第七章 海洋表面动力地形的卫星测量 - 海洋遥感

2020/2/22海洋遥感TheOceanicRemoteSensing2020/2/22第七章海洋表面动力地形的卫星测量概述卫星高度计的测高原理高度计在海洋动力地形测量中的应用2020/2/227.1概述1.卫星高度计的特点卫星高度计是一种主动式微波测量仪，具有独特的全天候、长时间历程、观测面积大、观测精度高、信息量大的能力和特点。由于高度计是非成像传感器，星上存储器可以满足全球观测的要求，因而可以获得全球尺度及准实时的观测数据，这对于海洋及海洋气象预报具有重要意义。2020/2/227.1概述2.卫星高度计的发展历史卫星测高技术的提出始于1964年在美国WoodsHole举行的“空间海洋学”研讨会，确定的测距技术指标为10cm。首次原理性实验于1973年NASA发射的Skylab上进行，其运行为后续的GEOS-3（1975）和Seasat-A（1978）高度计的设计积累了宝贵经验。Seasat-A首次实现了重复地面轨迹运行模式。2020/2/227.1概述2.卫星高度计的发展历史卫星研制单位发射精度cm频率HzGEOS-3NASA1975.4.925-5013.9GSeasat-ANASA1978.6.2820-3013.5GGeosat美，海军1985.3.1510-2013.5GERS-1ESA1991.7.171013.8GTopex/PoseidonNASA/CNES1992.8.1065.3/13.6GERS-2ESA1995.4.212.513.8GGFO美，海军1998.2.102.513.5GJason-1NASA/CNES2001.94.25.3/13.6GEnvisatESA2002.32.53.2/13.6G开始业务运行2020/2/227.1概述3.卫星高度计的发展趋势•测距精度的提高、数据处理方法的改进、观测数据的逐步积累；•卫星测高技术的创新。未来的高度计计划在近期的目标是提高空间和时间分辨率，争取能够在几天内以几十公里的分辨率覆盖同一地区。另外也会发射一些目标明确的、耗费较小的小卫星。2020/2/224.卫星高度计的研究与应用2020/2/227.2卫星高度计的测高原理卫星测高原理：以卫星为载体，以海面作为遥测靶，由卫星上装载的雷达高度计向海面发射微波信号，该雷达脉冲到达海面后，经过海面发射再返回到雷达测高仪。其原理与应用都是基于三个基本观测量：•时间延迟：高度计发射脉冲到接收海面回波信号的时间间隔；•海面回波波形的前沿斜率；•海面回波波形强度。2020/2/227.2卫星高度计的测高原理1.与海平面高度有关的曲面2020/2/227.2卫星高度计的测高原理a.参考椭球面b.大地水准面把描述地球的理想化的数学曲面定义为参考椭球面，是对地球表面的一级近似。地球上重力位势相等的各点构成等势面，与平均海平面最为接近的等势面称为大地水准面。1.与海平面高度有关的曲面2020/2/227.2卫星高度计的测高原理c.瞬时海面d.平均海平面即某一时刻的实际海面。卫星高度计测得的瞬时海面经海洋潮高、固体潮高和有效波高修正之后，得到所谓平均海平面。1.与海平面高度有关的曲面2020/2/227.2卫星高度计的测高原理e.海面动力高度f.大地水准面起伏将平均海平面相对于大地水准面的偏离，称为海面动力高度，即海洋学中的海面重力位势差，其范围一般在±1.5m以内。大地水准面相对于参考椭球面的偏离，称为大地水准面起伏，其范围一般在±100m以内。1.与海平面高度有关的曲面2020/2/227.2卫星高度计的测高原理g.海平面起伏瞬时海平面相对于大地水准面的偏离，称为海平面起伏。其范围一般在±10m以内。海平面起伏和大地水准面起伏比它们各自的绝对高度更具有重要意义。因为在这些起伏中，包含了地球内部结构和海洋动力过程的各种信息。1.与海平面高度有关的曲面2020/2/227.2卫星高度计的测高原理2.卫星高度计的测高原理tgeoidsshhh0hhhhaltorbitsshTbarinvhh为测量噪声；barinvh为大气压引起的海面误差；orbith通过卫星的精密定轨方法得出tropDryionohhhBiasEtropWethh2020/2/227.2卫星高度计的测高原理※.卫星相对于海面高度的计算cthalt2t：雷达脉冲往返于卫星和海面之间的时间；c：电磁波传播速度即卫星高度计的测量结果厘米量级的测距精度要求是高度计的技术难度。对于5cm的测高精度，相应的时间测量要准确到0.2ns左右，要求计时钟具有年误差不超过1s的精度。同时对发射和接收技术也提出了较高要求。2.卫星高度计的测高原理2020/2/223.卫星高度计测高的误差与消除单位厘米2020/2/227.2卫星高度计的测高原理a.轨道误差由上页图，测高数据的误差主要分三类：轨道误差、仪器误差和地球物理环境校正误差。误差主要来源于卫星速度和高度的变化，卫星高度处的重力场及卫星跟踪精度。轨道误差的消除方法主要有：单星交叠平差、双星或多星联合平差、共线平差。3.卫星高度计测高的误差与消除2020/2/227.2卫星高度计的测高原理b.电磁偏差由于海面波浪分布并非高斯型，波谷反射脉冲的能力强于波峰，因此高度计测得的海面高度偏离平均海平面，趋向于波谷，这种偏差可通过利用带有风速参量的经验关系式进行修正。BiasEh3.卫星高度计测高的误差与消除c.干/湿对流层误差干湿空气都会引起雷达信号的延迟。可利用其与海表大气压和纬度之间的关系来修正。dropDrydropWethh,2020/2/227.2卫星高度计的测高原理电离层中自由电子对脉冲的阻碍作用，使得电磁波传播速度发生变化，产生了电离层误差。通过精确测量电磁波路径上的总电子数来消除电离层误差。自由电子量随时间、太阳活动、海域位置、卫星高度的不同而不同。d.电离层误差ionoh3.卫星高度计测高的误差与消除2020/2/227.2卫星高度计的测高原理e.大气压引起的误差一般，大气压增加1mbar，海面下降1cm。barinvh)3.1013(948.9phbarinv3.卫星高度计测高的误差与消除f.潮汐引起的误差Th主要包括固体地球潮汐、极性潮、弹性海洋潮汐，其中弹性海洋潮汐为主要影响。2020/2/227.3高度计在海洋动力地形测量中的应用（1）基本原理当海面的有效波高不同时，接收机的接收功率及回波的前沿斜率也不同。当有效波高较小时，接收机的工作时段上有效接收时间较短，回波波形开始低平，继而急骤上升，波形的前沿斜率较大。近似地，回波信号的前沿上升斜率与海面有效波高成反比，由此，可建立两者之间的关系，并以查找表的形式固定，实现有效波高的星上计算。1.测量有效波高2020/2/227.3高度计在海洋动力地形测量中的应用（1）基本原理1.测量有效波高2020/2/227.3高度计在海洋动力地形测量中的应用（2）推导过程1.测量有效波高a.Barrick在总结前人关于雷达海面回波模型的基础上，基于10个前提条件下，推导出海面回波功率的关系式：b.可简化为：c.在此基础上，可得出：h为均方根波高2020/2/227.3高度计在海洋动力地形测量中的应用（3）有效波高的主要应用1.测量有效波高a.将其同化到海浪数值预报模式中，提供合理的初始场，并改进和检验预报模式；b.进行全球或区域的波浪场特征分析，如波侯、极端波要素和浪场时空结构等。2020/2/227.3高度计在海洋动力地形测量中的应用（1）海面某点处地形高度的计算（见图）2.观测海面地形iigeoidaltorbithhhh（2）大面积海面地形的表示)(sin)sincos(),(max00lmlmlllmlmpmdmc球谐函数2020/2/227.3高度计在海洋动力地形测量中的应用（3）海面地形异常的观测2.观测海面地形hhhssa海面地形异常被定义为海表面与平均海表面的高度差，有时也称为海平面高度距平。h为多年平均的海面地形高度中国海平均海平面高度距平的地理分布(1992.10-2004.1)※距平值是相对于1993.1-1999.12共7年的海平面平均值的差值。2020/2/227.3高度计在海洋动力地形测量中的应用3.观测大洋环流-利用海面动力高度利用卫星高度计资料推算大洋环流最简单的方法是将平均海平面与大地水准面相减，得出动力高度，再利用地转平衡关系，算出大洋环流。由于现有大地水准面模型的误差与大洋环流引起的动力高度处于同一量级，因而这种方法只能用于大尺度海洋动力现象观测。另一种方法被称为同步分离法，其主要思路是将大地水准面与海面动力高度同时从高度计资料分离出来，数学依据是改进的加权约束最小二乘法。2020/2/227.3高度计在海洋动力地形测量中的应用4.测量大地水准面与重力异常大地测量的基本任务是确定大地水准面与重力异常（大地水准面与参考椭球面上对应点的重力大小之差）。（1）大地水准面的测量模型的空间分辨率达到100km，精度小于0.5m。具代表性的四个全球大地水准面模型是：美国的GEM系列、PGS系列、OSU系列和JGM系列。2020/2/227.3高度计在海洋动力地形测量中的应用4.测量大地水准面与重力异常（2）重力异常由卫星测高数据反演海洋重力异常的方法主要有：最小二乘法、Stokes公式逆运算法、Hotine积分法、逆Venning-Meinesz交换法，以及垂线偏差联合法和谱分析方法等。目前国际上正在发展利用各种卫星测高数据联合求解的方法，以期得到精度更高、时间和空间分辨率更高的重力异常分布。2020/2/227.3高度计在海洋动力地形测量中的应用有关应用的具体算法除参考教材外，可参考：何宜军等，《高度计海洋遥感研究与应用》，科学出版社，2002。