。事實(shí)上，有三個(gè)因素在起作用，一是剛提到的EMB．二是非對(duì)稱(chēng)偏差，該偏差的原因?yàn)樾巧详P(guān)于高度的概率密度函數(shù)被假設(shè)為對(duì)稱(chēng)的，而事實(shí)上它并不對(duì)稱(chēng)；三是跟蹤偏差，它屬于儀器誤差。EMB與非對(duì)稱(chēng)偏差之和稱(chēng)為海況偏差。對(duì)于ERS衛(wèi)星，SSB—Cor=0．55SWH (2—23)對(duì)于TOPEX伊OSEDON衛(wèi)星，SSB—Cor=一SWH[a+bSWH+cU+dU2】 (2．24)其中，SWH為有效波高，c，為海面風(fēng)速。5、逆氣壓效應(yīng)修正(Inv—B岫當(dāng)大氣氣壓增加和減小時(shí)，海面會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的上升和下降。一般情況下，大氣壓增長(zhǎng)imbar，海面下降Icm。f只=Dry—Cor[-2．2，77(1+0．002、6cos(2妒))】(2-25)lInv Bar=一9．948化一1013．25)6、潮汐修t(H_Eot+H—Set+H_P01)衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用潮汐無(wú)疑對(duì)海平面的升降有直接影響，而且潮汐能量大于其他所有時(shí)變的衛(wèi)星高度計(jì)資料在中國(guó)海和西北太平洋的數(shù)據(jù)處理、印證和若干海洋學(xué)應(yīng)用潮汐無(wú)疑對(duì)海平面的升降有直接影響，而且潮汐能量大于其他所有時(shí)變的海洋動(dòng)力信息。由于潮汐的可預(yù)報(bào)性，因此可通過(guò)計(jì)算將它從衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)中減去，以進(jìn)一步作海流研究。然而，全球潮汐修正模式在大洋水域雖己取得了令人滿(mǎn)意的結(jié)果，但其在陸架淺海和海岸帶水域仍然存在較大誤差，使得高度計(jì)數(shù)據(jù)在這些水域的應(yīng)用遇到極大困難。潮汐影響主要包括：固體地球潮汐(HSet)、極性潮(HP01)和彈性海洋潮汐(H_Eot)。彈性海洋潮汐是純海洋潮汐(平衡和非平衡潮)與負(fù)載潮之和。固體地球潮汐是地殼在太陽(yáng)和月球的天體引力作用下產(chǎn)生的具有一定周期的漲落運(yùn)動(dòng)。極性潮是由于地球旋轉(zhuǎn)的微小擾動(dòng)引起，而與太陰太陽(yáng)強(qiáng)迫力無(wú)關(guān)。H—Set=1000(h￡+hs+h∥+hP) (2—26)其中，h。為月球分量(包含永久形變)，hs為太陽(yáng)分量(包含永久形變)，h，為Wahr輻射修正，h。為月球分量(包含永久形變)。H—PD，=一69．435sin(2×／at×10。6)×協(xié)D彪一0．042)cOS(j_On×10“)一@pole一0．293)sin(fDn×10“)}(2—27)其中，xpoIe和ypole是極點(diǎn)位置，可I掃ffp：／／ftp．hpiers．obspm．fr／iersleop／eope04獲取。ERS一1衛(wèi)星高度計(jì)是針對(duì)以下13種分潮：尬、＆、地、尬，0，、一、Q，、幻、Te、2N2、∞和心。采用調(diào)和分析模式(2—28)：Ⅳ一Eot=∑工kiCOS(O"it+毛+“。)+bisin(crit+‘+Ui)】 (2—28)其中h?！盀槌毕担灰詾閕分潮的角速率；始為f分潮的天文相角；Uf為i分潮的相角{TiEN子；∥為i分潮的交點(diǎn)因子；t為觀(guān)測(cè)點(diǎn)的世界時(shí)。船、石和ui均為每天計(jì)算一次。式(2—28)中ar=Af