卫星海洋学复习PPT(1-12章).ppt
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1、卫星海洋学(satellite oceanography)是随着人造地球卫星的诞生而发展起来的海洋科学的新分支,它包括两个方面的研究,即遥感的海洋学解释和遥感的海洋学应用。 遥感的海洋学解释涉及到对各种海洋环境参量的反演机制和信息提取方法研究。 遥感的海洋学应用涉及到卫运用卫星遥感资料在海洋学各个领域的研究。,卫星海洋遥感的应用 (Applications of Satellite-Oceanic Remote Sensing),电磁波谱,遥感类型1 被动遥感:可见光,可见光和近红外波段 多波段(detects colour ) 扫描方式(generates images) 不能透过云层 受大
2、气影响严重 Measure water properties which color the sea Also measure light reflected at the surface,数据类型1:水色数据,全球海表面叶绿素浓度分布(SeaWiFS:28/8-04/09/2004),遥感类型2 被动遥感:自发辐射,热红外辐射 多波段 受云影响 需要大气校正 反演海表面温度 微波辐射计 多频段 可穿透云层 几乎不受大气影响 反演SST 反演海面粗糙度 反演盐度,Why Use Microwave?,Clouds!,Two-days of Infrared,Two-days of Microw
3、ave,遥感类型3 主动遥感,雷达脉冲 散射计(course resolution) 反演风速和风向 成像雷达-SAR(fine resolution) 反演海面粗糙度,Ocean Surface Wind Speed,遥感类型3 主动遥感,雷达脉冲 散射计(course resolution) 反演风速和风向 成像雷达-SAR(fine resolution) 反演海面粗糙度 垂直发射 高度计 测量返回时间 反演距海面距离 测量回波形状和强度 反演波高和风场,Satellite ocean datasets, 4: from altimetry,SSH Anomaly (from Altim
4、eter) Height 16-26 Sep, 2003- mean height over several years,第四章 卫星轨道与分辨率 (Satellite Orbit & Resolution ),太阳同步近圆形极轨气象卫星(meteorological satellite with Sun-synchronous, polar and near-circular orbit)可以在大约八百公里的高空巡视全球表面,缺点是对某一地区每天只能观测两次。,地球静止气象卫星(geostationary meteorological satellite)可以在大约三万五千公里的高空对地球表
5、面近五分之一的地区连续地进行气象观测,实时将资料送回地面;用四颗卫星均匀地布置在赤道上空,就能对全球的中,低纬度地区天气系统的形成和发展进行连续监测。缺点是不能观测纬度大于55的地区。,无论是光学装置还是微波雷达,它们的角分辨率由D唯一确定;它们的空间分辨率由、D和H三个参数确定。 见光的波长比微波要小的多,它们的比值是10-5 的量级,所以可见光波段的相机的分辨率一般要远远高于真实孔径雷达。 请注意,合成孔径雷达的分辨率原理不同于此。,角分辨率:=1.22/D 空间分辨率:d=1.22H/D,光学分辨率,微波雷达的分辨率,第五章 电磁辐射 (Electromagnetic Radiation
6、),极化状态是根据电场方向与参考平面的关系来定义的; 究竟是水平极化还是垂直极化涉及到电场方向与参考平面的关系。,水平极化和垂直极化,水平极化 horizontal polarization,垂直极化 vertical polarization,辐射术语(Radiation Terms),辐亮度 (Radiance) 沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量 亮度B(brightness):接收(incident)-微波波段 光谱辐亮度L()(Spectral Radiance)单位波段内沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量,From “An Introduction to Ocean R
7、emote Sensing”,朗伯表面(Lambert surface),辐亮度L不是和 的函数,这样的表面被称为朗伯表面(Lamber surface)。朗伯定理表达的事实是:朗伯表面在不同方向看是一样亮的。,对应于面积是A的朗伯表面辐射通量是,考虑到:,朗伯表面(Lambert surface),朗伯表面的辐亮度,朗伯表面的辐照度,只有黑体才是完全理想的余弦辐射体。太阳似圆盘而不象球,说明它近似于朗伯表面。 在可见光和近红外波段,具有粗糙表面的自身发射体和被照射的散射体接近于余弦辐射体,这是海洋遥感的基本理论依据之一。,基尔霍夫定律(Kirchoff Law),基尔霍夫定律(Kirchof
8、f Law)在海洋遥感中是极其重要的定律,它是海表面物理量遥感机理的基础之一。 地球表面温度变化的时间尺度远大于遥感仪器的一次测量需要的时间区间,因此,在遥感计算中地球表面的局部热力学平衡条件得到普遍满足。,推广公式-I:,用菲涅耳反射率(,)代替反射率r(),则,此公式是仅适用于两介质界面处的基尔霍夫定律表达式,它表达在局部热力学平衡条件下,除掉反射的部分以外,所有吸收的能量都被发射出去了 在海表面温度、海表面盐度和海面风的遥感中,人们经常使用这个公式。,推广公式-II:,大气某些成分对于某些波段的电磁波具有较强吸收能力,形成了大气吸收带。 忽略大气的漫反射率,大气发射率等于大气吸收率,大气
9、发射率eA(,)等 于1减去大气透射率t(,),即,该公式是仅适用于介质内部的基尔霍夫定律表达式,表现了大气吸收带的发射率特征,它可应用于大气垂直剖面温度和湿度的遥感。,与基尔霍夫定律相结合,此公式能够解释许多海洋大气的遥感理论问题,普朗克辐射定律,瑞利-金斯定律,斯忒藩-玻耳兹曼定律,维恩位移定律,极点,积分,“低频”,如果已知海面发射的辐亮度,那么直接代入普朗克辐射定律经过计算可以获得一个黑体等效辐射温度。这样获得的温度不是真实的海表面温度,它被称为海表面亮温(brightness temperature)TB,或称为黑体温度(blackbody temperature)TB。,亮温(Br
10、ightness Temperature),欲获得真实的海表面温度,除了从卫星遥感获得的辐亮度要经过大气校正以外,还要在计算中考虑到海水的灰度,即海面发射率;,微波辐射计探测的亮温与海表面温度SST的关系,微波波段,普朗克定律变为瑞利-金斯定律,根据海面发射率的定义,亮温(Brightness Temperature),微波辐射计探测的亮温与海表面温度SST的关系,T(,TSST)代表海表面之上的传感器能够探测到的亮温,它可能是波长、海表面的热力学温度和立体角的函数; TSST是海表面一个薄层海水的温度,它代表海表面的物理温度或热力学温度,当然它与常规水桶采水法在一定深度取水测得的海表面温度略
11、有差别。,亮温(Brightness Temperature),什么是海面亮温(Sea Surface Brightness Temperature)TB ? 在不考虑大气效应的情况下,微波辐射计探测到的“海面亮温”与海面真实温度之间有什么关系? 普朗克定律和瑞利金斯定律分别适用于热红外、可见光、微波波段三个波段中哪些波段的辐亮度计算? 哪个波段的辐射计适于探测海表面温度,为什么?,Klein and Swift(1977),1-2 GHz的频率范围内不同的盐度导致不同的海面发射率e,海表面盐度的微波遥感正是利用了这个特性。,在1-2 GHz的频率范围内,复相对电容率随盐度不同而有明显差异;不
12、同的相对电容率导致不同的菲涅耳反射率。,第六章 散射和吸收-PART1 (Scatter and Absorption),6.1 描述衰减的术语(Terms Describing Attenuation) 6.2 辐射传输方程( Radiative Transfer Equation) 6.3 大气层和大气窗(Aerosphere & Atmospheric Windows) 6.4 辐射传输方程(Radiative Transfer Equation),复折射率的虚部的物理意义?,上式表明了电场强度的衰减系数 ke()与复折射率的虚部n二者之间的关系 这个公式直接地揭示了n的物理意义:复折射
13、率的虚部n是描述电磁波在传播过程中能量衰减快慢程度的物理量。,ke是电场强度的衰减系数,代表电场强度Ex(, z)的衰减项,1.2 皮层深度(skin depth),如果在z=d处的电场强度Ex(,d)衰减为初始值Ex(,0)的1/e,那么我们定义从z=0 到 z=d的距离为皮层深度(skin depth),电场强度(electric field intensity)的表达公式,辐亮度与电场强度的平方成比例。电场强度衰减为初始值的1/e,这意味着辐亮度衰减为初始值的(1/e)20.135。这里e是自然数,e2.71828,皮层深度有多大?,在如此短的距离内,电场强度衰减为初始值的1/e,辐亮度
14、就已衰减到初始值的 (1/e)2 0.135。 只有接近海面非常薄的水层的水分子发射的电磁波能够溢出水面!,对于频率为10GHZ,波长为3cm的微波,20oC,35psu的海水,d = 1.96 mm,左图表示无论夜间还是白天,当强风(U10 6 m/s)时充分混合的上表层温度剖面; 右图表示在白天强日照和弱风条件下层化的上表层温度剖面。,T11m :波长为11 m的热红外光辐射计 T10GHz :频率为10 GHz的微波辐射计 Tb、 :浮标测量的温度 Ts :海表面温度 T :|Ts-Tb| 三条黑色线段分别代表对以上三个测量温度有贡献的海水厚度层; T11m和T10GHz的两条黑色线段的
15、下端分别对应着两个不同波段的皮层深度。,皮层深度有多深?卫星遥感观测的SST代表什么?,风速5m/s时,skin和sub-skin的典型温差为0.17oC,吸收和散射都引起衰减; 衰减系数(attenuation coefficient)ka() = 吸收系数(absorption coefficient)kab () + 散射系数(scattering coefficient)ksc(),2.2 光学厚度,朗伯-比尔透射定律的积分形式和透射率?,衰减系数,积分,透射率t()等于在位置z和位置z0的辐亮度之比,将该定义代入到以上公式,可知,该式是朗伯-比尔透射定律(Lamber-Beer Tr
16、ansmittance Law)的积分形式。,6.1 米氏散射和瑞利散射 (Mie Scatter & Rayleigh Scatter),无量纲的粒子尺度q1,米氏散射和瑞利散射的微观理论都不适用。 米氏散射(Mie Scatter)理论适用于描述q(即粒子的周长与电磁波波长之比)小于1的球形粒子对电磁波的散射现象。 瑞利散射理论适用于描述q远小于1的球形粒子对电磁波的散射现象。,瑞利散射的适用范围: q0.05 (满足q1条件),频率为3 GHz 的微波波长约为10 cm,无量纲的粒子尺寸q0.05要求对应的粒子半径r0.8 mm,只有小雨点满足该条件;比小雨点还小的气溶胶粒子和空气分子对
17、微波的散射属于瑞利散射,但由于它们引起的衰减太小,可以忽略不计,热红外波段,若=10 m,无量纲的粒子尺寸q0.05要求粒子半径r0.08 m,但是大气中绝大多数气溶胶粒子超过这个范围。在可见光波段,除了对于大气层空气分子(指氮气和氧气分子)和海水的水分子可用瑞利散射理论,对于其它粒子必须使用米氏理论,大气层空气分子的散射属于哪一种?气溶胶散射对可见光和微波各属于哪一种?为什么?,辐射计探测的总辐亮度(radiance detected by radiometer),LA:与大气温度相同的黑体发射的辐亮度大气 的发射率等于1-t, t 可以由光学厚度导出 LS: 与海表面温度相同的黑体发射的辐
18、亮度 eS: 海面的发射率,eS =1-S 。,第七章 辐射计和水色遥感 (Radiometer & Ocean Color Remote Sensing),1. 水色遥感简介(Introduction to Ocean Color Remote Sensing),水色探测使用的波段: 400-700nm可见光,MODIS = Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer -中等分辨率成像光谱仪 Terra Satellite launched December 18th, 1999 Aqua satellite launched May 4th,
19、 2002.,SeaWiFS = Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (since 1997)-宽视场海洋观测传感器,CZCS = Coastal Zone Color Scanner (1978 - 1986)沿岸带水色扫描仪,2. 辐射计(Radiometers),3. 大气校正和离水辐射,传感器接受到的总的辐亮度为:,4. 水色遥感的科学术语,如果已经知道海水的离水辐亮度,利用生物光学算法就可以量化叶绿素浓度和其它成分的浓度,离水辐亮度(Water-Leaving Radiance),4. 水色遥感的科学术语,Lwn 归一化离水辐亮度 F0 平均日
20、地距离处大气层外垂直入射的太阳辐照度,遥感反射率Rrs() (remote sensing reflectance),为什么在水色遥感中使用遥感反射率,而不直接使用离水辐亮度?,欲从辐射计观测辐亮度反演Chl-a,主要需要三个步骤: 剔除云 离水辐亮度在NIR波段近似为0,870nm主要是气溶胶和云反射 有NIR波段,反射率大于某个临界值认为是云 无NIR波段,应用可见光波段 从总辐亮度获取离水辐亮度 从离水辐亮度反演Chl-a和CDOM或者其它色素浓度,5. 海洋水色要素的生物光学算法,水色遥感分析,海面水色遥感的4点启发? 为什么在二类水体海域,水色遥感的大气校正异常困难?,第八章 热红外
21、辐射计 (Thermal-Infrared Radiometer),在10 m,太阳辐射大约是海面发射的300倍,但由于地球太阳之间的长距离传输,到达大气层顶的太阳辐射只是太阳表面的10-5, 大约是地球表面发射的 1/300;,热红外窗: 3.5-4.1 m 10.0-12.5 m.,在3.7 m, 入射的太阳辐射和海表面发射具有相同的量级,该波段只能在晚上应用(nighttime),8.1 红外辐射计(Infrared Radiometer),热红外窗: 3.5-4.1 m 10.0-12.5 m.,MODIS: 20通道(3.660m3.840 m)、22通道(3.929m3.989 m
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