衛(wèi)星海洋學(xué)課件

表8-1顯示目前世界各國(guó)已經(jīng)發(fā)射的衛(wèi)星及其攜帶的散射計(jì)名稱衛(wèi)星資助者散射計(jì)演算法QuikSCAT(1999～)NASASeaWinds(“海風(fēng)”)美國(guó)宇航局最新設(shè)計(jì)的雙幅側(cè)掃描的Ku-波段/13.4GHz散射計(jì)，刈幅為1800km，每天能覆蓋地球90%的面積。ADEOS–II(2002/12～2003/10)JAPANSeaWindsADEOS–I(1996/9～1997/6)JAPANNSCAT美國(guó)宇航局的第一部雙幅側(cè)掃描的Ku-波段/13.995GHz散射計(jì)ERS1(1991～)ERS2(1995～)ESAAMI-SCAT模式屬於單幅側(cè)掃描的C-波段/5.3GHz垂直發(fā)射垂直接收(VV)雷達(dá)，刈幅為500kmCMOD3CMOD4CMOD5Seasat-A(78/7～78/10)NASASASS(Seasat-ASatelliteScatterometer)屬於單幅側(cè)掃描的Ku-波段垂直發(fā)射垂直接收(VV)和水準(zhǔn)發(fā)射水準(zhǔn)接收(HH)雷達(dá)SASS-ⅠSASS-ⅡSkylab(1973～1974)NASA散射計(jì)圖8-1顯示美國(guó)宇航局JPL給出的“QuikSCAT每日風(fēng)況報(bào)導(dǎo)”的一個(gè)例子該圖顯示了在西北太平洋日本附近海域有一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的氣旋，最大風(fēng)速達(dá)到約50節(jié)（knots）。借助於風(fēng)的近即時(shí)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，並利用大氣及海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模型，可以改進(jìn)全球和近海天氣預(yù)報(bào)，改進(jìn)風(fēng)暴預(yù)警和監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)。衛(wèi)星散射計(jì)反演風(fēng)速會(huì)出現(xiàn)多組解一般地，衛(wèi)星地面站數(shù)據(jù)處理中心給出的散射計(jì)海面風(fēng)的產(chǎn)品不限於一組解。例如，歐空局ERS1/2衛(wèi)星AMI-SCAT散射計(jì)海表面風(fēng)的產(chǎn)品一般給出有四組解。這是因?yàn)樯⑸溆?jì)測(cè)量的直接要素並不是風(fēng)，而是海面上風(fēng)誘導(dǎo)的重力–毛細(xì)波。在這些風(fēng)誘導(dǎo)的短波與電磁波的布喇格共振（Bragg-resonance）表現(xiàn)上，逆風(fēng)和順風(fēng)方向的差別不明顯。其次，風(fēng)速和風(fēng)向不是一個(gè)未知量，它們構(gòu)成兩個(gè)未知量。第三，風(fēng)和海表面波浪的隨機(jī)性和湍流使得波浪能量分佈並不總是沿風(fēng)向?qū)ΨQ分佈的。當(dāng)然，還有其他各種原因例如大氣的穩(wěn)定性問題、影響波浪的風(fēng)區(qū)問題以及反演模式的優(yōu)劣等問題。上述原因造成散射計(jì)遙感風(fēng)速的一個(gè)普遍問題是，風(fēng)速和風(fēng)向的反演結(jié)果經(jīng)常是多解的和模棱兩可的（amphibolous）。歐空局ERS1/2衛(wèi)星採(cǎi)用前、中、後三個(gè)天線依次探測(cè)海洋上同一個(gè)25km×25km的面積元，即同一個(gè)面積元被連續(xù)探測(cè)三次，三個(gè)天線發(fā)出的電磁波束在海面的投影與衛(wèi)星在海面的軌跡分別有45o、90o和135o的夾角。對(duì)同一個(gè)點(diǎn)元，三個(gè)天線探測(cè)的入射角也各不相同，入射角的分佈範(fàn)圍是18o到58o。依據(jù)反演的演算法，每個(gè)天線的測(cè)量給出一個(gè)方程，三個(gè)天線的測(cè)量給出的三個(gè)方程組成一個(gè)方程組。通過與現(xiàn)場(chǎng)浮標(biāo)測(cè)量比較，人們發(fā)現(xiàn)：遵照最小二乘法計(jì)算出的方程組的解並不總是真實(shí)的物理解，具有第二、第三或者第四小誤差的解可能符合真實(shí)的物理?xiàng)l件。從散射計(jì)海面風(fēng)產(chǎn)品的多組解挑選最佳解是用戶的工作；當(dāng)然，第一組解一般情況下是最佳解。當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，需要從其他備選解中尋找真實(shí)解。雷達(dá)方程（RadarEquation）雷達(dá)方程的基本形式是

(8-1)

式中PR是接收的雷達(dá)功率（單位Watt），PT是發(fā)射的雷達(dá)功率（單位Watt），GT是天線傳輸能量的增益，AE是天線的有效面積（單位m2）。σ是對(duì)應(yīng)被探測(cè)元的雷達(dá)後向散射截面（單位m2

）。天線接收電磁波的能量增益GR與天線的有效面積AE的關(guān)係是

(8-2)

式中λ

是電磁波的波長(zhǎng)。將（8-2）代入到（8-1），公式（8-1）變?yōu)槔走_(dá)方程的一般形式

(8-3)根據(jù)公式（8-3），對(duì)應(yīng)被探測(cè)面積元的雷達(dá)後向散射截面σ（單位m2

）可表為

(8-4)單位面積的雷達(dá)後向散射截面σ0

是無量綱的，它的定義是

(8-5)σ0

可由接收功率和發(fā)射功率比值表示；將（8-5）代入（8-4）獲得σ0的運(yùn)算式

(8-6)

因?yàn)棣?

是無量綱的，故一般地被稱為標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面NRCS，通俗地也被稱為散射係數(shù)（scatteringcoefficient）。研究表明，這個(gè)係數(shù)與海面粗糙度（seasurfaceroughness）有關(guān)，海面粗糙度由海面風(fēng)（seasurfacewind）決定，所以對(duì)σ0

的觀測(cè)可以間接地計(jì)算獲得海面風(fēng)。由於σ0變化範(fàn)圍太大，我們經(jīng)常用σ0（dB）表示標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面NRCS，即

(8-7)

式中左側(cè)代表用dB（分貝）表達(dá)的σ0[dB]，右側(cè)代表原始定義的σ0。如果σ0是100，σ0[dB]就是20；如果σ0是0.001，σ0[dB]就是–30。這裏請(qǐng)注意，分貝（dB）僅僅是數(shù)學(xué)單位，它不代表物理上的量綱。式中A是海面被探測(cè)的面積，R是衛(wèi)星與被探測(cè)點(diǎn)之間的距離?！?.3.1

鏡面反射（SpecularReflection）

鏡面反射是海表面上許多像鏡子似的小平面（mirror-likefacetsoftheseasurface）的反射產(chǎn)生的，這些小平面的尺度應(yīng)大於被反射的電磁波的波長(zhǎng)。粗糙海面上的許多小平面對(duì)電磁波的鏡面反射（specularreflection）也被稱為“鏡點(diǎn)散射”（specular-pointscatter）。根據(jù)鏡面反射理論，感測(cè)器能夠接收在海表面上像鏡子似的每個(gè)小平面反射的電磁波；相對(duì)於這些在海表面上像鏡子似的小平面，雷達(dá)波束的入射角θ=0。相反，入射角不為零的那些小平面反射的雷達(dá)波束（radarbeam）不能返回感測(cè)器。鏡面反射產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面NRCSσ0根據(jù)物理光學(xué)（physicaloptics），鏡面反射（specularreflection）產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面NRCS（NormalizedRadar-backscatterCrossSection）σ0

可從電磁場(chǎng)方程出發(fā)經(jīng)過推導(dǎo)獲得（8-9）U10是中性穩(wěn)定的大氣條件下海面上10m處的風(fēng)速（windspeedat10mabovetheseasurface），θ是雷達(dá)波束相對(duì)於海表面的入射角（incidenceangle），ρ（θlocal=0）代表在垂直入射條件下海-氣介面的菲涅耳反射率，θlocal是雷達(dá)波束相對(duì)於各個(gè)反射小平面（facet）的入射角，f（ζx,ζy

）是海表面斜率（slopesoftheseasurface）的聯(lián)合概率密度函數(shù)PDF（ProbabilityDensityFunction），ζx和ζy分別代表在x方向和在y方向的斜率?！?.3.2

海表面斜率的概率密度函數(shù)

（ProbabilityDensityFunctionoftheSeaSurfaceSlopes）

定義:在x方向的海表面斜率ζx

和在y方向的海表面斜率ζy

和（8-10）式中ζ是波面高度（seasurfaceelevation）。海表面波浪引起的斜率近似地符合高斯分佈（Gaussiandistribution）或稱為正態(tài)分佈（normaldistribution），即（8-11）式中ζx和ζy分別是逆風(fēng)（upwinddirection）和側(cè)風(fēng)（crosswinddirection）方向的斜率分量，σu2和σc2分別是逆風(fēng)和側(cè)風(fēng)方向上的“均方斜率”MSS（MeanSquareSlope）在x方向的斜率ζx與入射角θ的關(guān)係是（8-12）式中φ是觀測(cè)的方位角（azimuthangle），它代表雷達(dá)波束在海面投影與風(fēng)向的夾角。極座標(biāo)下，對(duì)於近似地可視為各向同性的海面斜率，高斯分佈的PDF是（8-13）式中海面斜率r=tanθ，在推導(dǎo)中採(cǎi)用了“均方斜率”的近似運(yùn)算式σu2≈σc2。Gram-Charlier分佈比高斯分佈有較高的精確度。然而，一個(gè)更適合的概率密度函數(shù)是（Liu等1997）

(8-14)式中n是峰度係數(shù)（kurtosiscoefficient）。他們發(fā)現(xiàn)在U10<15m/s的條件下，通過與高度計(jì)和散射計(jì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋容^，可以獲得峰度係數(shù)n≈5。上式中的σu2和σc2指海面上那些波長(zhǎng)大於雷達(dá)波長(zhǎng)的波浪在逆風(fēng)方向和側(cè)風(fēng)方向的“均方斜率”，那些波長(zhǎng)小於雷達(dá)波長(zhǎng)的波浪對(duì)鏡面反射不做出貢獻(xiàn)。Liu等（2000）給出了不同波段雷達(dá)對(duì)應(yīng)的海表面“均方斜率”σu2和σc2隨風(fēng)速變化的經(jīng)驗(yàn)關(guān)係式?！?.3.3布喇格共振散射

（Bragg-ResonantScatter）

布喇格共振條件（conditionofBraggresonance）是或式中k是波數(shù),λ是波長(zhǎng)，θ是入射角，即雷達(dá)波束與海面垂線的夾角。圖8-3給出了雷達(dá)發(fā)射的電磁波與海表面毛細(xì)重力波之間產(chǎn)生布喇格共振條件的示意圖。當(dāng)

等於雷達(dá)波長(zhǎng)λradar時(shí)，從海面上後向散射的電磁波有相同的相位（phase），具有相同相位的電磁波相遇產(chǎn)生布喇格共振。根據(jù)電磁波散射理論，在一階近似的條件下，由布喇格共振散射產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面NRCSσ0是

(8-17)式中θ是入射角，U10

是在中性穩(wěn)定的大氣條件下海上10m高度的風(fēng)速，kR

是雷達(dá)的波數(shù)（radarwavenumber），Ψ（kw,φ）是在極座標(biāo)下重力毛細(xì)波和短重力波的波數(shù)譜（wavenumberspectrum），kw=2kRsinθ是與電磁波產(chǎn)生布喇格共振的海面重力毛細(xì)波或者短重力波的波數(shù)（wavenumberofgravity-capillarywaves），φ是雷達(dá)波束的方位角（azimuthangle），即雷達(dá)波束在海面投影與風(fēng)向的夾角。g（θ）是加權(quán)因數(shù)。加權(quán)因數(shù)g（θ）:對(duì)於垂直極化發(fā)射和接收的雷達(dá)，加權(quán)因數(shù)g（θ）是

(8-18)

式中Tv=1+Rv

，Rv和Rh是菲涅耳反射係數(shù)，下標(biāo)“v”和“h”表示極化的方式；εr是海水的相對(duì)電容率（permittivityofseawater）。對(duì)於水準(zhǔn)極化發(fā)射和接收的雷達(dá)，加權(quán)因數(shù)g(θ)是

(8-19)

利用菲涅耳反射係數(shù)公式消去Rv，Tv和Rh，（8-18）和（8-19）可變?yōu)閷?duì)於海-氣介面，n1=1.0和，進(jìn)一步，如果我們將一個(gè)近似公式代入公式（8-20）和（8-21）可變?yōu)閭鹘y(tǒng)的公式.應(yīng)該指出，在微波波段，傳統(tǒng)公式並不成立。所以，公式（8-20）和（8-21）是一個(gè)改進(jìn)，雖然它們的計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)的公式差別不大。將以波數(shù)為引數(shù)的風(fēng)浪譜和加權(quán)因數(shù)的計(jì)算公式（8-20）和（8-21）代入（8-17），即可獲得由布喇格共振散射產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面σ0。§8.3.4

兩尺度散射模型

（Two-ScaleScatteringModel）考慮到海面上長(zhǎng)波和短波這兩個(gè)尺度波浪的客觀存在，人們?yōu)榱颂岣哂?jì)算的精度，對(duì)騎在長(zhǎng)波上的短波的散射進(jìn)行了研究，併發(fā)展了組合表面散射模型（Composite-SurfaceScatteringModel）來計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面σ0。因?yàn)橹豢紤]了兩個(gè)尺度的波浪，所以該模型也被稱為兩尺度散射模型（Two-ScaleScatteringModel）。兩尺度散射模型先計(jì)算出局地小面積元上重力毛細(xì)波的布喇格散射的貢獻(xiàn)，然後再利用海面斜率的概率密度函數(shù)對(duì)各個(gè)局地小面積元積分。在局地小面積元上的計(jì)算中，考慮了長(zhǎng)波的傾斜引起的局地入射角和極化狀態(tài)的改變。§8.4.1

海洋風(fēng)反演的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停‥mpiricalModelofOceanicWindRetrieval）針對(duì)ERS1/2攜帶的C波段/5.3GHz的散射計(jì)，人們發(fā)展了CMOD1和CMOD2兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停约癈MOD3、CMOD4和CMOD5三個(gè)實(shí)用模型。針對(duì)Seasat-A-1攜帶的Ku波段/13.9GHz的散射計(jì)SASS（Seasat-ASatelliteScatterometer），人們發(fā)展了SASSⅠ和SASSⅡ兩個(gè)實(shí)用模型。通過將散射計(jì)測(cè)量的風(fēng)速與浮標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)比較，人們發(fā)現(xiàn)在4-24m/s的風(fēng)速範(fàn)圍內(nèi)，散射計(jì)測(cè)量風(fēng)速的準(zhǔn)確度（accuracy）達(dá)到2m/s，相對(duì)平均誤差（relativemeanerror）達(dá)到10%，二者不一致時(shí)取誤差較大者；風(fēng)向的準(zhǔn)確度達(dá)到20°。方程求解：在反演公式中，標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面σ0是散射計(jì)測(cè)量的已知數(shù)據(jù)，雷達(dá)波束與海表面垂直方向的夾角即入射角θ也是已知條件。海面上10m高的風(fēng)速U10和風(fēng)向φ是未知變數(shù)，這裏風(fēng)向定義為雷達(dá)波束在海面的投影與風(fēng)向的夾角，也稱為觀測(cè)的方位角（azimuthangle）。由於在每個(gè)探測(cè)點(diǎn)存在兩個(gè)未知變數(shù)，至少需要兩個(gè)方程。ERS1/2攜帶的C波段/5.3GHz的散射計(jì)擁有三個(gè)天線，每個(gè)天線相對(duì)於每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的入射角各不相同，需要根據(jù)各天線的雷達(dá)波束方向計(jì)算出各入射角。三個(gè)天線的探測(cè)結(jié)果可以構(gòu)成三個(gè)方程，採(cǎi)用最小二乘法求解這三個(gè)方程組成的方程組。每對(duì)風(fēng)速U10和風(fēng)向φ代入經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投极@得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面σ0，三個(gè)天線的對(duì)應(yīng)著三個(gè)σ0，它們與三個(gè)天線的探測(cè)結(jié)果的誤差和是風(fēng)速U10和風(fēng)向φ的函數(shù)。誤差和函數(shù)的每個(gè)極小值對(duì)應(yīng)著風(fēng)速U10和風(fēng)向φ一個(gè)可能的解。在每個(gè)探測(cè)點(diǎn)，一般可以獲得多對(duì)風(fēng)速U10和風(fēng)向φ可能的解。採(cǎi)用最小二乘法原則，將這些解按照誤差大小排序，誤差最小者排為最可能的解，其次為第二可能的解。一般地，地面處理中心給出4組解可供用戶選擇。CMOD3及SASSⅡ公式CMOD3是針對(duì)歐空局衛(wèi)星ERS1/2攜帶的C波段/5.3GHz的散射計(jì)而發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀；稒C(jī)載散射計(jì)的測(cè)量和浮標(biāo)同步數(shù)據(jù)的擬合曲線，CMOD3研究組提出了關(guān)於海面風(fēng)速和風(fēng)向反演的以下公式美國(guó)宇航局發(fā)展了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚐ASSⅠ和SASSⅡ，它們是針對(duì)美國(guó)“海洋衛(wèi)星”Seasat-A攜帶的Ku波段/13.9GHz的散射計(jì)SASS（Seasat-ASatelliteScatterometer）發(fā)展的海面風(fēng)反演算法。SASSⅡ公式是參數(shù)表示見書NSCAT簡(jiǎn)介搭載在日本衛(wèi)星ADEOS-1上的美國(guó)宇航局散射計(jì)NSCAT是第一部雙幅側(cè)掃描的Ku-波段（13.995GHz）的主動(dòng)雷達(dá)；1996年9月至1997年6月期間NSCAT獲得了全球海表面上的風(fēng)向量連續(xù)資料。散射計(jì)探測(cè)海面首先獲得標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面（normalizedradarcrosssection）σ0數(shù)據(jù)。在NSCAT產(chǎn)品L17（Level1.7）中，σ0的時(shí)間間隔是6小時(shí)，每個(gè)σ0佔(zhàn)據(jù)50km×50km的單元。這些單元被稱為風(fēng)向量單元WVC（windvectorcells）。

在每側(cè)刈幅（swath）各有12個(gè)WVC，左右兩側(cè)共計(jì)24個(gè)WVC；每個(gè)風(fēng)向量單元WVC包含一個(gè)或兩個(gè)來自4個(gè)NSCAT天線（forev-pol,midv-pol,midh-pol,aftv-pol）的σ0。

產(chǎn)品L17的資料項(xiàng)目包括時(shí)間（time）、緯度（latitude）、經(jīng)度（longitude）、入射角（incidenceangle）、方位角（azimuthangle）、標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面（normalizedradarcrosssection）σ0和品質(zhì)標(biāo)記（qualityflag）。

NSCAT-1模型及校正公式針對(duì)NSCAT散射計(jì)的L17數(shù)據(jù)產(chǎn)品，依據(jù)SSM/I風(fēng)速數(shù)據(jù)集、ECWMF風(fēng)速數(shù)據(jù)集、美國(guó)國(guó)家浮標(biāo)資料中心NDBC提供的浮標(biāo)數(shù)據(jù)和太平洋海洋環(huán)境實(shí)驗(yàn)室PMEL熱帶大氣海洋TAO計(jì)畫提供的赤道浮標(biāo)陣列數(shù)據(jù)，科學(xué)家發(fā)展了NSCAT-1、NSCAT-2、Ku-2000和Ku-2001等海面風(fēng)反演算法。海面風(fēng)反演算法的NSCAT-1模型是（Wentz和Smith1999）

(8-35)NSCAT-1模型不盡人意，Wentz和Smith（1999）提出了對(duì)NSCAT-1模型導(dǎo)出風(fēng)速的校正公式。校正後的風(fēng)速W10等於

(8-42)式中U10代表NSCAT-1模型導(dǎo)出的風(fēng)速，需要校正的誤差△W由下麵公式計(jì)算參數(shù)表示見書§8.4.2

兩個(gè)模型之間的比較（ComparisonbetweenTwoModels）正如公式（8-8）所示，標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面σ0包括兩個(gè)部分，一部分由電磁波在海面上由鏡面反射機(jī)制產(chǎn)生，另一部分由電磁波與海表面短波之間的布喇格共振散射機(jī)制產(chǎn)生。由電磁波在海面上由鏡面反射機(jī)制產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面σ0由公式（8-9）給出，由兩尺度散射模型產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面σ0由公式（8-29）給出，局地的標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面σ0由公式（8-25）給出。σ0

是無量綱的，由於σ0變化範(fàn)圍太大，我們使用公式（8-7）裏的σ0（dB）表示標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面（NRCS）。綜上所述，Liu等（1997，2000）使用公式（8-7）、（8-8）、（8-9）、（8-25）和（8-29）獲得了標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面σ0（dB）。如果將此風(fēng)速反演算法稱為物理模型，那麼，將它與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋容^是有意義的。圖8-4和圖8-5顯示了針對(duì)歐空局衛(wèi)星ERS1/2攜帶的C波段/5.3GHz的散射計(jì)，在38o入射角和垂直極化條件下使用上述物理模型的計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虲MOD3、CMOD4和CMOD5的比較（引自Liu等1997，2000）。圖8-4顯示了在5.3GHz、38o入射角和垂直極化條件下的雷達(dá)後向散射截面σ0（dB）隨觀測(cè)的方位角φ變化的曲線，其中風(fēng)速U10是參變數(shù)。從下至上四組曲線對(duì)應(yīng)著3、10、17和24m/s的風(fēng)速，雷達(dá)頻率f=5.3GHz，極化狀態(tài)是垂直極化發(fā)射和垂直極化接收，圖中縱坐標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面NRCS，即使用分貝表示的σ0（dB）；橫坐標(biāo)是觀測(cè)的方位角即雷達(dá)波束在海面的投影與風(fēng)向的夾角φ。菱形（rhombus）代表CMOD3，矩形（square）代表CMOD4，加號(hào)（plus）代表CMOD5，實(shí)線表示使用物理模型考慮布喇格共振和鏡面反射共同效果計(jì)算獲得的σ0（dB）。圖中縱坐標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)後向散射截面NRCS，即使用分貝表示的σ0（dB）；橫坐標(biāo)是雷達(dá)波束的入射角，即雷達(dá)波束方向與垂直方向之間的夾角。菱形（diamond）代表CMOD3，加號(hào)（plus）代表CMOD4，實(shí)線表示使用物理模型考慮布喇格共振和鏡面反射共同效果的σ0（dB）計(jì)算結(jié)果，虛線表示只考慮鏡面反射效果計(jì)算獲得的σ0（dB）。圖8-5（a）顯示了在5.3GHz和垂直極化條件下逆風(fēng)方向的雷達(dá)後向散射截面σ0（dB）隨入射角變化的曲線，其中風(fēng)速U10是參變數(shù)。從下至上四組曲線對(duì)應(yīng)著3、10、17和24m/s的風(fēng)速，雷達(dá)頻率f=5.3GHz，極化狀態(tài)是垂直極化發(fā)射和垂直極化接收。觀測(cè)的方位角代表雷達(dá)波束在海面投影與風(fēng)向的夾角，φ=0°對(duì)應(yīng)著逆風(fēng)方向。圖8-5（b）顯示了在5.3GHz和垂直極化條件下側(cè)風(fēng)方向（crosswinddirection）的雷達(dá)後向散射截面σ0（dB）隨入射角變化的曲線，其中風(fēng)速U10是參變數(shù)。從下至上四組曲線對(duì)應(yīng)著3、10、17和24m/s的風(fēng)速，φ=90°對(duì)應(yīng)著側(cè)風(fēng)方向（crosswinddirection）。第八章結(jié)束第二章氣象衛(wèi)星與水色衛(wèi)星（MeteorologicalSatellite&OceanColorSatellite）

§2.1

遙感和遙感技術(shù)（RemoteSensing&RemoteSensingTechnology）

§2.2

氣象衛(wèi)星和主要感測(cè)器（MeteorologicalSatellite&MajorSensors）

§2.3

中國(guó)風(fēng)雲(yún)衛(wèi)星和感測(cè)器（China′sFYSatellite&Sensors）

§2.4

水色衛(wèi)星和主要感測(cè)器（OceanColorSatellite&MajorSensors）§2.5

中國(guó)“海洋一號(hào)”衛(wèi)星及數(shù)據(jù)產(chǎn)品（China′sHY-1Satellite&DataProducts）§2.6NOAA氣象衛(wèi)星和Argos數(shù)據(jù)收集傳輸系統(tǒng)（NOAA′sMeteorologicalSatellites&ARGOS—ADataCollectionRelaySystem）§2.1

遙感和遙感技術(shù)（RemoteSensing&RemoteSensingTechnology）

在一定距離以外感測(cè)目標(biāo)的“資訊”，通過對(duì)資訊的分析研究，確定目標(biāo)物的屬性以及目標(biāo)物之間的相互關(guān)係，這個(gè)過程被稱為遙感（remotesensing）。由於基本目標(biāo)不同，我們將遙感衛(wèi)星分為氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星和陸地衛(wèi)星。實(shí)際上，每一個(gè)衛(wèi)星都能夠探測(cè)海洋和陸地，它們的遙感資料都可能被海洋學(xué)研究利用。現(xiàn)代遙感技術(shù)主要指電磁波遙感；至於重力、磁力、地震波和聲波等探測(cè)技術(shù)，一般不列入現(xiàn)代遙感技術(shù)之中。現(xiàn)代遙感技術(shù)的基本作業(yè)過程是：在距地面幾公里、幾百公里甚至上千公里的高度上，以飛機(jī)、衛(wèi)星等為觀測(cè)平臺(tái)，使用光學(xué)、電子學(xué)和電子光學(xué)等探測(cè)儀器，接收目標(biāo)物反射、散射和發(fā)射來的電磁輻射能量，以圖像膠片或數(shù)位化磁載體形式進(jìn)行記錄然後把這些數(shù)據(jù)傳送到地面接收站最後將接收到的數(shù)據(jù)加工處理成用戶所需要的遙感資料產(chǎn)品。遙感技術(shù)所使用的電磁波段主要為紫外、可見光、紅外和微波等波段。紫外波段（ultraviolet）的波長(zhǎng)為0.01～0.4μm，位於可見光波段的紫光以外?？梢姽獠ǘ危╲isiblelight）的波長(zhǎng)為0.4～0.7μm，是電磁波譜中人眼唯一能見到的波段，可見光可進(jìn)一步分為紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫等七種顏色的光，可見光波段是進(jìn)行自然資源與環(huán)境調(diào)查的主要波段，地面反射的可見光資訊可採(cǎi)用膠片和光電探測(cè)器收集和記錄。紅外波段（Infrared）的波長(zhǎng)為0.7～100μm，位於可見光波段的紅光以外。按波長(zhǎng)可細(xì)分為近紅外（0.7～1.3μm）、中紅外（1.3～3μm）、熱紅外（3～15μm）和遠(yuǎn)紅外（15～100μm）。微波（microwave）的波長(zhǎng)為0.1～100cm，微波又可細(xì)分為毫米波、釐米波和分米波等。微波的特點(diǎn)是能穿透雲(yún)霧，具有全天候工作特點(diǎn)。遙感按照電磁波的光譜可分為可見光與紅外反射遙感、熱紅外遙感和微波遙感；按照目標(biāo)的能量來源可分為主動(dòng)式遙感和被動(dòng)式遙感；按照遙感器使用的平臺(tái)可分為航太或衛(wèi)星遙感、航空遙感、地面遙感；按照空間尺度可分為全球遙感、區(qū)域遙感和城市遙感；按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為資源遙感與環(huán)境遙感；按照研究對(duì)象可分為氣象遙感、海洋遙感和陸地遙感；按照應(yīng)用目的可分為陸地水資源遙感、土地資源遙感、植被資源遙感、海洋環(huán)境遙感、海洋資源遙感、地質(zhì)調(diào)查遙感、城市規(guī)劃和管理遙感、測(cè)繪製圖遙感、考古調(diào)查遙感、綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)遙感和規(guī)劃管理遙感等。遙感技術(shù)包括感測(cè)器技術(shù)、資訊傳輸技術(shù)、資訊的處理、資訊的提取和應(yīng)用技術(shù)、目標(biāo)資訊特徵的分析技術(shù)等。遙感技術(shù)系統(tǒng)包括空間資訊採(cǎi)集系統(tǒng)（包括遙感平臺(tái)和感測(cè)器）、地面接收和預(yù)處理系統(tǒng)（包括大氣輻射校正和幾何校正）、地面實(shí)況調(diào)查系統(tǒng)（如收集環(huán)境和氣象數(shù)據(jù)）和資訊分析應(yīng)用系統(tǒng)。遙感記錄資訊的表現(xiàn)形式可分為圖像方式和非圖像方式。圖像處理涉及到各種可以對(duì)像片或數(shù)字影像進(jìn)行處理的操作，這些操作包括圖像壓縮、圖像存儲(chǔ)、圖像增強(qiáng)、處理、量化、空間濾波以及圖像模式識(shí)別等?！?.2

氣象衛(wèi)星和主要感測(cè)器（MeteorologicalSatellite&MajorSensors）

美國(guó)、俄羅斯、日本、歐洲空間局、中國(guó)和印度等已經(jīng)發(fā)射了100多顆氣象衛(wèi)星。氣象衛(wèi)星按照軌道類型可分為兩種太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星（Sun-synchronoussatellite）地球同步或地球靜止軌道衛(wèi)星（geo-synchronousorgeostationarysatellite）。名稱／時(shí)間資助者感測(cè)器運(yùn)行軌道資訊60年代後期開始NOAA/TIROS系列衛(wèi)星(別名：NOAA/POES)NOAA-14：1994NOAA-15：1998NOAA-16：2000NOAA-17：2002美國(guó)國(guó)家海洋大氣局AVHRRTOVS(HIRS)(AMSU)(SSU)軌道類型：太陽(yáng)同步近圓形極軌軌道傾角：98O～99O之間,再訪問時(shí)間：1天高度：約830km(上午軌道)約870km(下午軌道)節(jié)點(diǎn)（穿過赤道的當(dāng)?shù)貢r(shí)間）：7:30am(上午軌道)1:40pm(下午軌道)例如NOAA-15軌道資訊如下：高度：833km傾角：98.7O

軌道週期：101.2分例如FY-1C/D軌道資訊如下：高度：870km傾角：98.85O偏心率：<0.005軌道週期：102.3min(分)1962年開始DMSP系列衛(wèi)星DMSPF14：1997美國(guó)國(guó)防部/商業(yè)部/宇航局SSM/I風(fēng)雲(yún)一號(hào)FY-1D：2002/5(三軸穩(wěn)定)FY-1C：1999/5(三軸穩(wěn)定)FY-1B：1990/9FY-1A：1988/9中國(guó)國(guó)家氣象局MVISR1975年開始GOES系列衛(wèi)星GOES-EastGOES-West(GOES1-7自旋)(GOES8-12三軸穩(wěn)定)美國(guó)國(guó)家海洋大氣局VAS(VISSRAtmosphericSounder)SEM軌道類型：地球同步（又稱地球靜止）軌道高度：約35,800km例如GOES-EAST的位置：

75°W，0°NGOES-WEST的位置：135°W，0°N例如MSG-1的位置：0°E，0°N例如FY-2A的位置：86°E，0°NFY-2B的位置：105°E，0°NFY-2C的位置：105°E，0°NMSG(自旋)歐洲氣象衛(wèi)星組織12個(gè)波段的輻射計(jì)GMS(自旋)MTSAT(三軸穩(wěn)定)日本VISSRSEM風(fēng)雲(yún)二號(hào)(自旋)FY-2C：2004FY-2A：1997,FY-2B：2000中國(guó)國(guó)家氣象局VISSR太陽(yáng)同步近圓形極軌氣象衛(wèi)星（meteorologicalsatellitewithSun-synchronous,polarandnear-circularorbit）可以在大約八百公里的高空巡視全球表面，缺點(diǎn)是對(duì)某一地區(qū)每天只能觀測(cè)兩次。地球靜止氣象衛(wèi)星（geostationarymeteorologicalsatellite）可以在大約三萬(wàn)五千公里的高空對(duì)地球表面近五分之一的地區(qū)連續(xù)地進(jìn)行氣象觀測(cè)，即時(shí)將資料送回地面；用四顆衛(wèi)星均勻地佈置在赤道上空，就能對(duì)全球的中，低緯度地區(qū)天氣系統(tǒng)的形成和發(fā)展進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。缺點(diǎn)是不能觀測(cè)緯度大於55°的地區(qū)。同時(shí)運(yùn)行的這兩種氣象衛(wèi)星可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。波段序號(hào)星下點(diǎn)的解析度波長(zhǎng)(μm)主要用途11.09km0.58～0.68白天雲(yún)及地表繪圖20.725～1.00陸水分界線、雲(yún)、植被3A1.58～1.64探測(cè)雪和冰3B3.55～3.93夜間雲(yún)況繪圖，夜間海溫410.30～11.30海、陸、雲(yún)頂溫度511.50～12.50海、陸、雲(yún)頂溫度表2-2:AVHRR/3的波段特徵傳輸給用戶的資料有高解析度圖像傳輸（HRPT）和自動(dòng)圖像傳輸（APT）兩種數(shù)據(jù)傳送方式。第一種是將衛(wèi)星上感測(cè)器的所有數(shù)據(jù)通過廣播傳送到地面，叫做高解析度圖像傳輸（HRPT）；第二種只傳輸AVHRR兩個(gè)頻道的圖像數(shù)據(jù)，稱為自動(dòng)圖片傳輸(APT)?！?.3

中國(guó)《風(fēng)雲(yún)衛(wèi)星》和感測(cè)器（China′sFYSatellite&Sensors）

我國(guó)1988年發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星，即“風(fēng)雲(yún)一號(hào)”（FY-1）太陽(yáng)同步軌道氣象衛(wèi)星。FY-1是太陽(yáng)同步極軌氣象衛(wèi)星，其海洋探測(cè)性能類似於美國(guó)的NOAA/TIROS衛(wèi)星，衛(wèi)星雲(yún)圖的清晰度可以與美國(guó)諾阿衛(wèi)星雲(yún)圖媲美。由於星上元器件發(fā)生故障，F(xiàn)Y-1A只工作了39天。我國(guó)在成功發(fā)射了兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星FY-1A和FY-1B後，第三顆FY-1C和第四顆FY-1D衛(wèi)星開始轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)應(yīng)用，並被世界氣象組織列入全球氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用行列。FY-1C是我國(guó)的第一顆三軸穩(wěn)定太陽(yáng)同步極地軌道氣象衛(wèi)星。其主要功能是用於天氣預(yù)報(bào)、氣候研究及環(huán)境監(jiān)測(cè)。我國(guó)各地地面站通過接收FY-1C的CHRPT數(shù)據(jù)，可以每天兩次獲取當(dāng)?shù)氐挠^測(cè)資料。資料處理中心通過接收星上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，可以每天獲取一次全球資料。FY-1C的高解析度即時(shí)廣播資料CHRPT免費(fèi)向全球開放。

表2-3:FY-1C和FY-1D主要技術(shù)指標(biāo)軌道高度870km傾角98.85°偏心率<0.005軌道週期102.3min感測(cè)器多通道可見光和紅外掃描輻射計(jì)(MVISR)掃描刈幅3100km“風(fēng)雲(yún)一號(hào)”的主要感測(cè)器是多通道可見光和紅外掃描輻射計(jì)（MVISR：MultichannelVisibleandInfraredScanRadiometer），俗名十通道掃描輻射計(jì)。MVISR的視場(chǎng)範(fàn)圍為1.2μRad（微?。?，星下點(diǎn)解析度為1.1km，掃描刈幅為3100km。多通道可見光和紅外掃描輻射計(jì)（MVISR）的通道數(shù)由開始的“風(fēng)雲(yún)一號(hào)”A的5個(gè)增加到後來的“風(fēng)雲(yún)一號(hào)”C的10個(gè)，包括4個(gè)可見光通道、2個(gè)近紅外通道、1個(gè)中紅外通道和3個(gè)熱紅外通道。表2-4:FY-1衛(wèi)星的多通道可見光和紅外掃描輻射計(jì)（MVISR）各通道波長(zhǎng)和用途通道號(hào)波長(zhǎng)(

m)主要用途10.58～0.68白天雲(yún)層、冰雪、植被20.84～0.89白天雲(yún)層、植被、水33.55～3.93熱源、夜間雲(yún)層410.3～11.3海表面溫度、白天/夜間雲(yún)層511.5～12.5海表面溫度、白天/夜間雲(yún)層61.58～1.64土壤濕度、冰雪識(shí)別70.43～0.48海洋水色80.48～0.53海洋水色90.53～0.58海洋水色100.90～0.965水汽我國(guó)分別於1997年和2000年發(fā)射了兩顆地球靜止氣象衛(wèi)星的試驗(yàn)星—“風(fēng)雲(yún)二號(hào)”A（FY-2A）和“風(fēng)雲(yún)二號(hào)”B（FY-2B）。2000年投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的靜止氣象衛(wèi)星（FY-2B）定點(diǎn)於105°E赤道上空。在FY-2B發(fā)射之前，已將FY-2A移動(dòng)並定點(diǎn)於86°E，用於測(cè)試和備份。FY-2氣象衛(wèi)星的主要載荷是可見光和紅外自旋掃描輻射計(jì)（VISSR：VisibleandInfraredSpin-ScanRadiomete）FY-2氣象衛(wèi)星具有下列功能：第一、獲取可見光、紅外光的水汽和雲(yún)圖像；利用上述數(shù)據(jù)得到的雲(yún)分析圖、雲(yún)參數(shù)、由多幅連續(xù)雲(yún)圖顯示的雲(yún)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)出的高空風(fēng)向量和利用紅外數(shù)據(jù)提取的海表面溫度等；第二、收集和傳送觀測(cè)到的數(shù)據(jù)；第三、廣播S波段-VISSR數(shù)據(jù)、WEFAX（WEatherFAX：天氣圖無線電傳真）和S波段-FAX（S波段微波傳真）或處理過的雲(yún)圖；第四、監(jiān)測(cè)空間環(huán)境。表2-5:FY-2A/B可見光和紅外自旋掃描輻射計(jì)VISSR主要特徵通道可見光紅外水汽波長(zhǎng)0.55-1.05μm10.5-12.5μm6.2-7.6μm解析度1.25km5km5km掃描線2500×425002500信噪比S/N=6.5(反照率2.5%)S/N=43(反照率95%)NEDT=0.5-0.65k(300K)NEDT=1k(300K)量化精度6bits(比特)8bits8bitsDetectorSi-photo-diodeHgCdTeHgCdTe視場(chǎng)角(FOV)35μRad(微弧)140μRad140μRad步進(jìn)角140μRad(由北向南)

幀週期30min

表2-6:FY-2C/D/E可見光和紅外自旋掃描輻射計(jì)VISSR主要特徵通道可見光通道紅外通道水汽通道紅外通道紅外通道波長(zhǎng)0.5～0.75μm3.5～4.0μm6.2～7.6μm10.3～11.3μm11.5～12.5μm解析度1.25km5km5km5km5km掃描線2500×42500250025002500信噪比S/N=6.5(反照率25%)S/N=43(反照率95%)NEDT=0.5(300K)NEDT=1K(300k)NEDT=0.5(300K)NEDT=0.5(300K)量化精度8bits10bits8bits10bits10bits與FY-2A和FY-2B兩顆衛(wèi)星相比，風(fēng)雲(yún)二號(hào)02批的三顆衛(wèi)星有下列改進(jìn)：第一、可見光和紅外自旋掃描輻射計(jì)的通道數(shù)目從三個(gè)增加到五個(gè)，較大地增強(qiáng)了衛(wèi)星的觀測(cè)能力，衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式也有相應(yīng)改變。第二、增加星上電源能力，在衛(wèi)星地影星蝕期間儀器不間斷工作，加強(qiáng)了衛(wèi)星安全保護(hù)措施；第三、將FY-2A/B衛(wèi)星的WEFAX雲(yún)圖模擬廣播改為數(shù)字廣播。圖2-2：“風(fēng)雲(yún)二號(hào)”B星探測(cè)的可見光衛(wèi)星雲(yún)圖我國(guó)國(guó)家衛(wèi)星氣象中心網(wǎng)頁(yè)地址是/。國(guó)家衛(wèi)星氣象中心地面站能接收我國(guó)風(fēng)雲(yún)系列衛(wèi)星資料、美國(guó)國(guó)家海洋大氣局管理的諾阿/極軌環(huán)境衛(wèi)星（NOAA/POES）資料和日本地球靜止氣象衛(wèi)星（GMS）資料，並對(duì)用戶提供服務(wù)。至2004年底，我國(guó)已經(jīng)發(fā)射了8顆氣象衛(wèi)星。計(jì)畫在今後10年投入數(shù)十億元人民幣，我國(guó)將研製和發(fā)射9顆氣象衛(wèi)星。計(jì)畫中的新一代極軌氣象衛(wèi)星“風(fēng)雲(yún)三號(hào)”，將用於全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候變化預(yù)測(cè)，以及自然災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。氣象衛(wèi)星在對(duì)颱風(fēng)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中也發(fā)揮了重大作用，自從有了衛(wèi)星雲(yún)圖，我國(guó)國(guó)家氣象局就沒有漏報(bào)過颱風(fēng)。§2.4

水色衛(wèi)星和主要感測(cè)器（OceanColorSatellite&MajorSensors）

水色遙感在全球碳迴圈、初級(jí)生產(chǎn)力以及海洋與海岸帶環(huán)境變化等方面有著不可替代的重要作用。海洋水色衛(wèi)星遙感是全球觀測(cè)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。為配合國(guó)際地圈生物圈計(jì)畫（IGBP）的核心計(jì)畫全球海洋通量聯(lián)合研究計(jì)畫（JGOFS）、全球海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（GLOBEC）和海岸帶陸海相互作用（LOICZ）等國(guó)際研究計(jì)畫，人們使用海洋水色衛(wèi)星分別針對(duì)大洋I類水體及近岸II類水體的水色進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)。當(dāng)前利用海洋水色衛(wèi)星遙感開展的主要工作包括海洋碳通量研究、海洋生態(tài)系統(tǒng)與上層海洋過程的關(guān)係研究以及海岸帶生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星資助者感測(cè)器運(yùn)行軌道資料NIMBUS-7(1978/10-86/06)雨雲(yún)衛(wèi)星7號(hào)美國(guó)宇航局(NASA)感測(cè)器CZCS：5個(gè)可見近紅外波段(443～750nm)1個(gè)熱紅外波段(11.5μm)星下點(diǎn)解析度0.825km刈幅1566km。軌道：太陽(yáng)同步近圓形軌道高度：約955km傾角：99.3°節(jié)點(diǎn)：12:00amSeaStar(1997/09-02/09)別名：OrbView-2美國(guó)宇航局感測(cè)器SeaWiFS：8個(gè)波段(402～885nm)星下點(diǎn)解析度1.1km刈幅2800km。軌道：太陽(yáng)同步近圓形軌道高度：約705km傾角：98.2°軌道週期：99分節(jié)點(diǎn)：12:00am降軌EOS-AM別名：TERRA[拉丁語(yǔ)：地球](1999/12)美國(guó)宇航局感測(cè)器MODIS：36個(gè)波段(620～14385nm)星下點(diǎn)解析度1.0km(波段8-36)500m(波段3-7)250m(波段1和2)刈幅2330km。軌道類型：太陽(yáng)同步近圓形軌道傾角：98.2°高度：約705km軌道週期：100min節(jié)點(diǎn)：EOS-AM10:30am降軌EOS-PM1:30pm升軌EOS-PM別名：AQUA[拉丁語(yǔ)：水](2002/05-)ADEOS-II(2002/12-03/10)ADEOS-I(1996/08-97/06)日本國(guó)家航太發(fā)展局(NASDA)感測(cè)器：SeaWinds,GLI(GlobalImager),AMSR(AdvancedMicrowaveScanningRadiometer),ILAS-II(ImprovedLimbAtmosphericSpectrometer),POLDER(PolarizationandDirectionalityoftheEarth'sReflectances)軌道類型：太陽(yáng)同步近圓形軌道傾角：98.6°高度：約804.6km節(jié)點(diǎn)：10:41amIRS-P3(1996/03-01/03)印度DLR/德國(guó)感測(cè)器MOS：星下點(diǎn)解析度0.5km，刈幅200km。軌道類型:太陽(yáng)同步近圓形軌道，高度：約817km傾角：98.7°節(jié)點(diǎn):10:30amHY-1A(2002/05)中國(guó)/國(guó)家海洋局感測(cè)器COCTS：星下點(diǎn)解析度1.1km。感測(cè)器CCD：星下點(diǎn)解析度250m。軌道類型：太陽(yáng)同步近圓形軌道高度：798km傾角：98.8度運(yùn)行週期：100.83min什麼是水色衛(wèi)星？水色衛(wèi)星是指專門或兼顧為獲取海面或水面光學(xué)資訊而發(fā)射的遙感衛(wèi)星。水色衛(wèi)星載有海洋水色感測(cè)器。水色感測(cè)器與陸地資源或氣象感測(cè)器的主要不同點(diǎn)是：1）信噪比（SNR）極高2）波段帶寬較窄，水色感測(cè)器的可見光通道帶寬大約10nm，近紅外通道帶寬大約20nm，光譜範(fàn)圍一般在400～900nm。3）時(shí)間窗口一般要求在當(dāng)?shù)貢r(shí)間10:30～14:30之間過境，最好是中午12:00左右。4）要求衛(wèi)星平臺(tái)具有傾斜功能，以避免太陽(yáng)直射光在海面的反射進(jìn)入視場(chǎng)。5）再訪問時(shí)間1～3天，空間幾何解析度500～1100m。6）有絕對(duì)的精度指標(biāo)要求表2-8:寬視場(chǎng)海洋觀測(cè)感測(cè)器SeaWiFS的八個(gè)可見光與近紅外通道的技術(shù)指標(biāo)Wavelength[nm]412443490510555670765865BandWidth[nm]

10

10

10

10

10

10

20

20SaturationRadiance[mW．cm-2．

m-1．sr-1]13.6313.2510.509.087.444.203.002.13InputRadiance[mW．cm-2．

m-1．sr-1]9.108.416.565.644.572.461.611.09S/NRatio499674667640596442455467寬視場(chǎng)海洋觀測(cè)感測(cè)器SeaWiFS（Sea-viewingWideField-of-viewSensor）是1997年美國(guó)發(fā)射的SeaStar上的專用星載儀器。其軌道週期為1.648小時(shí)。軌道傾角為98.21°，經(jīng)向的軌道間隔為12.44°或1385km。SeaWiFS主要用於探測(cè)海洋水色，它有八個(gè)可見光與近紅外通道。對(duì)於HRPT的局地區(qū)域覆蓋（LAC/HRPT），SeaWiFS的刈幅寬度是2,801km(+/-58.3deg)，星下點(diǎn)解析度是1.1km；對(duì)於全球區(qū)域覆蓋（GAC）SeaWiFS的刈幅寬度是1,502km(+/-45.0deg)，星下點(diǎn)解析度是4.5km。表2-9：SeaStar衛(wèi)星總體技術(shù)特性O(shè)rbitTypeSunSynchronousat705kmEquatorCrossingNoon+20min,descendingOrbitalPeriod99minSwathWidth(LAC)2,801kmSwathWidth(GAC)1,502kmSpatialResolution1.1kmLAC,4.5kmGACReal-TimeDataRate665kbpsDigitization10bitsRecurrentPeriodofSatellite16daysRepeatPeriodofSeaWiFS2daysglobalcoverage中等解析度成像光譜儀MODIS（MODerateresolutionImagingSpectro-radiometer）是美國(guó)宇航局發(fā)射的EOS-TERRA和EOS-AQUA衛(wèi)星上最重要的星載儀器，它將即時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)通過X波段向全世界直接廣播。MODIS從可見光到熱紅外有36個(gè)波段，波長(zhǎng)覆蓋範(fàn)圍從0.4μm到14.4μm。MODIS有9個(gè)波段用於水色遙感，其餘波段用於大氣遙感。MODIS的兩個(gè)通道空間解析度可達(dá)250m，5個(gè)通道為500m，29個(gè)通道為1000m，刈幅達(dá)2330km，可同時(shí)獲取地球大氣、海洋、陸地、冰川雪蓋等多種環(huán)境資訊，有助於建立有關(guān)大氣、海洋和陸地的動(dòng)態(tài)模型，以及建立預(yù)測(cè)全球變化的模型。PrimaryUseBandBandwidthSpectralRadianceRequiredSNRorNEΔT(K)Land/Cloud/AerosolsBoundaries1620～670nm21.8m-2．μm-1．sr-1128(SNR)2841～876nm24.7201(SNR)Land/Cloud/AerosolsProperties3459～479nm35.3243(SNR)4545～565nm29.0228(SNR)51230～1250nm5.474(SNR)61628～1652nm7.3275(SNR)72105～2155nm1.0110(SNR)OceanColor/Phytoplankton/Biogeochemistry8405～420nm44.9880(SNR)9438～448nm41.9838(SNR)10483～493nm32.1802(SNR)11526～536nm27.9754(SNR)12546～556nm21.0750(SNR)13662～672nm9.5910(SNR)14673～683nm8.71087(SNR)15743～753nm10.2586(SNR)16862～877nm6.2516(SNR)AtmosphericWaterVapor17890～920nm10.0167(SNR)18931～941nm3.657(SNR)19915～965nm15.0250(SNR)Surface/CloudTemperature203.660～3.840μm0.45(300K)0.05NEΔT(K)213.929～3.989μm2.38(335K)2.00NEΔT(K)223.929～3.989μm0.67(300K)0.07NEΔT(K)234.020～4.080μm0.79(300K)0.07NEΔT(K)表2-10：MODIS的36個(gè)波段的技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用目的AtmosphericTemperatureProfile244.433～4.498μm0.17(250K)0.25NEΔT(K)254.482～4.549μm0.59(275K)0.25NEΔT(K)CirrusClouds(卷雲(yún))/WaterVaporMoistureProfile261.360～1.390μm6.00150(SNR)276.535～6.895μm1.16(240K)0.25NEΔT(K)287.175～7.475μm2.18(250K)0.25NEΔT(K)CloudProperties298.400～8.700μm9.58(300K)0.05NEΔT(K)Ozone309.580～9.880μm3.69(250K)0.25NEΔT(K)Surface/CloudTemperature3110.780～11.280μm9.55(300K)0.05NEΔT(K)3211.770～12.270μm8.94(300K)0.05NEΔT(K)CloudTopAltitude/AtmosphericTemperatureProfile3313.185～13.485μm4.52(260K)0.25NEΔT(K)3413.485～13.785μm3.76(250K)0.25NEΔT(K)3513.785～14.085μm3.11(240K)0.25NEΔT(K)3614.085～14.385μm2.08(220K)0.25NEΔT(K)SNR:Signal-to-noiseratio,NEΔT(K):Noise-EquivalentTemperatureDifference表2-11：EOS-TERRA和EOS-AQUA衛(wèi)星總體技術(shù)特性O(shè)rbit705km,10:30a.m.descendingnode(Terra)or1:30p.m.ascendingnode(Aqua),sun-synchronous,near-polar,circularSwathDimensions2330km(crosstrack)by10km(alongtrackatnadir)Size1.0x1.6x1.0mWeight228.7kgPower162.5W(singleorbitaverage)DataRate10.6Mbps(peakdaytime);6.1Mbps(orbitalaverage)Quantization12bitsSpatialResolution250m(bands1～2),500m(bands3～7),1000m(bands8～36)DesignLife6yearsRecurrentPeriod16daysRepeatPeriod1～2daysglobalcoverage圖2-3：MODIS探測(cè)阿拉斯加外海的葉綠素渦旋

圖2-4：MODIS在2003年7月23日探測(cè)到南海颱風(fēng)Imbudo正以166km/h的速度向西北運(yùn)動(dòng)§2.5

中國(guó)“海洋一號(hào)”衛(wèi)星及數(shù)據(jù)產(chǎn)品（China′sHY-1Satellite&DataProducts）

“海洋一號(hào)”A（HY-1A）是我國(guó)第一顆用於海洋水色探測(cè)的試驗(yàn)型業(yè)務(wù)衛(wèi)星。HY-1A是一顆小型衛(wèi)星，星上載有十波段中國(guó)海洋水色和溫度掃描器COCTS（俗稱水色掃描器）和四波段電荷耦合裝置相機(jī)（CCD，俗稱CCD相機(jī)）。HY-1A觀測(cè)區(qū)域?yàn)椴澈?、黃海、東海、南海、日本海及海岸帶等區(qū)域；主要觀測(cè)要素是海水光學(xué)特徵、葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、可溶有機(jī)物、污染物及海表面溫度等；兼顧觀測(cè)要素包括海洋冰情、淺海地形、海流特徵及海面上空對(duì)流層氣溶膠。表2-9：HY-1A衛(wèi)星總體技術(shù)特性軌道類型太陽(yáng)準(zhǔn)同步近圓形極地軌道姿態(tài)控制3軸穩(wěn)定軌道高度798km測(cè)控統(tǒng)一S頻段傾角98.8°數(shù)傳系統(tǒng)X頻段下行降交點(diǎn)地方時(shí)8:53～10:10am數(shù)碼傳輸速率5.3232Mbps軌道週期100.8min星上存儲(chǔ)量80MB再訪問時(shí)間（中緯度地區(qū)）水色掃描器3天CCD相機(jī)7天設(shè)計(jì)壽命2年表2-10：中國(guó)海洋水色和溫度掃描器COCTS的八個(gè)可見光與近紅外通道的技術(shù)指標(biāo)

波段[nm]412443490520565670750865波段寬度

10

10

10

10

10

10

20

20飽和輻亮度[mW．cm-2．

m-1．sr-1]12.111.09.48.26.94.92.92.3典型輸入[mW．cm-2．

m-1．sr-1]9.108.416.565.464.572.461.611.09典型信噪比（SNR）349472467448417309319327表2-11：CCD相機(jī)的四個(gè)通道的技術(shù)指標(biāo)波段[

m]0.42～0.500.52～0.600.61～0.690.76～0.89飽和輻亮度[mW．cm-2．

m-1．sr-1]15.627.617.115.7動(dòng)態(tài)範(fàn)圍(最大目標(biāo)反射率)20%50%35%50%典型信噪比SNR617578463471表2-12：HY-1A衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品種類級(jí)別感測(cè)器產(chǎn)品種類0級(jí)COCTS解包後的原始數(shù)據(jù)cocts.L0CCD解包後的原始數(shù)據(jù)ccd.L01級(jí)COCTS經(jīng)雲(yún)檢測(cè)、地理定位和輻射校正後的L1A、L1BCCD經(jīng)雲(yún)檢測(cè)、地理定位和輻射校正後的L1A、L1B2級(jí)COCTS6種離水輻亮度(412、443、490、510、555和670波段)3種氣溶膠輻射(670、750和865波段)第7和8波段氣溶膠輻射比，氣溶膠光學(xué)厚度(865波段)葉綠素-a濃度分佈，海表面溫度分佈，懸浮泥沙含量分佈漫衰減係數(shù)CCD植被指數(shù)NDVI和泥沙含量等2種3級(jí)COCTS16種2級(jí)產(chǎn)品要素的周和月統(tǒng)計(jì)結(jié)果國(guó)家海洋局國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心、第二海洋研究所和中國(guó)海洋大學(xué)分別在北京、三亞、杭州和青島建立了衛(wèi)星地面接收站，這些地面站能夠接收我國(guó)HY-1A衛(wèi)星資料、美國(guó)MODIS或SeaWiFS海洋水色衛(wèi)星資料。廣州氣象部門在廣州市也建立了MODIS衛(wèi)星地面接收站。2002年我國(guó)國(guó)家海洋局在南極長(zhǎng)城站開始建立衛(wèi)星地面站，該站能接收太平洋上空的美國(guó)地球靜止運(yùn)行環(huán)境衛(wèi)星GOES和我國(guó)風(fēng)雲(yún)衛(wèi)星FY-1發(fā)出的信號(hào)。在HY-1A及地面應(yīng)用系統(tǒng)正常運(yùn)行一年當(dāng)中，國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心累計(jì)接收、處理了HY-1A衛(wèi)星的1021次觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)範(fàn)圍覆蓋中國(guó)海域以及大西洋、南太平洋、印度洋、墨西哥灣和南極大陸等海域和地區(qū)。通過開發(fā)資訊提取模式，獲得了海洋離水輻射率、葉綠素-a濃度分佈、海表面溫度分佈、氣溶膠光學(xué)厚度和懸浮泥沙含量分佈等海洋水色相關(guān)資訊，製作了多種衛(wèi)星資料產(chǎn)品。圖2-5：HY-1A/COCTS資料反演的2002年6月葉綠素濃度圖2-6：HY-1A/COCTS探測(cè)的2003年第一季度渤黃海SST圖2-7：

HY-1衛(wèi)星遙感資料反演的長(zhǎng)江口懸浮泥沙分佈圖2-8：2003年2月5日HY-1衛(wèi)星COCTS探測(cè)的渤海遼東灣和渤海灣海冰第九章高度計(jì)（Altimeter）§9.1

高度計(jì)（Altimeter）§9.2

海面地形（Topography）§9.3

有效波高（SignificantWaveHeight）§9.4

風(fēng)速的觀測(cè)（ObservationofWindSpeed）§9.5

高度計(jì)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品（DataProductsofAltimeters）§9.1

高度計(jì)（Altimeter）§9.1.1

衛(wèi)星和高度計(jì)（Satellites&Altimeter）§9.1.2

海面地形幾何學(xué)（TopographyGeometry）§9.1.3

高度計(jì)的應(yīng)用（ApplicationsofAltimeter）Altimeterisaninstrumentthatmeasuresthealtitudeofanobjectorsurface,withrespecttoafixedlevel,likesealevel.從衛(wèi)星探測(cè)海洋動(dòng)力參數(shù)主要依靠主動(dòng)微波雷達(dá)，即高度計(jì)、散射計(jì)和合成孔徑雷達(dá)。

使用高度計(jì)（altimeter）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海表面高度SSH（SeaSurfaceHeight）、有效波高SWH（SignificantWaveHeight）、海面地形（seasurfacetopography）等動(dòng)力參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)可以獲取海流（oceancurrents）、海浪（seawaves）、潮汐（tides）、海表面風(fēng)（seasurfacewinds）等動(dòng)力參數(shù)資訊。此外，衛(wèi)星高度計(jì)資料還可應(yīng)用於地球結(jié)構(gòu)和海洋重力場(chǎng)的研究。兩種衛(wèi)星高度計(jì)，一種是雷達(dá)高度計(jì)（radaraltimeter），另一種是鐳射高度計(jì)（laseraltimeter），前者發(fā)射和接收海面返回的微波，後者發(fā)射和接收海面返回的鐳射。我國(guó)神舟飛船留軌艙攜帶的是鐳射高度計(jì)，國(guó)外衛(wèi)星通常攜帶的是雷達(dá)高度計(jì)。

§9.1.1

衛(wèi)星和高度計(jì)

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)1995/04－2002ESA5.37851.70.10TOPEX/POSEIDON(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表9-1:載有高度計(jì)的衛(wèi)星資訊

1992年8月，美國(guó)宇航局（NASA/USA）與法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES/France）聯(lián)合發(fā)射了高度計(jì)專用衛(wèi)星TOPEX/POSEIDON；隨著設(shè)備精度的提高以及校正工作的改進(jìn)，T/P衛(wèi)星測(cè)量海平面高度的精度（precision）為2.4cm，準(zhǔn)確度（accuracy）為14cm。精度（precision），在統(tǒng)計(jì)學(xué)中對(duì)應(yīng)於絕對(duì)平均誤差（absolutemeanerror）；準(zhǔn)確度（accuracy）在概率理論中用標(biāo)準(zhǔn)差（standarddeviation）描述，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中對(duì)應(yīng)於均方根（rms）。ForTOPEX/POSEIDON,eachmeasurementofsealevelheighthasap