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海面风矢量、温度和盐度的被动微波遥感及风对温盐遥感的影响研究

殷晓斌  
【摘要】: 海洋微波遥感是物理海洋学与电动力学的交叉学科,海表面参量反演模式的研究成果在海洋监测领域具有极大的应用前景。本文对海面风矢量、温度和盐度的被动微波遥感机理以及风矢量对温度和盐度遥感影响进行了深入研究,并对现有的微波遥感模型提出了改进措施,并发展了海表面温度和盐度反演的新算法。因此,本研究对于提高我国海洋的微波遥感监测水平具有科学意义和应用价值。 在海洋的被动微波遥感模式研究中,海面发射率是一个关键物理量。然而,对于风诱导的粗糙海面,海面发射率是与众多参量密切相关的复杂函数;尽量减少与之相关的参量数目是改善现有的微波遥感模型和发展新算法的一个有效途径。所以,在使用多波段微波辐射计的测量数据反演海表面某个参量的模型研究中,需要透彻了解海面发射率与各种参量之间的关系,并通过某种手段消除其它因子对所反演参量的影响,以减少微波遥感的误差,提高海表面参量的反演精度。 目前,现有的海洋微波遥感模型主要包括双尺度理论模型和小斜率近似模型。作者详细分析了两种不同模型和对应算法的优缺点,深入调查了双尺度理论模型中的若干因子包括毛细-重力波谱和海水相对电容率算法等对海表面参量反演误差的影响。 在透彻理解海洋微波遥感机理的基础上,作者提出了减少双尺度理论模型的反演误差和提高计算速度的新方法,同时结合实际风场和卫星数据做出改进以达到更具有实用价值。本文提出的新方法改善了现有的双尺度理论模型;全极化辐射计的经验模型Windrad05与改进的模型之间的比较证实了改进的模型提高了双尺度理论模型的准确度。 根据全极化微波辐射传输理论,作者利用双尺度模型建立了海面发射率和海面“亮温”的反演算法,并利用美国发射的全球第一个星载“全极化微波辐射计”WindSat在轨测量数据反演了海面风场、海表面温度、水汽、液态水等大气和海洋参数。研究结果初步验证了星载“全极化辐射计”遥感海面风场矢量的能力。 当风向的方位角为0°~10°、160°~200°或者350°~360°时,如果仪器噪声和大气自发辐射大于卫星观测的第三和第四Stokes向量T3和T4的真实信号值,则容易将0°~10°区间的方位角反演为160°~200°区间的方位角,这就出现了顺/逆风向反演的180°模糊现象和误差问题。在利用Monte Carlo方法的数值模拟对180°模糊现象进行研究的基础上,作者提出了根据第一次扫描的第一(the first rank)和第二(the second rank)风向解和第二次扫描的第一(the first rank)风向解来最终确定风向的新算法,新算法可以消除180°模糊现象带来的误差。 海表面盐度的微波遥感不但依赖于海水的1.4GHz微波辐射特性,而且受海面风诱导的粗糙海面附加效应的影响。本文首先讨论了平静海面在1.4GHz的微波辐射特性。通过比较两个不同的海水相对电容率算法模型对平静海面盐度反演的效果,发现海水相对电容率算法模型的准确性对盐度反演效果影响很大。平静海面的“亮温”对观测角的偏导数的绝对值|?Th,v/?θ|在小观测角时较小。因此,在小观测角的条件下,传感器观测角的误差引起“亮温”误差亦较小。因此,小观测角有利于提高海表面盐度的遥感精度。 海面风的观测误差严重地增加了海表面温度和盐度的遥感误差。通过研究海面风因子对海面自发辐射“亮温”的影响,推导并获得了海面风矢量(包括风速和风向)与海表面的“亮温”(T)以及风诱导的“亮温修正量”(?T)之间的简单关系式。根据这个关系式,作者提出了一个新公式,可以消除了风向对盐度遥感的影响。在此基础上,还提出了利用微波辐射计的单卫星、多角度的观测技术和反演海表面盐度和温度的算法。在这个算法中,风对海表面辐射影响已经被剔除,风速和风向不再是反演算法的输入参数。因此,该算法不受制于海面风导致的误差。这样,为利用单卫星、多角度微波辐射计监测海表面盐度和温度提供了一个新途径。


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