什么是海洋测量学原理 -海洋测量的原理

亿脉 · 发表于海洋技术发展 2023-10-28 05:27:52

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文丨史上见

编辑丨史上见

前言

表面风是大气海洋热力学“引擎效应”在海洋表面的明显表现，这包括动量通量在空气海洋界面中的湍流和垂直混合，当公海中的风产生的波浪到达海岸时，它们的特性会受到测深和近地表水流的影响。

模拟大气海洋演变

风暴事件期间表面风和波浪在内的多个参数会导致海岸水位上升，波浪洋流是泥沙输送的主要因素，在高纬度地区海冰的演化受到风的影响，海洋表面洋流引起的漂移相结合，有助于热量的输送。运营界需要对表面风进行观测，以更好地理解和量化这些相互作用，并在数值模型中表示。

在操作应用领域需要对波浪洋流进行监测和建模以促进更安全高效的海上操作，并减轻对航行的不利影响。由于观测改进了建模和初始化，风浪预报的准确性显着提高，仍然需要观察表面参数来约束模型的数值解，进一步改进其物理参数化并对其进行验证，需要更多的观测来对极端事件的演变进行理解。

为了模拟大气海洋在季节和年际尺度上的演变，除了简单地耦合大气和海洋环流数值模型之外，在海洋表面参数领域，国际社会已经确定了几个“基本气候变量”。为了满足这一需求，欧洲和美国机构都支持创建和管理长期同质观测序列。

欧洲航天局实施了“气候变化倡议”，以支持卫星数据的重新处理，以生成长期的相互校准和均质参数序列。为了正确理解从太空观测风所带来的机会，有必要考虑这些基于卫星的采样方法与传统海洋测量获得的方法相比的相对优点和缺点。

传统的海洋学测量通常是通过系泊或静态仪器获得的，这些仪器在单个点或最多沿着单个剖面记录时间序列。数据通常具有非常高的时间分辨率，但根本不提供有关正在采样和的参数和过程的空间变异性的信息。

传感器所接收到的信号强度

对于在光谱的可见光和红外部分工作的仪器，云雨的存在也会对信号的传播产生不利影响。根据具体的规范要求，这仅限于用于测量海流数据的可用技术的一个子集，并且远远超出了上行空间。从太空测量海况特征的最常见方法是基于微波传感器，即使在存在云和降水的情况下也能够在大气中传播，而不会因这些现象而造成太大的衰减。

传感器接收到的信号强度对表面几何形状具有良好的敏感性，与风和波浪产生的表面粗糙度直接相关。来自太空的表面电流测量还使用接收信号对海洋表面运动学的敏感性，该敏感性影响接收信号的相位特性。基于同一系统发射和接收返回电磁信号，此类传感器被称为无线电探测。随着全球导航系统卫星的发展，雷达系统的原理也被从太空利用双基地方法来估计表面参数。

传感器不发射任何电磁波，而是接收来自地球环境的自然辐射，这些被称为“微波辐射计”。当雷达首次投入使用时，微波域被分为不同的频段，其中发射率取决于海面温度的存在，从太空观察时还受到大气对电磁波的衰减和散射的影响，这主要是由于水蒸气的存在。

在微波域中从雷达系统照射到海洋表面的电磁波被表面反射，而由于水的介电性质，它们会渗透到表面下的水中深度仍然非常有限。卫星微波传感器接收到的信号的特性很大程度上取决于粗糙海洋表面引起的散射机制，在无源测量的情况下表面温度附加参数也会对接收信号产生影响。

根据传感器接收器检测到的电场估计的主要量是有源传感器的归一化雷达截面和无源传感器的亮度温度，它们都表征接收器检测到的电磁场的强度。归一化雷达横截面表征了分布在照明区域上的目标的平均后向散射强度。它被定义为拦截发射的雷达功率然后将该功率各向同性地散射回雷达接收器的有效区域。

镜面方向散射机制占主导

镜面反射与垂直于入射电磁波的表面上存在的波面相关，导致镜面方向上的散射，当入射波接近垂直方向时，这种类型的机制占主导地位，因为表面的坡度通常很小。归一化雷达横截面的数学解基尔霍夫切平面近似，然后通过使用镜面点方法或相关函数方法来简化这些电磁方程。

在海洋表面多种尺度的波浪共存，通常是非常短的波浪，产生布拉格散射的短波通常覆盖较长的波，并且后者通过流体动力学过程以及大气流和风输入而被稍微修改，许多理论著作致力于提出麦克斯韦方程组精确解的解析近似，以解释海洋表面的多尺度性质，但不会在这里讨论更多细节。

微波传感器在介质入射时对短布拉格波的敏感性是所谓的“风散射仪”测量表面风的原理。风散射仪是在厘米波长下工作的雷达系统，散射仪测量对风速的敏感度是由于充当布拉格散射体的风产生的毛细重力波对风速的敏感度。这些短波的发展不是各向同性的，波高密度谱沿风向最大，而在侧风方向最小。

微波辐射计的测量也基于相同的原理，但在这种情况下仪器接收来自所有入射的自然发射，因此将所有上述机制结合在一起。通常存在多种效应的组合，特别是小坡度的长海浪使风产生的短波倾斜，因此将镜面效应添加到小和中散射的信号中发生率。当海况极端时由于破碎波而产生的镜面反射点可能会影响返回功率。

微波辐射计的性能

最初微波辐射计是为了测量地球和其他行星大气中的水蒸气参数而开发的，在不受大气衰减的频段中，它们的测量对海洋表面的粗糙度也很敏感。不同电磁频率和接收信号极化的组合对于区分大气效应和表面效应非常有用。

国防气象卫星计划系列配备了扫描辐射计，尽管存在一些局限性，特别是在受降雨影响的地区，但这种通过辐射计测量进行的风速观测现在已系统地应用于业务气象预报系统中。来自海洋表面的微波发射用于估计海洋表面风，基于风局部产生表面波和白浪的事实，这有助于从完全平坦的海面值修改表面发射率。

由于随着风速的增加，海洋表面变得更加粗糙和泡沫增多，因此一种潜在的技术可用于通过地球轨道辐射计对表面风进行全球监测。即使在极端风中低微波频率辐射计的信号也没有显示出饱和或灵敏度损失的迹象，其原因是风使海洋表面变得粗糙，低微波频率发射随风速近似线性增加

全天候风算法需要使用测量的辐射计亮度温度之间的匹配进行训练以及可靠的真实表面风速，辐射计测量风的主要限制因素是降雨影响和这些传感器相对较低的空间分辨率，这不允许解析靠近海岸线天气系统的风结构。

辐射计的风速反演依赖于海洋表面盐度作为外部辅助输入，这可能导致这些区域的风速不确定性增加。对于极端风使得训练段模型变得具有挑战性，与辐射计类似当前轨道段辐射计的低空间分辨率限制了距离海岸多近的准确海洋风速测量以及分辨率热带气旋内核的高风速梯度。

风散射仪和雷达高度计

风散射仪是专门为测量海洋表面风矢量而设计的雷达系统，风散射仪的测量原理依赖于归一化雷达截面对中等入射角的风速和风向的敏感性，在这种配置中雷达回波由当地风产生的短毛细重力波控制，响应时间非常短。精度优于先进相对校准方法为开发精确的检索代码提供了良好的基础。

所有散射仪类型的处理代码均由海洋和海冰服务卫星应用设施集可从不同的数据中心访问。相对较高的风变率也决定了风检索的质量，在风检索之前配置三个视图，从而减少检索噪声。受益于图像分辨率增强技术，散射仪风反演残差，是反向散射视图局部不一致性的衡量标准，因此与局部风变率相关。

与热带湿对流中的上升气流和下降气流相关的极端发散和收敛，而全球模型则无法显示这些。这种变化的部分缺乏还与当地海面温度梯度有关，并且可以通过平均几天内的风差异来校正。这种平均将消除由于瞬态天气而导致的散射仪和大气模型风的差异，但会显示与静止海洋条件相关的差异以及由于边界层参数化和动态模型闭合中的其他系统误差。

在高频微波系统最终测量的另一个重要参数是电磁场的相位，在海洋表面的情况下电磁场的相位受到表面散射的固有运动产生的多普勒频移的影响。对于无源传感器通常选择在多个偏振下进行测量，有助于分离导致反向散射的不同表面效应并使地球物理变量的反演更加准确。

星载高度计所给予的技术支撑

星载高度计是垂直向下指向地球表面的有源微波雷达，高度计的最初用途是测量卫星的高度，即卫星与地球表面之间的距离。在海洋上空提供了有价值的海面高度测量，卫星测高以其在全球区域观测海洋环流和海平面的独特能力，彻底改变了现代海洋学，现已成为全球海洋观测系统的基石。

高度计由海洋表面波引起的高度计测量中的测距误差方面也发挥着重要作用，这种校正称为海况偏差测量准确且一致也支撑准确观察海平面变化和气候趋势的能力。欧洲航天局发射了其冰任务，动机是需要更精确地测量极地地区的海冰厚度并观察格陵兰岛和南极洲冰盖的变化，仪器更高的脉冲重复频率和非聚焦沿轨处理。

天底指向高度计向地球表面发射微波能量短脉冲，被反射回仪器，接收器测量的反射功率的时间传达了微波能量何时以及如何撞击。所有高度计任务都携带脉冲限制仪器，接收到的波形是由源自足迹内的不相关回波的非相干积分形成的。

脉冲限制高度计传统上并通过涉及线性频率调制的复杂脉冲压缩技术产生短高能脉冲，实现直径的覆盖范围。在太空发射的用于科学应用的合成孔径雷达系统由海洋卫星携带，用于在全球范围内以高分辨率监测地球表面。

结语

由于机载内存和下行容量的限制，无法提供连续采集，且采集模式具有排他性。这些限制意味着组织采办计划并解决与任务优先级相关的潜在冲突的策略。从海洋上空收集的图像通常用于估计海浪、表面速度或表面风的光谱特性。