卫星海洋学

卫星海洋学
海洋遥感技术
1、选择填空（20分）
2、名词解释（8个*2=16分）
3、简答题（5道，40分）
4、计算题、综合题。

计算题好像说是一道题，分值老师讲的不是很清楚，我也听不清楚。

一、填空题
1、传感器的扫描方式：交叉轨道扫描，推扫式扫描，混合式扫描，圆锥式扫描等。

2、（第四章）1997年美国发射的装载着宽视场海洋观测传感器SeaWiFS的SeaStar卫星，SeaStar卫星的循环周期（recurrent period）是③，传感器SeaWiFS完成全球覆盖的重复周期为②，每个重复周期（repeat period）包含29个轨道周期，每个轨道周期（orbit period）为1.648小时。

在低纬度地区，SeaWiFS的再访问时间（revisit period）是②；在高纬度地区，SeaWiFS的再访问时间（revisit period）是①。

（选择：①1天；②2天；③16天；④35天）
3、（第八章）MODIS热红外通道辐亮度L i通过__③___ 与该通道的黑体温度T i相联系；MODIS热红外通道的黑体温度T i通过__④___ 与海表面温度相联系。

（选择：①基尔霍夫定律，②经验公式，
③普朗克定律，④瑞利-金斯定律）
4、（第九章）平静海面的微波亮温T通过_④+⑤__ 与海面发射率e相联系，海面发射率e通过__①__ 与菲涅耳反射率ρ相联系，菲涅耳反射率ρ通过__②__ 与相对电容率εr相联系，相对电容率εr 通过__③__ 与海表面温度和盐度
相联系。

（选择：①基尔霍夫定律，②菲涅耳公式，③德拜方程，④瑞利-金斯定
律，⑤发射率定义）
5、（第九章）天线的半功率波束宽度与_②_ 成正比，与_①_ 成
反比。

（选择：
①天线的孔径D ，②电磁波的波长λ，③观测的天顶角）
6、（第九章）微波辐射计SSM/I 反演风速的两种算法（包括SSM/I-GSW 算法
和SSM/I-GSWP 算法）在风速小于15m/s 条件下反演精度达到_①_。

（选择：
①2m/s ，②1m/s ）
二、名词解释
1、卫星轨道周期：相邻两个升交点之间的时间区间被称为节点周期（nodal
period ）或者轨道周期（orbit period ）。

2、一个“PASS ”：最南端与最北端之间的星下点轨迹被称为一个“PASS ”。

3、一个“CYCLE ”：卫星环绕地球多圈后回到原来位置对应的星下轨迹被称为
一个“CYCLE ”。

4、传感器再访问时间（revisit time ）指地球上某一地点被卫星装载的传感器先
后两次观测的时间区间。

5、辐亮度（radiance ）L 表示沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量，它的定义是
)cos dAd /(d ),(L 2θΩΦ=φθ
式中dAcosθ是与波束方向垂直的面积元。

辐亮度L 的单位是W ﹒m -2﹒sr -1。

6、光谱辐亮度是指在单位波段或频率内沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐
射通量，
sec]sr m W Hz sr m W [df /),(dL ),,f (L ]
m sr m W [d /),(dL ),,(L 12112112=φθ=φθμλφθ=φθλ--------
表示辐亮度相对于频率或波长的能量分布。

7、辐照度E 表示通过单位面积的辐射通量，它的定义是
]m W [dA /d E 2-?Φ=。

8、朗伯表面：如果一个物体表面自发辐射或者反射的电磁波的辐亮度L 不是φ
和θ的函数，这样的表面被称为朗伯表面（Lamber surface ）。

9、穿透深度是指辐照度衰减为原来初始值的1/e 时，电磁波经过的距离。

10、光学厚度是指衰减系数沿传播路径的积分，其定义
λ=λz
z a a 0dz )(k )z ,(τ。

11、光学质量是描述太阳光在大气层内沿θ方向的传播路径与垂直传播路径之比。

具体表达式是θ=θ=cos 1sec m 。

12、大气窗是指大气透过率较大的频段或波段，探测海面的传感器的波段必须
设计在大气窗口内。

13、水色三要素是指浮游植物的叶绿素（chlorophyll ）、无机的悬浮物（inorganic
suspended matter ）和有机的黄色物质（yellow substance 或gelbstoff ）；水
色三要素的种类和浓度决定了水体的颜色。

14、如果浮游植物及其“伴生”腐殖质对水体的光学特性起主要作用，则该水
体被称为第一类水体（Case I waters ）。

15如果无机悬浮物（如浅水区海底沉积物的再次悬浮物和河流带来的泥沙）或
黄色物质（又称溶解的有色有机物）对水体的光学特性有不可忽视的明显作用，
则该水体被称为第二类水体（Case II waters ）。

16、水准面起伏是指大地水准面相对于参考椭球面之间的距离。

17、海面地形或海洋地形是指海表面（sea surface ）相对于大地水准面（geoid ）
的距离。

18、海表面高度是指自由海表面相对参考椭球面之间的距离。

19、海表面异常是指海表面高度与平均海表面高度的偏差。

20、有效波高是指所有观测波浪中1/3最大波浪的波峰到波谷的平均长度，对
于遥感， H1/3用来描述卫星高度计观测的海洋涌浪特性。

三、简答题
1、写出普朗克定律的表达式，解释公式中出现的每一个物理量和常数，并由此
推导瑞利—金斯定律。

这两个定律分别适用于红外、可见光、微波波段三个波段
中哪些波段的辐亮度计算？
基于量子理论，1900年普朗克提出了辐射定律。

该定律定量地描述了黑体
自发辐射的辐亮度（radiance ）L （λ），普朗克辐射定律是
1)]T k /(hc exp[1hc 2)(L b 52-λλ=λ （1）
式中在真空中的光速c=2.998×108 m ﹒s-1，普朗克常数（Planck’s
constant ）h = 6.626×10-34 J ﹒s ，玻尔兹曼常数kb =1.381×10-23J ﹒K-1，
黑体温度T 的单位是K 。

将f λ = c 、df =–（c ／λ2）dλ 以及L （λ）|dλ| = L （f ）|df| 代入（4-38），
可获得普朗克辐射定律（Planck Radiation Law ）的另一表达形式，即
1)]T k /(hf exp[1c hf 2)f (L b 23-=
一般地，地表物体以地表温度T （大约300K ）辐射。

如果频率f 低于600GHz ，
那么不等式hf/(kbT)<<1成立。

可获得泰勒公式的一阶展开式
)T /(hf 1]T k hf ex p[b b k +?)/( （2）把 (1) 代入 (2)，可获得瑞利-金斯定律（Rayleigh-Jeans Law ） T )c /k f 2()f (L 2b 2?
红外、可见光适用于普朗克定律；微波适用于瑞利-金斯定律。

2、简要阐述米氏散射和瑞利散射的适用条件。

大气层空气分子的散射属于哪一
种？气溶胶散射对可见光、红外和微波（例如5.3GHz ）波段各属于哪一种？
米氏散射适用于电磁波波长与粒子周长之比接近于于1的情况，而瑞利散射适用于电磁波波长与粒子周长之比远远小于1的情况。

大气层中空气分子的散射属于瑞利散射；气溶胶对于可见光和红外属于米氏散射，而对于微波属于瑞利散射。

3 、在微波波段的辐射传输方程（radiative transfer equation ）
)T T T (t tT )h ,(T etT )h ,(T sun cos gal 2d u s ++ρ+ρ+θ+=θ
各项和每个字母代表什么意义？大气介质内部的基尔霍夫定律体现在何处？
第一项：海表面向上自发辐射；第二项：大气向上辐射；第三项：大气向
下辐射经海面后向上辐射；最后一项：银河系噪音、宇宙背景辐射和太阳辐射等。

式中T (θ,h)是微波辐射计观测的亮温（brightness temperature ）；T u 是
大气向上辐射的亮温；ρ是海面的菲涅耳反射率（Fresnel reflectance ）；T gal 和T cos 分别是银河系噪音（galactic noise ）等效温度和宇宙黑体辐射（cosmic blackbody radiation ）等效温度；T sun 是太阳表面温度，t 是大气透过率。

基尔霍夫定律体现在大气向上辐射上，)t 1(T T e T A A A u -==。

4、微波辐射计为什么能遥感测量海表面温度和盐度？
要点：a) 微波辐射计属于被动微波遥感传感器，被动微波遥感的关键在于正确理解海面发射率。

b)根据瑞利-金斯定律，辐亮度在微波波段与海面亮温（brightness temperature ）呈线性关系。

在不考虑大气校正时，辐射计探测到的海面亮温T b 与（Sea Surface Temperature ）T S 有下列关系
s b eT T =
式中e（θ, f, ξ, T s, S s, U10,φ）代表粗糙海面发射率（rough sea surface emissivity），它是卫星观测角θ、微波频率f、辐射计极化状态ξ、海表面温度T s、海表面盐度S s、海面10米高处的风速U10和风向φ的函数。

在微波的高频波段（C波段、X波段、Ku波段和Ka 波段），海面发射率对海表面盐度S S很不敏感；如果已知其它量，可由上述公式反演海表面温度T S。

在1.4GHz 的L波段，海面发射率对海表面盐度S S非常敏感，如果已知其它量，可由上述公式反演海表面盐度。

因此微波辐射计能够反演海表面温度T S、海表面盐度S S和风速U10。

5、高度计测量海面地形原理是什么？
要点：1）高度计轨道到地心的距离是已知的，设为H；同时其大地水准面也是已知的E；
2）高度计到海面距离可以通过高度计发射脉冲到接受后向散射时间间隔t进行计算h=c*t/2；
3）海面地形d是海面到大地水准面之间的距离，因此，d=H-h-E。

6、微波辐射计和散射计为什么能遥感测量海表面风速和风向？有何不同？
要点：a）微波辐射计接受来自海洋表面自发辐射，其发射率是海表面风速和风向的函数，我们可以建模求解得到其风速和风向。

b）散射计发射电磁波向下传播，遇到海面发射后向散射的电磁波携带着海面信息，称为雷达后向散射截面；后向散射截面是风速和风向的函数。

一般的散射计利用前、中、后三个天线对同一面元进行连续三次观测，求解后向散射截面关于风速、风向的方程组。