1、簡介 衛星海洋學（satellite oceanography）是利用衛星遙感技術觀測和研究海洋的一門分支學科。衛星海洋學興起于20世紀70年代，它是衛星技術、遙感技術、光電子技術、信息科學與海洋科學相結合的產物。籠統地講，它包括兩個方面的研究，即衛星遙感的海洋學解釋和衛星遙感的海洋學應用。衛星遙感的海洋學解釋涉及到對各種海洋環境參量的反演機制和信息提取方法的研究，衛星遙感的海洋學應用涉及到運用衛星遙感資料在海洋學各個領域的研究。涉獵內容 （l）海洋遙感的原理和方法：包括遙感信息形成的機理、各種波段的電磁波（可見光、紅外和微波）在大氣和海洋介質中傳輸的規律、以及海洋的波譜特征。 （2）海洋信息

2、的提取：包括與海洋參數相關的物理模型、從遙感數據到海洋參數的反算法、遙感圖像處理和海洋學解釋、衛星遙感數據與常規海洋數據在各類海洋模式中的同化和融合。 （3）滿足海洋學研究和應用的傳感器的最佳設計和工作模式：包括光譜波段和微波頻率的選擇、光譜分辨率和空間分辨率的要求、觀測周期和掃描方式的研究、以及傳感器噪音水平的要求。 （4）反演的海洋參數在海洋學各領域中的應用。衛星遙感所獲得的海洋數據具有觀測區域大、時空同步、連續的特點，可以從整體上研究海洋。這極大地深化了人們對各種海洋過程的認識，引起了海洋學研究的一次深刻變革。衛星遙感資料和衛星海洋學的研究成果在海洋天氣和海況預報、海洋環境監測和保護、海

3、洋資源的開發和利用、海岸帶測繪、海洋工程建設、全球氣候變化、以及厄爾尼諾現象監測等科學問題上有著廣泛的應用。 原理 衛星在遙遠距離通過放置在某一平臺上的傳感器對大氣或者海洋以電磁波探測方式獲取大氣或者海洋的有關信息，這個過程稱為遙感。海面反射、散射或自發輻射的各個波段的電磁波攜帶著海表面溫度、海平面高度、海表面粗糙度以及海水所含各種物質濃度的信息。傳感器能夠測量在各個不同波段的海面反射、散射或自發輻射的電磁波能量，通過對攜帶信息的電磁波能量的分析，人們可以反演某些海洋物理量。傳感器的遙感精度隨著衛星遙感技術的發展在不斷地提高，目前正在接近、達到甚至超過現場觀測數據的精度。 應用 海洋表面是一個

4、非常重要的界面。海洋與大氣的能量交換都是通過這個界面進行的；海洋內部的變化也會部分地透過這一表面表現出來。運用計算機三維數值模擬和衛星遙感數據同化技術，人們就可以通過獲得的海洋表面遙感信息，了解海洋內部的海洋學特征和物理變化過程。遙感監測海面的空間分辨率與電磁波的波長有關，可見光與紅外輻射計獲得的遙感圖像具有更好的空間分辨率。雖然云的覆蓋阻擋了可見光波段電磁波的透過，但是能夠穿透云層的微波遙感彌補了不足。總之，可見光和紅外遙感滿足了人們對較高的空間分辨率監測的需求，微波遙感滿足了人們對全天候監測的愿望。目前，運用衛星、航天飛機和普通飛機遙感技術，人們實現了對海表面溫度（sea surface

5、temperature）、海表面鹽度（sea surface salinity）、海平面異常（sea level anomaly）、海流（ocean current）、海表面風（sea surface wind）、海浪（sea waves）、海洋內波（ocean internal waves）、懸浮物濃度（suspended matter concentration）、葉綠素濃度（chlorophyll concentration）、色素濃度（pigment concentration）和水色（ocean color）等多種海洋要素的監測，以及大氣剖面溫度和濕度（atmosphere prof

6、ile temperature and humidity）、垂程水汽含量（vertical water vapor column thickness）、可降水量（total column precipitable water vapor）、氣溶膠光學厚度（aerosol optical thickness）等許多海洋和大氣要素的監測。因為能夠獲取長時間、大范圍、近實時和近同步監測資料，衛星遙感在海洋監測和研究中正在發揮越來越大的作用。然而，衛星遙感數據并不能完全取代傳統的海洋學觀測。例如，海洋內部垂直斷面的測量必須依靠浮標或其它傳統海洋學觀測技術。衛星遙感數據與傳統海洋學現場觀測數據是互補的關

7、系。利用衛星數據傳輸設備，浮標數據和許多其它現場海洋學觀測數據可以實現近實時獲取。通過衛星對全球范圍海洋進行的實時、全方位和立體的遙感監測，能夠獲得多種穩定可靠的長期觀測資料。海洋觀測資料是人類開發、利用和保護海洋的重要基礎。衛星遙感技術作為獲取海洋觀測資料的重要手段，已經得到廣泛的應用。圖1：2001年全球海表面溫度的年平均等溫線圖2：1998年1月的月平均海表面異常的圖像 圖1是利用美國NOAA國家海洋資料中心提供的衛星數據制作的2001年全球海洋的年平均海表面溫度（SST：Sea Surface Temperature）的等溫線圖像，圖中縱坐標代表緯度，橫坐標代表經度，色標（color

8、bar）的單位是（攝氏度）。該圖清晰顯示了西太平洋熱帶暖水區的范圍和溫度大小。西太平洋熱帶暖水區向大氣輸運的熱通量對于全球海洋大氣熱循環有舉足輕重的影響，它的范圍和溫度變化與厄爾尼諾（El Nio）事件有密切關聯，因而是科學家監測的重要目標。圖2是利用美國宇航局噴氣推進實驗室提供的TOPEX/Poseidon衛星高度計觀測資料制作的1998年1月的月平均全球海表面異常（SSA：Sea Surface Anomaly）圖像，圖中色標的單位是cm。該圖清晰顯示了西太平洋熱帶暖水區海平面的降低和熱帶東太平洋海表面的增高，這是在厄爾尼諾事件中發生的典型現象。1. 為什么海洋表面在衛星海洋學中非常重要？

9、海洋表面是一個非常重要的界面。海洋與大氣的能量交換都是通過這個界面進行的；海洋內部的變化也會部分地透過這一表面表現出來。運用計算機三維數值模擬和衛星遙感數據同化技術，人們就可以通過獲得的海洋表面遙感信息，了解海洋內部的海洋學特征和物理變化過程。2. 概念理解：衛星軌道傾角、星下點、節點、升軌、降軌、升軌點、降軌點衛星軌道傾角：衛星自轉軸和通過衛星的中心垂直于公轉軌道平面的線之間所夾的角度；星下點：衛星在地球表面的投影（或者衛星的天底點）；節點：衛星星下點軌跡與赤道的焦點；升軌：當衛星由南向北運動時； 降軌：當衛星由北向南運動時； 升軌點：衛星由南向北運動穿過赤道時，衛星星下點軌跡與赤道的交點；

10、 降軌點：衛星由北向南運動穿過赤道時，衛星星下點軌跡與赤道的交點；*升軌點和降軌點統稱節點。3. 太陽同步軌道定義、特點定義：衛星的軌道平面以地球的公轉速率圍繞太陽旋轉特點：衛星每天以相同方向經過同一緯度的當地上空；衛星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向，軌道傾角（軌道平面與赤道平面的夾角）接近90度，衛星要在兩極附近通過。4. 地球同步軌道和地球靜止軌道區別地球同步軌道：在這軌道上進行地球環繞運動的衛星或人造衛星始終位于地球表面的同一位置。它的軌道離心率和軌道傾角均為零。地球靜止軌道：衛星或人造衛星垂直于地球赤道上方的正圓形地球同步軌道。是特殊的地球同步軌道。區別：（1）軌道傾角有區別地

11、球靜止軌道一定在赤道平面上；而地球同步軌道平面可與赤道平面成一不為零的夾角。（2）觀察者看到的現象不同在地球同步軌道上運行的衛星每天在相同時間經過相同地方的天空，對地面上觀察者來說，每天相同時刻衛星會出現在相同的方向上在一段連續的時間內，衛星相對于觀察者可以是運動的而處于地球靜止軌道上運行的衛星每天任何時刻都處于相同地方的上空，地面觀察者看到衛星始終位于某一位置，保持靜止不動（3）星下點軌跡不同衛星運動和地球自轉使星下點在地球表現移動，形成星下點軌跡地球同步衛星的星下點軌跡是一條8字形的封閉曲線，而地球靜止衛星的星下點軌跡是一個點5. 軌道周期、重復周期、傳感器重復周期、再訪問時間定義軌道周期

12、：相鄰兩個升軌點之間的時間間隔重復周期： 衛星從某地上空開始運行，經過若干時間的運行后回到原地上空時所需要的天數。衛星的重復周期也被成為衛星地面軌跡的重復周期。對于采用循環軌道的衛星，重復周期等于 3循環周期。如：高度計衛星的重復周期和循環周期經常被等價使用。傳感器重復周期：衛星裝載的傳感器對目標完成一次全部或全球覆蓋的時間周期。再訪問時間：地球上某一局部地點被傳感器先后兩次觀測的時間區間。再訪問時間與觀測地點的緯度有關。對赤道地區的再訪問時間 長于 高緯度地區的再訪問時間。6. 光學儀器和微波雷達的角分辨率、空間分辨率根據瑞利判據，角分辨率：能夠使兩個像元恰可分辨的兩個物體之間的角距離 空間

13、分辨率：能夠使兩個像元恰可分辨的兩個物體之間的空間距離7. 水平極化和垂直極化定義設一個參考平面由兩條直線確定，一條是入射或離開海面的電磁波束所在的直線，另一條是海表面的垂線。對于線性極化的輻射：水平極化的電場與參考平面垂直，垂直極化的電場與參考平面平行。8. 立體角詳細推導 9. 天頂角、觀測角10. 輻射通量、輻射強度、輻亮度、輻照度、發射率、菲涅耳反射率、朗伯表面輻射通量： 輻射強度：輻亮度： 輻照度： 發射率：菲涅耳反射率：朗伯表面：11. 基爾霍夫定律、兩介質界面處的基爾霍夫定律12. 黑體定義、瑞利-金斯定律成立條件及公式、維恩位移定律公式黑體瑞利-金斯定律：維恩位移定律公式：13

14、. 太陽輻射和地球輻射特征(圖5.5)14. 亮溫定義如果已知海面發射的輻亮度，那么直接代入普朗克輻射定律經過計算可以獲得一個黑體等效輻射溫度。這樣獲得的溫度不是真實的海表面溫度（SST），它被稱為海面亮溫或稱為黑體溫度TB。15. 復折射率和復相對電容率關系、菲涅耳反射率和菲涅耳反射系數關系 16. 復折射率實部和虛部意義 17. 皮層深度、穿透深度、吸收深度定義、使用范圍皮層深度： 穿透深度：吸收深度：適用范圍：18. 衛星遙感海表溫度和傳統觀測海表溫度區別 19. 衰減系數和光學厚度、太陽傾斜入射的光學厚度衰減系數： 光學厚度： 20. 輻射傳輸方程各項含義LB（z）：L（z）：光源的電

15、磁波在z處的輻亮度；Kab： 21. 可見光和微波波段在大氣中衰減的主要因素在可見光波段，氣溶膠的散射經常是構成最主要衰減的因素。在熱紅外特別是微波波段，由于電磁波波長遠大于大氣所含粒子的粒徑，大氣所含粒子的散射已經不起明顯作用，大氣所含粒子的吸收變成了最主要的衰減因素。22. 氣溶膠定義 23. 大氣窗定義24. 有邊界存在時的輻射傳輸各項推導(P.149-150) 25. 水色定義、水色三要素水色：是太陽光經水體或海水散射后，可見光和近紅外輻射計監測到的散射光的顏色。 三要素：1.浮游植物的葉綠素；2.無機的懸浮物；3.有機的黃色物質。26. 一類水體、二類水體 一類水體：浮游植物及其“伴

16、生”腐殖質對水體的光學特性起主要作用的水體二類水體：無機懸浮物或黃色物質（又稱溶解的有色有機物）對水體的光學特性有不可忽視的明顯作用的水體27. 離水輻射率含義28. 熱紅外遙感的海洋學應用 （1） 氣候學；（2）全球海表面溫度變化；（3）海表面溫度異常；（4）天氣預報； （5）大洋渦旋； （6）上升流； （7）海洋鋒；（8）經濟和漁業29. 影響微波輻射計接收海面輻亮度的因素有哪些？ （1） 海面及一定深度的復介電常數： 它反映海水的電學性質，由表層物質組成及溫度所決定 海水由各種鹽類、有機質、懸浮粒等組成的復雜水體 從微波輻射角度，海水可視為含NaCl等鹽類的導電溶液 海水的介電常數，是海

17、水溫度、鹽度的函數（2） 海面粗糙度（海面至一定深度內的幾何形狀結構）從這角度將海面分為4類： 平靜海面：海面無風或風速很小，可用物理光學處理，當水面粗糙度較微波波長小得多時，可視為平靜海面，以鏡面反射為主 風浪海面：海面有波浪而成為一個隨機起伏的粗糙面，此時電磁波在界面上產生復雜多變的反射和散射，散射回波增強。同時，大風浪海面往往伴有泡沫帶。它的特征除與輻射亮度溫度有關外，海域海浪譜、海面風速有關。 污染海面：一般指油污染等形成兩層介質，引起亮度溫度的顯著差異。油膜使海面趨于平滑，減弱回波強度，而呈黑色。 凍結海面：海面有海冰、冰山等，由于冰雪的介電常數較水體小，引起亮度溫度的明顯差異。30

18、. 填空：平靜海面的微波亮溫T通過_ 、_與海面發射率e相聯系，海面 發射率e通過_ _與菲涅耳反射率相聯系，菲涅耳反射率通過_與相對電容率r相聯系，相對電容率r 通過_與海表面溫度和鹽度相聯系。基爾霍夫定律 菲涅耳公式 德拜方程瑞利-金斯定律 發射率定義31. 為什么微波輻射計能夠遙感海表面溫度和海面風速？ 通過遙感方法獲取海洋表面溫度的理論基礎是: 隨著溫度的升高海洋表面發射的總輻射能也迅速地增加，而且，海洋表面溫度的變化也影響海洋的發射光譜。32. 散射計測量的海洋物理參數是什么？為什么可以觀測這個參數？全球海面風場33. 給出雷達后向散射截面定義，什么是標準化雷達后向散射截面？如何用分

19、貝表示？ 雷達后向散射截面：度量目標在雷達波照射下所產生回波強度的一種物理量，簡稱RCS。它是目標的假想面積，用一個各向均勻的等效反射器的投影面積來表示，該等效反射器與被定義的目標在接收方向單位立體角內具有相同的回波功率。一般用符號表示目標的雷達散射截面。標準化雷達后向散射截面：用雷達散射截面的對數值的十倍來表示，符號是dBsm，單位是分貝平方米（dBsm），即dBsm10lg34. 布拉格共振的條件是什么？如何推導？計算：使用1.4GHz L波段散射計，當入射角是60度時，與電磁波共振的海表面波的波長是多少？ 35. 電磁波在粗糙海面的散射由幾部分組成？什么是兩尺度散射模型？ 兩尺度散射模型： 3