海洋水色卫星的用途和特点

海洋水色卫星的用途和特点 ?;镯:水色寿:1有寻水邑卫星,车恕远,平毒, 22— 闸 酒浆宜翌蓦韵润迨淘润赢 吴培中 r里家海洋局) l海洋水色探测原理 太阳入射至海洋表面的能量 口口众所周知, 约占入射能的30.其余70被大气吸收 或散射后反射入太空.入射至海面的不阳能 , 部分被海面吸收或直接反射.另,部分透 射进入水俸进入水位的太阳能光谱只有可 见光(0.40m,0.76mj.其中蓝光波段 (0.49pm)透水性能最好.如是清洁海水可 透水几十米,其他波段透水性能远如蓝 光. 透射入水的太阳能中_部分被水分子 吸收,另一部分经水分子,浮游生物和悬浮 经散射后 颗粒等有机物质或无虮物质散射, 一 部分离开水面反射出来,这部分反射能弼 为离2K辐射能.对应的功率则称为离水辐射 率,其量掘为mwcm:.即单位面积上离水 辐射功率 星载水色探测器测量的是离水辐射率 这与"陆地卫星"进行地表探测和气象卫星 进行云图掾测是不同的.星载水色探测器接 收到的水体离水辐射要比陆地反射与辐射 d,得多.约小]个量级 阵探删来自银河系外的所有辐射 5几点启示 (1)为发展我国的空间探测,越颈根据 我I:ala情扣I:a际发展的趋势.制定长远规 划{ 7/j,,6 P]}.1 再者,水体中的物质对离水辐射率的贡 献与波长有关,光透深度也与渡长有关. 医此,对某一特定波长(可见光波段)离水 辐射率与海洋真光层的靴质种类和数量有 什么物质对离水辐射率贡献较大呢?是那些有足够数量(即密度)的物质.海洋中 浮游植4翱数量很大.悬浮泥沙和黄色物质在 近岸的数量也很大.目前海洋水色仪主要是 为探测这3种物质的.欲要探测更多的 其他物质则在仪器波段设置上有一定差别, 仪器灵敏度和精度也应更高,当然.其数据 处理难度会更大此外,某波长的光在透水 深度范围内水下地形也会反射能量,加在离 水辐射率中. 2海洋水色卫星的用途 海洋水色卫星的主要任务是探渤浮游 植物浓度,悬游湿沙含量和黄色物质分布 其中以浮游植物浓度为主要对象. 浮游植是单细胞藻类.尺寸为lm , 1riom浓度为I×i0./'i,大量繁殖时可 f2)必须加强国际合作,加强国内科研 部门,高等院校和政府主管部1的交沆与合_ 作; (3)必须重视探剥技术和探刊方法的 研究? 收稿日期2000一i2-0i 《国际太空》2000年3甩目 1I 增至几十倍乃至上百倍,种类很多,确切种 类数目尚不清.仅在大西洋就发现200余 种.一切浮游植物均含有叶绿素,因此海水 叶绿素浓度是浮游植物数量的显示. 浮游植物光合作用一方面可以将海洋 无机化合物转化为有机化合物,如葡萄糖, 淀粉和纤维素等,这是海洋食物链的源头, 是海洋生命之本;男一方面光合作用将吸收 水中CO而放出().,从而缓解全球温室效 应. 所谓海洋初级生产力(OPP)是衡量海 洋浮游植物光合作用的速率,即单位面积日 平均的有机碳克重. 此外.海洋浮游植物繁殖速率也是水体 营养程度的试剂,水体营养度高,浮游埴物 繁殖快.当水体富营养时,浮游值物大量繁 殖,导致水体液态氧严重圈乏.生物死亡. 引起赤潮 这样,研究浮游植物繁殖的意义体现在 以下4个方面. (1)海洋生物(如鱼虾贝类)的生存环 境研究; (2)全球气候变化和全球变化研究; (3)特定海域海洋营养程度研究; (4)赤潮监测与预防研究 海洋水色卫星的下一个探测要素是悬 浮泥沙.悬浮泥沙来源于陆地江河和岸带侵 蚀.悬浮泥沙时空分布对港口治理,海岸过 程,近岸,岸线演变等研究都是重要的. 不同研究对象对悬沙时空分布的是不 一 样的,如港口治理需要有对悬沙时间分辨 率和空间分辨率均高的卫星,而如海岸侵蚀 和淤积过程来说则相对要求低一些.目前海 洋水色卫星时空分辨率主要由浮游植物探 测来确定,对悬沙探测只能择其有用者. 黄色物质(YellowSubstance)是指陆 上有机物,如草,树和有机肥等通过江河流 入海后,经生物化学过程生成的黄色有机可 溶物质.这种物质对海洋的影响有待深入研 究,其量少是个营养源,如量大则成为污染 源.. 此外.在可见光透水深度内,海底也会 反射光线而透过水体辐射出水面.所以离水 辐射率也含这部分信息.透水深度主要与水 体混浊度和波长有关,它以衰减长度(即真 光层)表示.1个衰减长度以光强衰鼠到1/e 采衡量,一般灵敏度的水色探测器测得嚣水 深度为3,5个衰减长度,具体数据取决于 探测器的灵敏度和精度. 由于海洋面积大且不断运动,所以采用 常规调查船走航调查或采用机载探测器飞 行方式来实现大面积同步观测是困难的,因 此百余年来.对海洋水色调查收效甚微.用 卫星探测水色被公认是唯一而有效的途径. 综上所述,海洋水色卫星的用途如P24 图1. 3海洋水色卫墨的特点 3.1轨道 为了获得全球初级生产力的时空分布 数据.为了实现全球定时观测,要求采用近 极轨太阳同步轨道;为了空间分布具有可对 比性,要求轨道是圆形的;为了轨道东西两 侧太阳照度相同,要求降交点地方时为正 午 3.2平台 姿控和轨控精度直接关系到水色图像 定位一因为海上无法设立地面控制点,定位 精度完全由轨控和姿控来保证轨道可以由 地面测控来保证,姿控精度应保证定位精度 为1,3个像元.目前世界上水色卫星均采 用三轴稳定方式,指向精度?0.3.,测量精 度?0.1.. 此外,为了避开海面直接反射光入瞳,需 要探测器沿轨前后倾斜(0.,土20.)扫描.倾 角按一年四季太阳高度角变化而进行涠整. 《国际太空》2000年3月号23 圈】海洋水色卫星的用途 3.3『义器 对海洋水色探测仪的性能要求主要是 由波段设置,信噪比(S/N),视场,量化 级,辐射精度和偏振度等确定 对于I类遣水.实测结果是叶绿素n的 吸收和散射峰处于中心波长为443nm,490 nnl,520nrgi和550nm处;对于?类海水 (即混浊海水),其峰值会向长波长方向移 动.此外,世界上普遍采用H.R.Gordon 大气校正算法,该算法基于670rim,760nnl 或860nnl处,离水辐射率为0,酶需设置 这些渡段,还有.现场实验表明,水温(71) 与叶绿索(A)浓度(C)存在线性关系即 c=.+n71(n,n为回归系数),海洋初级 生产率也与水温有关.故需要设置热红外波 段(如Adeos一1上的OCTS,HY一1上的 COCIS等). 覆盖周期要与浮游植物大量繁殖历时 相匹配.一般为几天,短的只有l天,长的 可能超过3天.目前世界海洋水色卫星覆盖 周期通常为2,3天. 测量精度是水色探洳器的关键指标.影 响精度的因素很多,但主要是由仪器的 S/N,偏振度和辐射精度等3项指标决定. 目前国际水平为S/N?600,800,偏振度 ?o.01.辐射精度为2,5前两项取决 于仪器,后1项既与仪器有关,也取决于辐 射定标和校正精度. 辐射定标是关键,需要严格进 行;此外,为了维持仪器正常工作,星上校 正是需要的,但目前星上校正精度难以维 持.现场辐射校正成为不可缺少的手段现 场辐射校正的困难在于海上同步测量高水 辐射率,一是由于离水辐射率不能直接测 量;二是连续几个月进行海上剖面测量.为 此.美国NASA为SeaWiFS卫星,日本 AsDA为Adeos,1卫星上的0cTs都 研制了光学浮标(MOBY).浮标上装有多 台仪器,可以实现海上太阳辐照度,不同水 深的向下辐照度和向上辐射率等测量,不 过,要想茌浮标内采用光缆连接并实现 360.旋转测量,它在工艺实现上是有难度 的. 综上所述,海洋水色卫星的特点如下: 24《国际太空》2000年3月号 ? 采用太阳同步圆形极地轨道; ? 发射窗口为正午; ? 覆盖周期为2,3天; ? 仪器前后{顷斜(o,:k20.)可调 ? 仪器波段,精度要求较高. 4与NOAA卫星,Landsat比较 4.1发射窗口不同 袁13种遥感卫星的发射窗口 卫星出色卫星NOAA卫星Landsat l2:007:00, 发射窗口l0:30? 15rain9:00 发射窗口不同将影响卫星太阳帆板结 掏,热结构和仪器致冷结构 4.2前后倾角不同 表23种避感卫墨的前后颤角 卫星班色卫星NOAA卫星I,andsat 0,士20倾角 ,fo)0O 可调 前后倾角是为避开太阳耀光所必需的 将会影响卫星平台姿控或仪器平台姿控 4.3覆盖周期不同 表33种遥感卫墨的置盖周期 卫星班色卫星NoAA卫星Landsat 壅盖周期 2,3116,26 /大 覆盖周期与轨道高度和仪器视场相关 联,所以水色卫星轨道高度与气象卫星或陆 地卫星也不甚相同. 4.4探测仪器不同 衰43种遥感卫星上的探蔫仪嚣 卫星:水色卫星NOAA卫星Landsat 仪器潞洋水色仪AVHRRTM或ETM 显然,海洋水色仪是一台专用仪器,不 可能由NOAA卫星或Landsat上的探测器 所替代. 现在的问是海洋水色仪能否搭载在 其他卫星上,还是研制专用海洋水色卫星? 目前世界上两种都有,如果搭载的话,卫星 技术指标要作适当修改,以适应水色仪的要 求如日本Adeos—l是l颗综合应用卫 星,星上有气象仪器,陆地仪器.也有海洋 仪器,其中有海洋水色仪.该卫星特性如表 5 表5Adeos,1的特性 卫星发射窗口前后倾角壅盖周期 dens—llO:300a,2O.3夭 美国SeaWiFS卫星上的水色仪原先有 个方案是在Landsat一7上搭载,后经论证 决定单独发射}在欧空局ERS卫星的最初 方案中也有水色仪,后来也被取消.一般说, 海洋水色卫星是颗小卫星,SeaStar卫星质 量只有110kg,尺寸为0.44m×0.60m× 1.0m;但是Adeos—l上的OcTs仪器重 量达360kg,功耗200W,除了具有2个红 外通道以外,这或许与搭载有关.? 收祸日期:2000—12—15 《国际太空》2000年3月号