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（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Li通过 __③___ 与该通道的黑体温度Ti相联系；MODIS热红外通道的黑体温度Ti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 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， 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 。 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 。 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 。 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） 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 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 （2） 把 (1) 代入 (2)，可获得瑞利-金斯定律（Rayleigh-Jeans Law） 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） 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）；Tu是大气向上辐射的亮温；ρ是海面的菲涅耳反射率（Fresnel reflectance）；Tgal 和Tcos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；Tsun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， 。 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Tb与（Sea Surface Temperature）TS有下列关系 式中e（θ, f, ξ, Ts, Ss, 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Ts、海表面盐度Ss、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SS很不敏感；如果已知其它量，可由上述公式反演海表面温度TS。在1.4GHz 的L波段，海面发射率对海表面盐度SS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TS、海表面盐度SS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。 c）微波辐射计是被动遥感，接受的是海面自发辐射 而散射计是主动遥感，接受的是其发射的后向散射。 4、 计算题 1、（第四章）汽车两盏灯相距R=1.5m，人眼瞳孔直径D=4mm，问多少米时，人眼恰好能分辨出这两盏灯？（黄绿光 =550nm） 解：设最远为H米 由夫琅禾费圆孔衍射： 解得： 2、（第六章）已知400 nm 的紫光在纯净海水里的穿透深度大约是75米，700 nm 的红 光在纯净海水里的穿透深度大约是3米，请计算海水对于可见光和红外光的复折射率的虚部。将其与10 GHz微波的复折射率的虚部n″= 2.43比较，并阐述二者差别的物理意义。在某些2类水体海域，400 nm紫光的穿透深度仅达10米，700 nm 红光的穿透深度仅达1米，它们各自的复折射率的虚部是多少？ 解：由 得， ，所以海水对于可见光的复折射率的虚部 海水对于红外光的复折射率的虚部 二者差别的物理意义是海水对这两种电磁波的衰减不同 在某些2类水体海域, 海水对于紫光的复折射率的虚部 海水对于可见光的复折射率的虚部 第一章 2、名词解释：El Niño、La Niña、ENSO、TOGA、TAO、NOAA/TIROS、TOPEX/Poseidon。 El Niño ：厄尔尼诺（El Niño）在西班牙语中的意思是“圣婴”。厄尔尼诺是指赤道太平洋东部和中部海表面温度持续异常偏高的现象，该现象首先发生在南美洲的厄瓜多尔和秘鲁太平洋沿岸附近，多发生在圣诞节前后，因此得名。 La Niña ：拉尼娜（La Niña）的意思是“小女孩”。拉尼娜现象表现为赤道太平洋东部和中部海表面温度持续异常偏低。 ENSO：　赤道太平洋海面水温的变化与全球大气环流尤其是热带大气环流紧密相关。其中最直接的联系就是日界线以东的东南太平洋与日界线以西的西太平洋—印度洋之间海平面气压的反相关关系，即南方涛动现象（SO）。在拉尼娜期间，东南太平洋气压明显升高，印度尼西亚和澳大利亚的气压减弱。厄尔尼诺期间的情况正好相反。鉴于厄尔尼诺与南方涛动之间的密切关系，气象上把两者合称为ENSO。 TOGA：热带海洋和全球大气。为了研究热带海洋和全球大气的月际到年际变化，从而推动气候变化及异常气象问题的研究，提高和改善海洋环境和气候预报能力，政府间海洋学委员会和世界气象组织共同发起了热带海洋和全球大气研究计划(toga)。该计划分准备阶段、外业调查阶段和室内整理三个阶段，从1985年到1995年，共进行10年。其中，第一个5年为普查阶段，第二个5年为详查阶段，即所谓加强监视期。在第二个5年中，又设计了一个连续四个月的加密调查阶段，即所谓强化观测期。 NOAA/TIROS是太阳同步极轨气象卫星，也被称为极轨业务环境卫星，该卫星可为全球各国提供免费的当地数据接收服务。 TOPEX/Poseidon是在1992年8月，由美国宇航局（NASA）和法国国家空间研究中心(CNES)联合发射的高度计专用卫星。 第二章 1、什么波长范围的电磁波称为紫外、可见光、红外和微波等波段？请分别用纳米（nm）和微米（um）作为单位叙述。在热红外范围的哪两个波段可应用于海表面温度遥感？微波遥感在哪个方面比可见光和红外遥感具有优势？可见光和红外遥感在哪个方面比微波遥感具有优势？并使用英文写出以上使用的专门名词。 紫外波段（ultraviolet）的波长为0.2～0.4um，即200～400nm。可见光波段（visible light）的波长为0.4～0.7μm，即400～700nm。红外波段（Infrared）的波长为0.7～1000μm，即700～1000000nm。微波（microwave）的波长为103～106μm，即106～109nm。 在热红外范围的3～5μm和10～14μm两个波段可应用于海表面温度遥感。 微波遥感在哪个方面比可见光和红外遥感具有优势：微波能穿透云雾，可以全天候工作。 可见光和红外遥感在哪个方面比微波遥感具有优势：可见光波段是进行自然资源与环境调查的主要波段；摄影红外传感器对探测植被和水体有特殊效果。热红外传感器可以探测物体的热辐射，然而，不能采用摄影方式探测地面的热红外辐射信息，需要采用光学机械通过扫描方式获取；热红外辐射计可以夜间成像，除用于军事侦察外，还可以用于调查海表面温度、浅层地下水、城市热岛、水污染、森林探火和区分岩石类型等，有广泛的应用价值。 紫外波段——ultraviolet 可见光波段——visible light 红外波段——Infrared 微波——microwave 微波遥感——Microwave Remote Sensing 可见光和红外遥感——Visible and infrared remote sensing 海表面温度——Sea surface temperature 10、名词解释：Argos、GPS、TOGA、TAO、NOAA/POES、Aqua、ADEOS、MOS-1。给出下列传感器AMSR、SeaWinds、AMSR-E、AMSU、MODIS的英文全名和装载它们的卫星名称。 Argo：为实时地转海洋学研究布放的漂流浮标阵列（Array for Real-time Geostrophic Oceanography） GPS：（美国）全球定位系统（Global Positioning System） TOGA：热带海洋和全球大气计划（Tropical Ocean & Global Atmosphere program） TAO：热带大气海洋计划（Tropical Atmosphere Ocean project） NOAA/POES：美国国家海洋大气局管理的诺阿/极轨环境卫星（NOAA / Polar-orbiting Operational Environmental Satellites，亦即NOAA/TIROS卫星） Aqua ：美国2002年发射的地球观测系统卫星EOS- PM，别名AQUA ADEOS：（日本）高级地球观测卫星（ADvanced Earth Observing Satellite）[在非学术性报刊上的俗名是“绿色”，例如，ADEOS-1是绿色一号，ADEOS-2是绿色二号] MOS-1：（日本）海洋观测卫星（Marine Observation Satellite） AMSR：（日本）高级微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer） 装载卫星：日本的ADEOS-II卫星 SeaWinds：（美国）“海风”散射计 装载卫星：QuikSCAT和ADEOS-II AMSR-E：（美国）EOS卫星携带的[日本]高级微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS） 装载卫星：美国EOS-PM (Aqua)卫星 AMSU：（测大气层垂直空气柱的）高级微波探测装置（Advanced Microwave Sounding Unit） 装载卫星：美国的NOAA/TIROS系列卫星 MODIS：（美国）中等分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectro-Radiometer） 装载卫星：美国宇航局发射的EOS-TERRA和EOS- AQUA卫星 第三章 2、哪一个卫星携带的什么传感器采用的C波段？如果一个雷达的频率是5.3GHz, 它的波长应是多少厘米？哪一个卫星和什么传感器采用的Ku波段？如果一个雷达的频率是13.4GHz, 它的波长应是多少厘米？(提示：电磁波的相速度等于光速)。 ENVISAT卫星携带的高级合成孔径雷达ASAR（Advanced Synthetic Aperture Radar）采用C波段；ERS-1和ERS-2卫星携带的AMI (Active Microwave Instrument) 和雷达高度计RA (Radar Altimeter)也采用C波段。 QuikSCAT卫星上搭载的SeaWinds (“海风”散射计)采用13.4GHz/Ku波段，ADEOS-1卫星上搭载的NSCAT (NASA’s Scatterometer)采用13.995GHz/Ku波段，TOPEX/POSEIDON卫星上搭载的SSALT(Solid State Altimeter) 采用13.65 GHz/Ku波段，ENVISAT卫星装载有13.5 GHz/Ku波段的雷达高度计。 3、举例介绍可见光和近红外辐射计、热红外辐射计、微波辐射计、合成孔径雷达、高度计、散射计的一至两项主要用途。指出属于被动（不辐射电磁波而只接受被检测体的辐射）还是主动（既辐射电磁波又接受其在被检测体的回波信号）遥感方式，并指出属于可见光、红外、微波三种波段类型中何种。如果一个雷达的频率是1.5GHz, 它的波长应是多少厘米？ 可见光和近红外辐射计在水色卫星上用来遥感海水叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度以及海水漫衰减系数等，属于被动遥感方式。 热红外辐射计在气象卫星和海洋卫星上用来遥感海面上空水汽含量、大气剖面温度和湿度以及海表面温度等。 微波辐射计是一个被动微波雷达，它可以测量海面反射、散射和自发辐射的辐亮度和微波亮温，并由此可估计风速、水蒸汽、可降水量、海表面温度、海表面盐度和冰覆盖量等。 合成孔径雷达是一个具有较高空间分辨率的主动雷达，它利用多普勒效应获得较高的空间分辨率，可测量涌浪、内波、降雨、海流边界、海冰位置及性质、大块浮冰的速度等。合成孔径雷达图像多用于国土调查、农林渔业、环境保护和灾害监测，还可应用于水灾监测、作物估产、油污调查、海冰监测和海洋内波研究等方面。 高度计是一个垂直探测的主动雷达，它可监测卫星与地球之间距离、海表面地形和粗糙度，并由此估计风速、表面海流和有效波高。2007年10月我国发射了首颗绕月探测卫星“嫦娥一号”，通过激光高度计获得了高分辨率的月球表面立体图像。 散射计是一个宽刈幅主动雷达，通过测量海表面粗糙度可以计算海表面风速和风向，属于微波波段。 第四章 4、填空：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） 6、汽车两盏灯相距R=1.5m，人眼瞳孔直径D=4mm，问多少米时，人眼恰好能分辨出这两盏灯？（黄绿光 =550nm） 解：设最远为H米 由夫琅禾费圆孔衍射： 解得： 第五章 1、请将下列电磁波按波长由小到大顺序排列：近红外，远红外，中红外，C波段，Ku波段，X波段，红光，蓝光，绿光，紫外线，黄光，黄绿光，黄红光，热红外线。 紫外线、蓝光、绿光、黄绿光、黄光、黄红光、红光、近红外、中红外、热红外、远红外、Ku波段、X波段、C波段 6、给出反射率、吸收率、发射率、透射率的定义和英文表述，它们的基本关系是什么？基尔霍夫（Kirchoff）定律条件是什么？在条件满足的情况下该定律表达什么思想？ 吸收率（absorptance）a（λ）定义如下 使用辐照度之比定义的吸收率也称为半球吸收率（hemispherical absorptance）。 反射率（reflectance）r（λ）定义如下 使用辐照度之比定义的反射率也称为半球反射率（hemispherical reflectance）。 透射率（transmittance）t（λ）定义如下 使用辐照度之比定义的透射率也称为半球透射率（hemispherical transmittance）。 在介质内部，吸收率a（λ）、反射率r（λ）和透射率t（λ）之间存在一个守恒关系式 用发射率取代上式中的吸收率，获得了一个派生关系 基尔霍夫（Kirchoff）定律条件是处于当地热动态平衡（local thermodynamic equilibrium）条件下。 发射率e(λ) （Emissivity）的定义是 式中M（λ）是与立体角无关的发射度，E（λ）是辐射源发射的辐照度，MBLACK（λ）是与辐射源具有相同温度的黑体的发射度，EBLACK（λ）是与辐射源具有相同温度的黑体发射的辐照度。 在条件满足的情况下，它表明吸收能量的速率和辐射能量的速率相等。 7、简要阐述普朗克定律、斯忒藩-玻尔兹曼定律、瑞利-金斯定律、维恩位移定律的联系，并从普朗克定律推导其余三个定律。 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L（λ），普朗克辐射定律（Planck Radiation Law）是 式中λ是电磁波的波长。这里，在真空中的光速c=2.998×108 m﹒s-1，普朗克常数h = 6.626×10-34 J﹒s，玻尔兹曼常数kb =1.381×10-23J﹒K-1，黑体温度（blackbody temperature）T的单位采用开氏温标（Kelvin degree）。将f λ = c 、df =–（c／λ2）dλ 以及L（λ）|dλ| = L（f）|df| 代入（5-38），可获得普朗克辐射定律的另一表达形式，即 (5-39) 式中光速c的单位是m/s，频率f的单位是Hz（赫兹）。 利用普朗克定律（5-39），将辐照度E（f）= L（f）对频率积分，获得斯忒藩-玻耳兹曼定律（Stefan-Boltzmann Law），即 式中σ = 5.67×10-8 W﹒m-2﹒K-4是常数。 普朗克辐射定律确定了黑体表面自发辐射的能量分布曲线，维恩位移定律指出了对应自发辐射最大值的波长位置。 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 把 上式代入 (5-39)，可获得瑞利-金斯定律（Rayleigh-Jeans Law） 在普朗克定律（5-38）中，令dL（λ）/dλ=0，可获得对应着辐亮度L（λ）极大值的波长 这个公式也称为维恩位移定律（Wiens Displacement Law），式中b = 2.8978×10-3 m﹒K 。 8、什么是海面亮温？在不考虑大气效应的情况下，微波辐射计探测到的海面亮温与海表面真实温度之间有什么关系？相对电容率的变化通过哪些公式导致微波辐射计探测到的海面亮温也随之变化？某处海水的真实温度为297.67K，然而一个5GHz微波辐射计探测的海表面亮温却是T=107.16K，为什么相处如此之大？ 海面亮温：如果已知海面发射的辐亮度（radiance），那么利用普朗克辐射定律或者瑞利-金斯定律可以计算海表面温度（SST）。 这样获得的温度不是海水的真实温度，它被称为海表面的亮温（brightness temperature）。 海面亮温和海面真实温度的关系： T（λ,θ,φ,TSST）为海面亮温，TSST为海面真实温度，e（λ,θ,φ）代表海面的灰度亦即发射率。 相对电容率的变化通过菲涅尔公式影响菲涅尔反射率，通过基尔霍夫定律影响海面发射率，通过海面亮温和海面真实温度的关系公式影响海面亮温。 海水的真实温度为297.67K，然而一个5GHz微波辐射计探测的“海面亮温”却是T=107.16K，这主要是因为对于微波，海水是弱发射体，海水发射率e较小，通过公式 可知此时e约为0.36。 第六章 1、写出复折射率的虚部n″与穿透深度z90的关系式。 2、朗伯-比尔透射定律的微分形式和积分形式是什么？ 朗伯-比尔定律（Lambert-Beer Law）的微分形式： 朗伯-比尔定律（Lambert-Beer Law）的积分形式： 3、写出衰减系数ka（λ）和光学厚度的定义。 衰减系数ka（λ）包括吸收系数kab（λ）和散射系数ksc（λ），它们分别描述电磁波在传播中由于介质吸收和散射产生的衰减轻重程度。衰减系数描述介质的固有光学性质（IOP：inherent optical properties）；它的值是由介质内部各个组份的物理吸收特性、几何散射特性以及各个组份的浓度决定的，与外部光源（或电磁波源）本身的强度无关。 光学厚度（optical thickness） a被定义为衰减系数沿传播路径上的积分 式中 a（λ, z）代表从位置z0 =0到 z之间介质在λ波长的光学厚度。 4、用公式表示粒子的尺度分布函数、单粒子衰减截面与衰减系数的关系，并叙述粒子的尺度分布函数、衰减系数和单粒子衰减截面的量纲。海雾粒子尺度分布函数的一般形式是什么？ 式子中σa (r)表示单粒子衰减截面，D(r)表示粒子的尺度分布函数 尺度分布函数量纲是L3，单粒子衰减截面量纲是L-12，衰减系数的量纲是L-1 海雾粒子尺度分布函数为： 5、简要阐述米氏散射和瑞利散射的使用条件。大气层空气分子的散射属于哪一种？气溶胶散射对可见光和微波各属于哪一种？为什么？ 米氏散射（Mie Scatter）理论适用于描述q（即粒子的周长与电磁波波长之比）小于1的球形粒子对电磁波的散射现象。瑞利散射（Rayleigh scatter）理论适用于描述q远小于1的球形粒子对电磁波的散射现象。 大气层空气分子的散射属于瑞利散射；气溶胶散射对可见光属于米氏散射，对微波的散射属于瑞利散射。 这是因为气溶胶粒子的尺度范围一般在10-3～10 μm之间.对于微波（0.1～100 cm），q<<1，满足瑞利散射条件；对于可见光(400～700nm)，某些气溶胶粒子满足q<1，这时属于米氏散射，某些气溶胶粒子满足q>1，这时米氏散射和瑞利散射的理论都不适用。 6、请阐述大气的透射率t与大气的光学厚度的关系，并给出大气的透射率t、大气的光学质量、太阳天顶角、大气的光学厚度之间的关系式，并给出光学厚度和光学质量的物理意义和单位。 大气透射率与大气的光学厚度的关系： 大气透射率、大气的光学质量、太阳天顶角、大气的光学厚度之间的关系式： SHAPE \* MERGEFORMAT 光学厚度描述太阳光垂直传播时在大气层内的衰减程度； 光学质量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，是太阳光倾斜入射时在大气层内传播路径的校正因子。 光学厚度和光学质量都是无量纲的物理量。 7、在有边界存在时的辐射传输下哪几项对传感器接收的信号做出贡献？请阐述下列方程右边三项的物理意义： 。 方程右边三项的物理意义：第一部分是达到卫星辐射计的海表面发射的辐亮度，第二部分是卫星辐射计探测到的大气自发辐射的辐亮度；第三部分是卫星辐射计探测到的大气向下发射的、达到海表面后又经海表面反射的辐亮度。 8、欲探测海表面温度，还是大气窗外？为什么？ 传感器应选在大气窗内。在可见光和红外波段，气溶胶散射是辐射衰减的第一因素，空气分子散射是衰减的第二因素，而臭氧吸收是次要因素。在微波波段，气溶胶散射引起的辐射衰减可忽略，水蒸汽吸收是辐射衰减的第一因素，而氧气吸收是第二因素。 大气窗指大气透射率比较大的波段，探测海面的传感器的波段必须设计在大气窗内。 9、已知400 nm 的紫光在纯净海水里的穿透深度大约是75米，700 nm 的红 光在纯净海水里的穿透深度大约是3米，请计算海水对于可见光和红外光的复折射率的虚部。将其与10 GHz微波的复折射率的虚部n″= 2.43比较，并阐述二者差别的物理意义。在某些2类水体海域，400 nm紫光的穿透深度仅达10米，700 nm 红光的穿透深度仅达1米，它们各自的复折射率的虚部是多少？ 由 得， ，所以海水对于可见光的复折射率的虚部 海水对于红外光的复折射率的虚部 二者差别的物理意义是海水对这两种电磁波的衰减不同 在某些2类水体海域, 海水对于紫光的复折射率的虚部 海水对于可见光的复折射率的虚部 12、光学厚度 、衰减系数 以及复折射率的虚部 之间的关系是什么？ 上式中第一项表示光学厚度，ｋａｂ（ｚ）表示衰减系数，它等于 ｋａｂ（ｚ）= 4πfn〞／ｃ（n〞表示复折射率的虚部） 第七章 3、写出水色遥感的大气校正方程，分别介绍各项的物理意义，并写出大气透射率与光学厚度的关系。 水色卫星遥感的大气校正方程（Atmospheric Correction Equation）可表达为（Gordon和Voss 1999） 式中Li(λ) 代表卫星探测的辐亮度(radiance)，下角标i 代表传感器第i 个通道。LR(λ) 代表大气中分子散射的辐亮度，下角标R是Rayleigh的英文首字母，大气层空气分子对所有波段电磁波的散射均属于瑞利散射（Rayleigh scatter）。LA(λ) 代表气溶胶散射的辐亮度，下角标A是气溶胶（aerosol）的英文首字母；Lr (λ) 代表海面的镜面反射（specular reflectance），也称为太阳耀斑（sun glitter），选择合适的观测角可以避免太阳耀斑。t(λ,θ) 是大气的漫透射率(diffuse transmittance)，T(λ,θ) 是大气的直接透射率（direct transmittance），λ是传感器第i 个通道对应的波长（wavelength）；θ是卫星天顶角（satellite zenith angle），Lw(λ) 是离水辐亮度（water-leaving radiance）, t(λ,θ)是大气漫透射率（diffuse transmittance） 根据Gordon 和Morel（1983），大气漫透射率（diffuse transmittance）t(λ,θ) 可由下面公式表示 式中 R(λ)是大气层内空气分子的光学厚度（Rayleigh optical thickness of air molecules in the atmospheric）， A(λ)是气溶胶的光学厚度（aerosol optical thickness）， oz(λ)是臭氧的光学厚度（ozone optical thickness），ωA是气溶胶对太阳辐射的单次散射反照率（single scattering albedo），ωR是大气层空气分子对太阳辐射的单次散射反照率，fA代表气溶胶前向散射的概率（forward scattering probability），fR代表大气层内空气分子前向散射的概率。单次散射反照率代表散射系数与衰减系数之比。 4、写出在离水辐射小节中离水辐射Lw（λ,θ）的光学算法表达式，说明各项特别是菲涅耳反射率、反照率、反射率和漫反射率的物理意义。 菲涅耳反射率是反射的辐亮度与入射的辐亮度之比，它描述了光束在界面的反射特性。反照率定义为地面反射的和空气中各种粒子后向散射的辐照度之和与入射的太阳辐照度之比，反照率原来是一个在天文学里描述星体光学性质的术语。某些遥感科学家用它描述太阳光在海-气界面的反射和在海面与某高度路径之间的气溶胶等粒子引起的太阳光散射之和在入射的太阳光占的份额。反射率既可以通过辐照度之比描述电磁波在界面上的反射特性，又可以通过辐亮度之比描述与立体角有关的光束在界面上的反射特性。漫反射率描述了介质内部的漫反射（“漫反射”代表多个粒子反射而不是面反射）特性。 10、什么是遥感反射率Rrs (λ)（remote sensing reflectance）？什么是归一化离水辐亮度Lwn (λ)（normalized water-leaving radiance）？为什么遥感反射率Rrs (λ)表示太阳光离水辐亮度的化形式。 人们使用遥感反射率Rrs (λ)表示太阳光离水辐亮度的标准化形式，归一化离水辐亮度可以表示如下 式中Lwn（λ）是归一化离水辐亮度（normalized water-leaving radiance）， 在水色遥感中，大气校正模式和水色反演模式是必须建立的两个基本模式。水色反演模式的作用是，通过对太阳光离水辐亮度的测量和标准化的换算，达到对海水内部主要粒子浓度的估计。人们使用遥感反射率Rrs (λ)表示太阳光离水辐亮度的标准化形式。 第八章 2、为什么选择MODIS的31通道（10.780～11.280 µm）和32通道（11.770～12.270 µm），以及20通道（3.660～3.840 µm）、22通道（3.929～3.989 µm）和23通道（4.020～4.080 µm）探测海表面温度（sea surface temperature）？选择MODIS的24通道（4.433～4.498 µm）和25通道（4.482～4.549 µm）探测大气温度剖面（Atmospheric Temperature Profile）？选择MODIS的17通道（890～920 nm）、18通道（931～941 nm）和19通道（915～965 nm）探测大气中的水汽（Atmospheric Water Vapor）？ 波段3.7～4.1μm和10～12μm是两个可用于星载辐射计探测海面物理要素的热红外窗，一般用于表面温度探测的星载辐射计通道都设计在这两个窗内。由于其波长比可见光波长要长，具有较大的绕射能力和穿透能力，不易受到雾、烟尘和气溶胶的影响，即使穿过大气层，热红外遥感也能够测到比较清晰的图像。 MODIS使用其它热红外通道监测大气垂直剖面的温度、湿度和臭氧含量，这些通道包括大气中气体成分（例如氮气、水蒸气、臭氧等）的吸收带，即非大气窗波段。所以，对应于海洋遥感大气窗是有利的波段，对应于大气遥感非大气窗可能是有利的波段。 17通道（890～920 nm）、18通道（931～941 nm）和19通道（915～965 nm）是近红外波段，6000K的太阳在此频率范围的辐亮度最大，地球表面对此频率范围的太阳光反射和后向散射比较显着。窄带可见光和近红外辐射计一般用于水色和气象遥感，宽带可见光和近红外辐射计一般用于陆地和气象遥感。 4、填空：MODIS热红外通道辐亮度Li通过 __③___ 与该通道的黑体温度Ti相联系；MODIS热红外通道的黑体温度Ti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） 第九章 1、 请回答在微波波段的辐射传输方程 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？ T（θ,h）是微波辐射计观测到的视在温度（apparent temperature）或称亮温（brightness temperature），Tu（θ,h）是大气向上辐射的亮温，h是辐射计所在的高度，θ是观测角或卫星天顶角，e是海表面的发射率，t代表从海面0到高空h之间大气层的透射率，Ts是海表面的温度，ρ是海面的菲涅耳反射率，ρ t Td是大气向下辐射产生的亮温，Tgal 和Tcos分别是银河系噪音（galactic noise）等效温度（对于f>3GHz，Tgal<1K）和宇宙黑体辐射（cosmic blackbody radiation）等效温度（Tcos≈3K）；Tsun是太阳表面温度，ρ t2Tgal代表银河系噪音，ρ t2Tcos代表宇宙黑体辐射，ρ t2Tsun代表反射的太阳辐射。 大气向上辐射的亮温Tu还可以进一步被简化为 式中TA是某种加权平均大气温度，在估计AMSR通道上水蒸汽引起的衰减系数时，某些文献采用了这种近似（Xia 2001）。在上面的公式中，eA是大气的发射率。根据基尔霍夫定律，在大气内部大气的发射率eA等于大气的吸收率aA，大气的吸收率aA与大气的透射率t之和等于1。 2、填空：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） 3、填空：在1-40GHz频率范围内，菲涅耳反射率ρ在 __③_ 随海表面盐度变化最大，在 __④_ 随海表面温度变化最大，在 __②_ 随海表面温度和盐度变化最小，（选择：①X波段，②C波段，③L波段，④Ka波段，⑤Ku波段） 5、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） 6、填空：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 第十章 1、已知σ0[dB]=10 log(σ0)，说明标准化后向散射截面σ0[dB]和σ0的单位。如果σ0增加到原来的100倍，σ0[dB]增加多少？ 所以，σ0 是无量纲的，故一般地被称为标准化雷达后向散射截面NRCS（Normalized Radar -backscatter Cross Section），通俗地也被称为散射系数（scattering coefficient）。 由于σ0变化范围太大，我们经常用σ0[dB]表示标准化雷达后向散射截面NRCS，即 ，式中左侧的σ0 [dB]代表用分贝（dB）表达的NRCS，右侧的σ0代表原始定义的NRCS。 所以，标准化后向散射截面σ0[dB]的单位是分贝dB。 σ0[dB]增加了20分贝。 2、给出布喇格共振条件和入射角θi定义。如果使用5.3GHz的C波段散射计，当入射角是 时，水面上波长多少的水波与入射的电磁波共振？ 布喇格共振（Bragg resonance）或布喇格共振散射（Bragg resonant scattering）条件是 或 式中k是波数（wavenumber），λ是波长（wavelength），θi是入射角（incidence angle），即雷达波束与垂直方向的夹角。 第十一章 1、解释概念：Range，Geoid，Topography，Dynamic Height，Geoid Undulation，Reference Ellipsoid。 Range：高度计测量的距离（Range）指卫星与海面之间的距离。 Geoid：大地水准面（geoid）指与平均海表面最接近的地球等势面（geop），它反映了地球内部质量和密度分布的不均匀特性。 Topography：海表面地形（sea surface topography）或海洋地形（ocean topography）被定义为海表面（sea surface）相对于大地水准面（geoid）的距离。 Dynamic Height：因为海表面地形（sea surface topography）是海洋动力过程引起的，所以在许多文献中也称之为海表面动力高度（sea surface dynamic height）或者海表面动力地形（sea surface dynamic topography）。 Geoid Undulation：大地水准面起伏（geoid undulation）指大地水准面（geoid）相对于参考椭球面（reference ellipsoid）的距离。 Reference Ellipsoid：参考椭球面（reference ellipsoid）是由一个双轴椭圆的旋转产生的，它是最接近地球表面形状的一个椭球面，它的赤道半径是6378.1363km，偏心率（扁率）是1/298.257。 2、高度计能够观测哪几个物理量？TOPEX/Poseidon高度计的水平分辨率（horizontal resolution）是多少？ 使用高度计（altimeter）可以实现对海表面高度SSH（Sea Surface Height）、有效波高SWH（Significant Wave Height）、海表面地形（sea surface topography）等动力参数的测量，同时可以获取海流（ocean currents）、海浪（sea waves）、潮汐（tides）、海表面风（sea surface winds）等动力参数信息。此外，卫星高度计资料还可应用于地球结构和海洋重力场的研究。 TOPEX/Poseidon高度计的水平分辨率（horizontal resolution）是2.2km。 3、大地水准面起伏由什么原因引起？它的变化范围？ 大地水准面起伏是由地球质量分布不匀引起的。我们用hg表示大地水准面高，hg的变化范围在﹣106m和﹢83m之间。 4、根据什么方程可以利用海表面动力高度（sea surface dynamic height）hd来计算海流速度？ 根据方程 可以利用海表面动力高度（sea surface dynamic height）hd来计算海流速度。 第十二章 1、什么是真实孔径雷达，真实孔径雷达与合成孔径雷达有什么区别和联系？ 一般地，不依赖于多普勒效应原理工作的雷达称之为真实孔径雷达。 合成孔径雷达与真实孔径雷达不同的是，这种雷达不但以多普勒频率为载波携带着地球表面粗糙度的信息，而且携带的信息具有更高的空间分辨率。所以，这种能够利用多普勒效应携带高分辨率地球表面信息的雷达被称为合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar） 2、写出合成孔径雷达的距离分辨率、方位分辨率的表达式。哪一个分辨率与采样时间的卫星通过的距离有关？与真实孔径雷达的分辨率相比，哪一个量相当与“合成孔径”？合成孔径雷达在海洋遥感中有哪些具体应用？ 合成孔径雷达的方位分辨率（azimuth resolution），即 ，式中 XD = wtS 表示在整个采样时间tS 卫星移动的距离。 距离分辨率δy可以表示为 ，，中 θ 是入射角，c 是光速。 方位分辨率与采样时间的卫星通过的距离有关。 与真实孔径的雷达相比，2XDsinψ相当于“合成孔径”。 采样距离XD与卫星速度w，采样时间长度ts的关系是：XD = wtS 5、为什么合成孔径雷达能够监测海表面风速、海洋内波、海面油膜、海流、海浪方向谱、有效波高？ 根据布喇格共振散射（Bragg Resonant Scattering）理论，合成孔径雷达（SAR）接收到的海面后向散射信号与海表面上满足布喇格共振散射条件的毛细重力波的谱成正比，所以它能够观测海表面有毛细重力波代表的海面粗糙度，并可反演产生毛细重力波的海表面风速。因为海面油膜改变了海表面张力，而海表面张力是毛细重力波的主要恢复力，所以在海面油膜出现的海域毛细重力波难以生成，表面粗糙度减少，合成孔径雷达接收到的信号将减弱，SAR图像将显示暗区域。在海流出现的海域，海流对毛细重力波的调制会使风生毛细重力波减弱，这样SAR图像也显示暗区域。当内波出现的时候，在辐聚带海面生物膜的聚集使海表面张力减弱，在辐散带深层干净海水的上升使海表面张力加强，这些都在SAR图像产生或明或暗的条纹，从而显示出内波。海浪引起的海水流动（海水质点的长波轨道速度）对毛细重力波有调制作用，在SAR图像留下长波海浪的踪迹，所以合成孔径雷达还能够观测海浪方向谱。 §1.1 卫星海洋遥感的应用 p1 卫星海洋学涉及的详细内容有： ①海洋遥感的远离和方法：包括遥感信息形成的机理、各种波段的电磁波（可见光、红外光、微波）在大气和海洋介质中传输的规律以及海洋的波谱特征； ②海洋信息的提取：包括与海洋参数相关的物理模型、从遥感数据到海洋参数的反演算法、遥感图像处理和海洋学解释、卫星遥感数据与常规海洋数据在各类海洋模式中的同化和融合。 ③满足海洋学研究和应用的传感器的最佳设计和工作模式：包括光谱波段和微波频率的选择、光谱分辨率和空间分辨率的要求、观测周期和扫描方式的研究以及传感器噪声水平的要求。 ④反演的海洋参数在海洋学各领域中的应用。 卫星遥感所获得的海洋数据特点： 1.观测区域大 2.时空同步 3.连续 *卫星遥感资料和卫星海洋学的研究成果在海洋天气和海况预报、海洋环境监测和保护、海洋资源的开发和利用、海岸带绘测、海洋工程建设、全牛气候变化以及厄尔尼诺现象检测等科学问题上有着广泛的应用。（有