海洋参数的遥感反演

第六讲海洋参数的遥感反演卫星测高从卫星探测海洋动力参数主要依靠主动微波雷达，即：①高度计②散射计③合成孔径雷达使用高度计可以发挥以下作用：①测量海洋动力参数：海表面高度SSH（SeaSurfaceHeight）有效波高SWH（SignificantWaveHeight）海面地形（seasurfacetopography）②获取海洋动力参数信息：海流（oceancurrents）海浪（seawaves）潮汐（tides）海表面风（seasurfacewinds）③研究地球结构和海洋重力场卫星高度计两种卫星高度计①雷达高度计：发射和接收海面返回的微波②激光高度计：发射和接收海面返回的激光我国神舟飞船留轨舱携带的是激光高度计国外卫星通常携带的是雷达高度计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/NAVYERS-1(RA)1991/07－96/06ESA5.37851.70.10ERS-2(RA)1995/04－2002ESA5.37851.70.10TP/Jason(NRA和SSALT)1992/08－NASA/CNES5.3/C&13.6&13.65/Ku13002.20.024Jason-1(NRA/Poseidon-2)2001/12－NASA/CNES5.3/C&13.6/Ku13002.20.03Envisat(Altimeter)2002/03－ESA13.5/Ku8001.70.03载有高度计的卫星TOPEX/POSEIDON卫星（T/P卫星）：①1992年8月，美国NASA与法国国家空间研究中心（CNES）联合发射了高度计专用卫星TOPEX/POSEIDON②设备精度的提高以及校正工作的改进，目前T/P卫星测量海平面高度：精度：2.4cm准确度：14cm③T/P卫星携带两个高度计：双频率雷达高度计（Ku(13.6GHz)+C(5.3GHz)NASA单频率高度计SSALT（Ku（13.65GHz））CNESJASON-1卫星：①2001年12月，NASA与CNES联合发射了Jason-1，这是T/P的第一颗后续卫星。②JASON-1携带两个高度计：NRA高度计Poseidon-2高度计（Ku+C）③微波辐射计T/P卫星：三频率微波辐射计TMRJASON-1卫星：微波辐射计④上述微波辐射计通过探测大气中水汽含量实现对高度计测量的大气校正⑤T/P卫星通过携带的6台传感器共同完成海面地形测量任务海面地形几何学（TopographyGeometry）涉及到的有关科学术语包括：1.距离（range）2.地球等势面（geop）3.大地水准面（geoid）4.参考椭球面（referenceellipsoid）5.大地水准面起伏（geoidundulation）或大地水准面高度（geoidheight）6.海面地形（seasurfacetopography）或海面动力高度（seasurfacedynamicheight）7.海面地形异常(topographyanomaly)8.海表面（seasurface）9.海表面高度（seasurfaceheight）10.海表面异常（seasurfaceanomaly）11.海平面（sealevel）12.海平面高度（sealevelheight）13.海平面异常（sealevelanomaly）1.距离（Range）、地球等势面（Geop）①距离是指卫星到海洋表面的距离。式中c——电磁波的传播速度R——距离（range）②地球等势面（geop）的位势等于常数，所以被称为等势面。③因为水汽会减缓电磁波在大气中的传播速度，所以卫星携带微波辐射计同时测量大气中的“垂程水汽含量”，以便为高度计的测量数据做大气校正。④高度计对海平面高度的测量精度依赖于对距离（range）的测量精度，T/P卫星对距离和海平面高度的测量精度都是2.4cm。2tcR海面地形几何学（topographygeometry）的示意图海面地形几何学示意图2.大地水准面、参考椭球面、大地水准面起伏①大地水准面（geoid）大地水准面（geoid）指与平均海表面最接近的地球等势面（geop），它反映了地球内部质量和密度分布的不均匀特性。如果在海洋中没有潮汐、海流和涡旋等运动，在大气中没有气压的变化，那么，大地水准面应和平均海表面一致。②参考椭球面（referenceellipsoid）参考椭球面是由一个双轴椭圆的旋转产生的，它是最接近地球表面形状的一个椭球面，它的赤道半径是6378.1363km，偏心率（扁率）是1/298.257。③大地水准面起伏（geoidundulation）大地水准面起伏指大地水准面相对于参考椭球面的位移。我们用hg表示大地水准面高度。由于地球质量分布不匀，hg的变化范围在﹣106m和﹢83m之间，从现有测量获得的hg的均方根等于30.6m。3.海面地形（Topography）海面地形或海洋地形被定义为海表面相对于大地水准面（geoid）的位移4.海表面高度、海表面异常•海表面高度（seasurfaceheight）表示海表面（seasurface）相对于参考椭球面（referenceellipsoid）的距离。•海表面异常被定义为海表面高度与平均海表面高度的偏差。•平均海表面高度表示若干年内的平均值。•数据处理中心经常提供海表面高度SSH和海表面异常SSA。一般地，SSA已经减去了潮汐的影响，潮汐的影响是根据已有的潮汐模式计算获得的。5.海平面、海平面高度、海平面异常各个不同的数据处理中心提供的以下数据产品有时没有完全遵照上述定义：•海平面高度SLH（SeaLevelHeight）•海平面异常SSA（seaLevelanomaly）•海平面偏差（sealeveldeviation）数据产品三个术语表达相同定义，有时略有差别。①海平面（sealevel）和海表面（seasurface）是两个非常相近的概念。②海平面（sealevel）是高潮时的海表面和低潮时的海表面之间的中值。③SLH（SeaLevelHeight）代表海平面高度，它表示海平面（sealevel）相对于参考椭球面（referenceellipsoid）的高度，或者相对于其它任何参考标准面的高度。④SLA（SeaLevelAnomaly）代表海平面异常，它表示海平面相对于平均海平面（meansealevel）的高度差。⑤海面地形异常（topographyanomaly）近似地等于海表面异常SSA（SeaSurfaceAnomaly）。除去了潮汐影响的海表面异常SSA（SeaSurfaceAnomaly）近似地等于海平面异常SLA。注意：④高度计遥感与物理海洋学中定义（dynamicheight）的动力高度不同。•前者单位是m，仅代表海表面与某个等势面之间的高度差。•后者单位是动力米（1动力米=1J/kg，代表两点之间运送单位质量的海水消耗或释放的能量，是一种位势差。注意（续）：高度计的应用通过星载雷达高度计对海平面高度、有效波高、后向散射的测量，可应用于流、浪、潮和海面风速等重要动力参数的计算，还可应用于地球结构和海域重力场的研究。应用研究领域包括以下各个方面：①大洋环流②海洋潮汐③中尺度海洋现象④水准面与重力异常⑤有效波高⑥海面风速⑦海冰⑧水深⑨厄尔尼诺现象工作原理激光高度计不作讨论，后面的高度计均指微波高度计。高度计向海面发射短的微波脉冲。传播时间测高；回波波形的斜率测有效波高；回波强度测风速•卫星高度计由脉冲发射器、灵敏接收器和精确计时钟构成。•脉冲发射器从天空沿垂直方向向海面发射一系列极其狭窄的雷达脉冲，接收器检测经海面反射的电磁波信号，再由计时钟精确测定发射和接收的时间间隔Δt，便可算出由卫星到星下点瞬时海表面的距离：式中c——电磁波的传播速度R——距离（range）因为水汽会减缓电磁波在大气中的传播速度，所以卫星携带微波辐射计同时测量大气中的“垂程水汽含量”，用于大气校正。2tcR测高原理•依赖于雷达脉冲回波的斜率和时间•图示为雷达脉冲回波强度(接收功率)随时间的变化示意图A、B为小波高的情形C、D为大波高的情形A、C代表波峰处D、B代表波谷处•τ是波峰处反射的雷达脉冲和波谷处反射的雷达脉冲到达卫星接收器的时间区间，称为雷达的有效脉冲持续时间。•AB、CD的斜率与有效波高有对应关系。测波原理对2002年8月13～22日TP高度计星下点进行插值获得的全球有效波高高度计测量的有效波高准确度为1m或10%。•高度计测量的后向散射截面σ0和海面风速之间存在着一种非线性反比关系:风速增加海面粗糙度随之增加海表面均方斜率增加雷达脉冲的侧向散射能量增加雷达标准后向散射截面σ0减小•得到σ0与海面风速之间的数学关系称为“模式函数”,通常用经验方法确定该函数。•只能测风速，不能测风向。测风原理高度计测高误差①轨道误差包括在轨道半径测量上的误差和在轨迹位置确定上的误差，时钟的误差也产生与轨道误差等价的误差。②坐标系（coordinatesystem）误差坐标系误差是采用多种不同坐标系使用带来的。在处理高度计数据时，人们经常使用下列坐标系：a)用来追踪卫星位置的网状坐标系b)用来表示大地水准面的坐标系c)通过观测恒星体而定义的惯性参考坐标系d)用来确定日照长度和南北极位置的恒星坐标系这些坐标系没有一致的标准，它们的差别在1-2m之间。其他因素能造成在不同坐标系转换时产生误差：a)两极运动（±10m）b)地球的角速度（在赤道上每毫秒移动46cm）变化c)潮汐（±20cm）d)陆地变形（±2cm）e)大陆漂移（±10cm）③电离层的折射率对电磁波传播速度影响带来的误差电离层内的自由电子能够减缓电磁波传播速度，可以用电离层折射率的实部n‘表示，这将影响从卫星到海面的距离R的计算。④对流层的折射率对电磁波传播速度影响带来的误差⑤海浪造成的粗糙海面带来的电磁波偏差海浪造成的粗糙海面也带来误差。波谷处反射的高度计雷达信号要比在波峰处反射的多，因此返回能量的中值对应于平均海平面偏向波谷侧，导致高度计所测海表面高度偏低。⑥使用激光测距仪跟踪卫星存在偏差。⑦极潮汐和逆气压等其它因素也产生偏差。高度计测高误差(续)•高度计在海表面的水平分辨率是几公里，它随海况不同而差异。一般使用高度计在海面投射脚印(footprint)的直径，来表达其水平分辨率。•对于具有典型有效波高（3mSWH）的开阔海域，TP高度计的水平分辨率是5.5km。TP高度计大约1s测量一次，沿轨迹的间距大约是6km。•由于各种原因，卫星高度计需要一个完全重复轨迹，对应的卫星轨道被称为循环轨道或重复轨道，对应的周期称为重复周期或循环周期。例如：ERS½卫星重复周期=35day轨道周期=100.5min在一个重复周期内卫星环绕地球的圈数N=501高度计卫星的地面轨迹TOPEX/Poseidon卫星高度计在24小时内的地面轨迹（左图）和在3天内的地面轨迹（右图）T/P卫星高度计地面轨迹•重复周期T=9.9155d（9days，21hours，58minutes，31.3seconds）≈10d•节点周期(Nodalperiod)t=112.0min•N=127轨迹可到达南北纬66.04o•用户手册：美国宇航局喷气推进实验室物理海洋学数据分发存档中心（JPL/PODAAC）和法国国家空间研究中心的卫星海洋学存档数据中心（AVISO）对于美国和法国合作发射的