搜索
海水盐度监测与反演——微波遥感姓名：张伟文班级：064111学号：20111002758目录一、绪论二、原理与方法三、海水盐度在遥感中反演算法及影响因素四、海洋遥感卫星及传感器介绍五、总结与展望1.1海水表面盐度测定的科学性及应用海表面盐度SSS是研究大洋环流和海洋对全球气候影响的重要参量、是决定海水基本性质的重要因素之一。海洋环流和全球水循环是海洋—气候系统中的两个重要组成部分，它们的相互作用导致盐度发生变化，从而影响海洋储存和释放热能的能力，并且影响海洋调节地球气候的能力。海洋盐度是描述海洋环流的关键变量，对海洋盐度进行观测可以加强对全球水循环的理解，同时它也是研究水团的重要流量示踪物。1.2微波测定盐度的发展上世纪70年代，盐度是唯一未实现从太空进行遥感监测的海面关键要素，海水盐度遥感观测技术的发展远远滞后于研究的需要。随着时间的发展，海水盐度遥感观测技术的基本理论体系已经建立起来，并广泛开展了盐度遥感的航空实验，获取数据研究。现在应用的卫星有欧空局SMOS卫星、美国SAC－D卫星SMOS卫星以及获取的数据美国SAC－D卫星二、原理与方法：海面盐度微波遥感反演算法主要有两种：基于海表发射率估算海表盐度的算法和基于贝叶斯定理提出的反演算法根据瑞利—金斯定律，黑体的辐射度Ｌ（ｆ）与表面温度的关系为：其中：波尔兹曼常数kb＝1.38×10-23（J•K-1）；Ｔ为黑体物理温度，单位为K，c为光速，f为频率，λ为波长计算得到的亮度温度对应该辐射亮度的黑体的物理温度，即：辐射亮度利用公式：可知：海面的亮度温度与极化角、方位角、海面状态、海水温度和海水的介电常数有关，而海水的介电常数与海水盐度、海水温度和射频有关，海水的介电常数本身是盐度、温度和射频的函数。因此，应用微波辐射计观测海水的亮温，再通过亮温与盐度的关系，应用算法进行盐度反演，就可以从微波辐射计得到的亮温数据中反演出海水的盐度。三、海水盐度在遥感中的反演算法及影响因素●SMOS卫星海水盐度遥感反演算法其中S为海表盐度，TBV，sur和TBH，sur分别为垂直极化和水平极化方向的海表面发射，ts为海表温度（℃），W为海表面风速（m/s），θi为入射角，系数s是θi和ts的功能函数。●SAC－D卫星海水盐度遥感反演算法ｉ为ＳＭＯＳ卫星测量值个数，Ｐ为参数矢量，σＰ平方为参考值期望误差的方差●影响因子：下层海洋状况对遥感没有直接影响，影响因素集中在海面和辐射计之间，具体分为四方面：太空、电离层、大气和海面▲太空来自太空的影响包括银河射电辐射和各种天体辐射（主要是太阳系辐射）。它们主要通过海面和大气的反射和散射进入辐射计天线。在卫星遥感时，还可能有小部分辐射直接进入天线的旁瓣，这部分辐射通常是恒定的或者缓变的，大多可以通过公式定量计算进行修正▲电离层对于线性极化测量值来说，法拉第旋转可以导致几个Ｋ的误差。Yueh等认为由于来自地球表面的微波辐射穿过电离层进行传播，依靠地球磁场和电离层中电子含量，线性极化场的分量以一个角度Ω进行旋转，在法拉第旋转的影响下，微波辐射极化是旋转的，并且通过天线检测到的亮温将与通过ΔTB计算的海表面辐射不一致。▲大气微波遥感中，在较低频率的情况下，大气衰减会很少，因此由于大气吸收而造成的辐射损失这个权重因数对于微波辐射影响很小▲海面影响盐度微波遥感的海面因素主要有海面粗糙度、泡沫和海温。海面粗糙度不仅受风的影响，而且受海表温度等因素的影响。风通过两类效应使微波亮温升高：一是海面粗糙度的增加；二是白帽和泡沫的覆盖面积增加。因此风速被选做表征海面粗糙度的参量海表粗糙度处理模型主要分为3大类：①基于大量卫星遥感和浮标同步测量数据拟合得到的经验模型；②基于粗糙海面发射率的电磁波辐射、散射理论的理论模型；③半经验半理论反演算法。由于海面粗糙度对盐度反演的影响很大，并且存在相互遮阴多次散射问题，在诸多粗糙度模型中，双尺度模型、微扰法SPM（SmallPeturbationMethod）和小斜率近似SSA（SmallSlopeApproximation）都可以用来处理相互遮阴多次散射问题，并且在处理多次散射问题时，往往综合考虑这几种方法海表粗糙度处理模型主要有以下三种：（1）双尺度模型（2）直接发射率模型（3）半经验半理论模型四、海洋遥感卫星及传感器介绍①Aquarius/SAC－D卫星计划Aquarius/SAC－D卫星是一颗搭载Ｌ波段主被动联合微波遥感仪器，并且可以在太空中对海洋表面盐度进行观测的卫星。卫星的设计寿命是3a，卫星主要的科学目的是进行全球海洋盐度的测定，空间分辨率为150km，并且在时间分辨率为30d、考虑所有传感器和地球物理学的随机误差和偏差前提下，精度要达到0.2psu[11]。该卫星上最重要的科学探测仪器就是美国研制的“宝瓶座”。它由被动式的Ｌ频段推扫式微波辐射计和主动式的Ｌ频段散射计组成，具有辐射分辨率更高、精度与稳定性更好的优点。前者用于测量海洋表面的微波辐射亮温，工作频率为1.413GHz；后者用于测量海洋表面的后向散射，工作频率为1.26GHz，也可测量海面粗糙度，对辐射亮温数据进行修正②SMOS卫星SMOS卫星基于独特的被动微波干涉成像技术，能够观测大气与海洋、陆地之间的水汽循环，将在观测全球气候变化领域起到关键作用。SMOS卫星唯一的载荷“基于孔径综合技术的微波成像仪（MIRAS）”是全球第一台采用该技术的星载微波遥感器。SMOS卫星的任务目的是应用Ｌ波段的微波辐射计，观测两个从未通过卫星测量的关键参数：土壤湿度和海水盐度。在卫星运转期间，将提供分辨率为200×200km的10~30d平均的全球大洋盐度数据，精度预计达到0.1psu③中国海洋卫星计划由于微波遥感的在我国兴起时间较晚，目前为止针对海洋微波遥感探测的卫星只有两颗，即海洋一号（HY—1）和海洋二号（HY—2）[14]。而且专门针对海水盐度监测的卫星及传感器依然是空白。但随着我国开始逐步重视海洋战略，这个领域的科学研究也受到越来越多关注2002年5月15号和2007年4月11号发射的海洋一号系列用于观测海水光学特征、叶绿素浓度、海表温度、悬浮泥沙含量、可溶有机物和海洋污染物质，并兼顾观测海水、浅海地形、海流特征和海面上大气气溶胶等要素，掌握海洋初级生产力分布、海洋渔业及养殖业资源状况和环境质量，了解重点河口港湾的悬浮泥沙分布规律，为海洋生物资源合理开发利用、沿岸海洋工程、河口港湾治理、海洋环境监测、环境保护和执法管理等提供科学依据和基础数据海洋一号（左）获取数据（右）中国于2011年8月16日发射运行的“海洋”2号（HY-2A）卫星有效载荷为3个微波遥感器，主要用来观测海面矢量风、海表温度和海面高度。HY-2A卫星将有效提高全球海洋卫星观测在时间和空间上的采样频率。海洋二号卫星（HY-2）是中国第一颗海洋动力环境卫星，该卫星集主、被动微波遥感器于一体，具有高精度测轨、定轨能力与全天候、全天时、全球探测能力。其主要使命是监测和调查海洋环境，获得包括海面风场、浪高、海流、海面温度等多种海洋动力环境参数[16]，直接为灾害性海况预警预报提供实测数据，为海洋防灾减灾、海洋权益维护、海洋资源开发、海洋环境保护、海洋科学研究以及国防建设等提供支撑服务五、总结与发展：随着SMOS卫星和Aquarius卫星相继升空，探测海表盐度的研究已经成为国际遥感研究的热点。这两颗卫星用来提供全球海水表层盐度的变化观测[19]，从而揭示海洋环流和全球水循环的关系，以及黑潮表层盐度分布特征，帮助人们理解大尺度的盐度变化对全球气候的影响。下一步将会通过航空遥感数据、海上实测海水CTD数据和水槽实验对卫星数据进行相互校正，以提高盐度遥感的精度，并且在中国近岸海域进行海表面盐度遥感研究随着我国海洋战略的实施和进一步加强，国家对海洋科学越来越重视，投入也大幅增加，这给正处在起步阶段的海洋研究带来了新的机遇。我们的海洋科学研究不再是仅仅跟随国外的进展，我们完全可以走自主创新的道路，开辟新的研究领域，为国家海洋事业做出新的贡献。相继升空的海洋一号和海洋二号科学卫星预示着海洋战略的实施已经初步显露，而规划中的发射计划也在稳步向前推进，在可预见的将来我国的海洋事业必将取得巨大的成就