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海洋遥感在全球盐度、风场、降雨观测中应用

2017-05-06 11:37:52 来源: 掌上海洋 作者:
摘要:海表面盐度是气候学和海洋学的重要参数,是全球水循环和海洋环流的重要影响因素,在海洋大气这一复杂系统中发挥着极其重要的作用

  海洋遥感在全球盐度、风场、降雨观测中的应用

  1. 盐度观测中的应用

  海表面盐度是气候学和海洋学的重要参数,是全球水循环和海洋环流的重要影响因素,在海洋大气这一复杂系统中发挥着极其重要的作用。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,海洋盐度在海洋碳循环中也起到了重要作用,为估计海洋吸收释放提供了可靠的参量依据。通过观测得到海洋表面盐度分布数据,可以更好地理解海洋水循环和其对气候的影响,有助于更好地研究全球水循环以及它的变化过程。

  现场实测的海面盐度资料存在时间连续性和空间分布密度不足的问题,卫星遥感具有全天候、大范围的特点,非常适合在全球范围内对海面盐度进行长期观测。当前盐度遥感主要手段可分为:微波遥感海面盐度与光学遥感海面盐度,前者选择的主要敏感波段包括微波 L、S 波段,针对微波遥感采用的模型多为海水介电常数模型或者海面亮温模型,后者为可见光-近红外波段,主要采用的是海面辐射传输模型和多元回归统计模型。由于光学遥感容易受云等影响,当前海面盐度主要采用微波遥感的手段。

  目前在轨运行的盐度遥感卫星有两颗:欧洲空间局的土壤湿度和海洋盐度观测卫星(SMOS)以及NASA和阿根廷航天局合作的宝瓶座科学应用卫星(Aquarius/SAC-D)。从国外现有的星载盐度计以及国内外对海表盐度遥感技术的研究来看,目前基于微波遥感的海表面盐度探测方法主要有:双波段探测方法、全被动探测方法、主被动相结合探测方法。

  欧洲空间局的SMOS卫星于2009年11月发射,是目前在轨运行的全被动探测方法卫星,其主要目标是提供特定精度、灵敏度、空间分辨率、空间覆盖与实时覆盖的土壤湿度和海洋盐度图像。SMOS卫星运行在太阳同步轨道,平均轨道高度为755 km,提供空间分辨率为100 km和200 km、时间分辨率为10~30 d平均的全球海洋盐度数据,精度达到0.1 psu。SMOS由L波段微波辐射计直接获取海面亮温,通过欧洲中期天气预报中心(ECWMF)提供海面温度和海面风速风向辅助数据反演得到盐度。

  NASA和阿根廷航天局合作的Aquarius/SAC-D卫星,采用微波辐射计与散射计相结合的形式,主要目标是监测大洋表面盐度场大范围特征的季节性和年度间的变化。Aquarius位于太阳同步轨道上,轨道高度657 km,倾角98°,刈幅为390 km,能够实现7 d全球覆盖,提供150 km空间分辨率下的月平均全球海表面盐度分布数据,精度为0.2 psu。Aquarius主要由1.413 GHz的L波段微波辐射计和1.26 GHz的L段散射计组成。

  图1和图2分别是2010年5月的SMOS卫星和2013年4月的Aquarius卫星的海面盐度产品示例,为30 d平均全球海洋盐度分布。

图1  2010年5月SMOS卫星遥感海面盐度产品示例

图2  2014年4月Aquarius卫星遥感海面盐度产品示例

(以上图片来源:欧洲空间局)

  2. 风场观测中的应用

  海面风场是海洋上层运动的主要动力来源,它与海洋中几乎所有的海水运动直接相关,是海洋学的重要物理参数。在海洋动力学过程中,它不仅是形成海面波浪的直接动力,而且是区域和全球海洋环流的动力。同时,海面风场不仅调节着海-气之间的热量、水汽和物质交换,维持着区域与全球的气候,更是气象预报的必要参数。海面风场直接影响海上航行、海洋工程、海洋渔业等。

  船舶、海上浮标及沿岸站等常规观测系统获取的海面风场资料十分匮乏,且时空分布不均匀,难以满足各方面需求。卫星遥感技术的发展,使卫星海面风场产品得到广泛应用,与常规观测相比,具有大面积同步、实时性好等特点,可满足全球和区域观测、动态和长期观测的需求。

  卫星散射计由于能够全天候的大面积获得海面风场信息而成为目前海洋、气象和气候学研究中海面风场的主要测量工具。测量海面风矢量的微波散射计主要有两种:Ku波段散射计和C波段散射计。散射计的原理是通过发送微波脉冲到达地球表面来测量地表面粗糙度后向散射的能力。国外在过去30年已经发射了多颗微波散射计用于风场测量。我国于2011年8月16日发射的HY-2A卫星上携带了测量海面风的散射计,其采用 Ku 波段和笔形波束天线圆锥扫描,刈幅宽1800 km,每天可覆盖全海洋93%的范围。同时,HY-2A卫星雷达高度计可测量星下点海面风速,扫描微波辐射计可测量大风速范围内的海面风速(图3)。

图3  HY-2A卫星观测的台风“灿鸿”期间的海面风场

  微波辐射计如多通道扫描微波辐射计、微波辐射成像仪等,也用于海面风场探测。卫星高度计也可以用于观测沿轨道方向星下点的海面风速。合成孔径雷达具有测量高空间分辨率海面风场的能力,由于其具有高空间分辨率的优良特性而在海洋与海岸带环境和资源遥感方面发挥着重要的作用。

  星载雷达具有观测面积大的优点,但是由于卫星轨道的限制而时间分辨率较差,即不能全天时观测。近年来,岸基的高频地波雷达和导航X波段雷达也被用于海面风场的观测,它们能够全天时、全天候、实时获得观测海区的风场信息。导航X波段雷达还具有较高的空间分辨率(米级),能够实时获得高分辨率的海面风场,具有良好的应用前景。

  导航X波段雷达以掠射角向海面发射电磁波,接收由海面的小尺度粗糙度造成的后向散射,将其记录为灰度值图像序列。在掠入射角下,由于小尺度表面粗糙度强烈依赖于局地的风速和风向,导航X波段雷达可以被用于提取海面风场信息(图4)。

图4 导航X波段雷达图像观测的海面风场的灰度值图像

风速是16.1m/s,风向是45°;图的正上方是正北方向;图的上方是陆地,下方是海洋。

  3. 降雨观测中的应用

  降水是地球水循环的基本组成部分,海洋降水对海气界面的能量和物质交换有重要影响,如海水盐度的分布、海面温度的变化、淡水的补充、海洋生物和生态系统的变化等。另外,由于降雨对电磁波有衰减作用,它还影响其他卫星遥感传感器的观测精度,如微波散射计、雷达高度计和辐射计等都要考虑降雨对观测结果的影响。由于降雨在空间和时间上的变化大,气象观测常用的雨量计和地基雷达在海洋上分布稀少,基于卫星遥感技术对降水的时空分布进行精准观测成为近年来最富有挑战性的科学研究目标之一。

  电磁波在大气介质中传播时,雨滴会对电磁波进行吸收和散射,从而导致电磁波能量的衰减。一般情况下,高于10 GHz频段的电磁波经过雨区时会有明显的衰减,例如Ku波段必须考虑降雨衰减带来的影响。陆地和海洋具有各自不同的微波辐射特性,对海洋而言,由于海面的微波比辐射率较低(0.4~0.5),被动遥感的背景辐射信号较小,接近常数。在这种背景下,降水的发射辐射信号较强,加上降水的低极化特征与海面的高极化特征明显不同,因此可在低频段(< 20 GHz)来甄别并定量反演海面降水。另外,对于海洋上的降雨,当降雨到达海面后会引起海面毛细波和环波等的形成,进而直接或者间接影响海面的粗糙度,最终导致雷达后向散射截面的变化,由此可以建立不同的降雨衰减模型来反演海面的降雨率。

  由于利用卫星观测降雨的难度较大,与其他海洋卫星相比,星载降雨雷达的应用起步较晚。1997年,美国和日本联合发射了“热带降雨观测”(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)卫星,其覆盖以赤道为中心、南北纬38°之间的区域。TRMM卫星35°的轨道倾角远小于其他极轨卫星,这使得TRMM卫星具有较高的时间分辨率。根据纬度由低至高,TRMM每天可以覆盖全球1~3次,其搭载的传感器包括降雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)、云和地球辐射能量测量系统(VIRS、CERES)和闪电成像感应器(KIS)。TRMM卫星对占全球降雨量2/3的热带和亚热带地区的降雨进行了长达15 a的连续观测,建立了热带和亚热带降雨、热带低气压信息等数据库,对研究厄尔尼诺和气候变化等现象发挥了重要作用。TRMM卫星的发射与成功应用使人们认识到有计划地开展全球降雨观测十分必要,为此,日美提出了新一代的“全球降雨观测”计划(Global Precipitation Measurement mission, GPM),包括研制新一代降雨观测卫星,同时以“全球降雨观测”卫星作为主要卫星,吸收具备同种功能的地球观测卫星作为副卫星进行协同观测,全面提高了降雨的观测精度和范围(图5)。此外,国内外学者还开展了利用合成孔径雷达等高分辨率传感器反演海面降雨率的研究。目前,我国对海洋卫星观测降雨的应用还处于研究阶段,仍需要进一步的发展。

图5  GPM观测的热带风暴Claudette期间的降雨分布

  (本文摘选自《海洋遥感基础及应用》,海洋出版社)

  >>>>关于本书

 

  本书主要介绍海洋遥感基础和应用领域的成效与前景,分六章内容详细叙述海洋遥感基础理论、海洋遥感平台和遥感器、海洋遥感资料处理和卫星遥感产品、海洋遥感定标与真实性检验等,并就海洋遥感在海洋生态环境监测、海洋动力环境预报、全球气候变化、海洋渔业资源开发与保护、海岸带资源开发与环境保护、海洋防灾与减灾等涉海领域的应用展开讲解。

  本书作为海洋遥感基础教学教材,主要面向本科教学,兼顾职业教育,也可供非遥感专业的研究生和工作人员参考学习。

  >>>>关于作者

  潘德炉,中国工程院院士,海洋遥感专家。国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室研究员、中国海洋学会副理事长、国际海洋水色遥感专家组专家。曾在加拿大、德国、日本、韩国等国家长期从事遥感合作研究和讲学。突破性地发展了我国海洋水色卫星遥感反演算法、卫星遥感应用技术和辐射模拟仿真理论,是我国海洋遥感科学技术发展的主要开创人之一。

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