第十一章 认识海洋的技术方法

1. 第十一章 认识海洋的技术方法

2. 1 海洋激光雷达及其应用 • 广泛应用于海洋科学研究，如浅海水深、海洋叶绿素浓度、海表油污、海洋污染以及海浪特征等测量研究。 • 在激光雷达LIDAR(LightDetectionAndRanging)的应用中，一般是发射单色激光，根据不同探测机制接收不同的返回光，从而获取海洋信息。 • 测量机制主要包括：海水的粒子(Mie)散射、喇曼(Raman)散射、布里渊(Brillouin)散射、荧光(Fluorescence)、海水吸收等。也正是由于不同的探测机制，才出现了各种类型的激光雷达。 • 系统的工作过程为：海表或水中返回的光被望远镜接收，通过光谱仪或滤光器滤除背景杂散光；信号光通过光电探测器接收转化成电信号，波形数字化仪把探测器输出的电信号变成数字量。

3. 影响水深测量的因素很多，除激光发射功率、光学接收效率、视场角匹配等之外，还有以下因素对目标信号带来严重干扰：影响水深测量的因素很多，除激光发射功率、光学接收效率、视场角匹配等之外，还有以下因素对目标信号带来严重干扰： • ①在混浊海水中，水体散射信号往往比目标反射信号大，因此必须对海水的后向散射进行抑制。 • ②海水的衰减系数大，目标信号与海表信号强度差5～7个量级，而一般数字化仪的动态范围为2～3个量级，因此必须对信号的动态范围进行压缩，才能保证对目标信号的有效采集。 • ③太阳等背景杂散光对测量造成严重影响，强烈的背景光还会造成光电探测器的疲劳。

4. 1.2 海洋激光雷达叶绿素浓度测量方法 • 观察海洋生物量的分布，一般借助于测定海水中的叶绿素浓度来作为浮游植物生物量的指标。 • 意义：传统的仪器分析技术，如分光光度法、荧光分光光度法和色谱分析，精度能满足要求，但很难应用于大面积水域的现场探测。遥感技术正好弥补了传统方法的不足，可以对大面积，甚至全球范围内水域进行叶绿素a浓度进行实时或动态监测。

5. 2 水下电视 • 水下电视是用于探测水中物体，并在水上进行电视显象的光学观测工具，它为实时观察水中目标提供高分辨率的视频图象，有“水下眼睛”之称。 • 用途：观察武器试验、舰船修造、探索水雷、鱼雷和检查布雷情况，搜索和识别沉没大海中的潜艇、飞机、导弹弹头、卫星及其运载设备；观察、控制海底工程作业和水下建筑过程，侦察和选择水下施工地址、设备安装以及定期检查工程建筑质量情况；考察海底地貌形态和海底表层地质结构，观察海中生物的生活习性和活动规律等。 • 水下电视的光源有两种：一种是一般的光源，另一种是激光（一种光源亮度高、方向性好、单色性强的相干光，可以大大提高水下能见度） • 按消除后向散射的方式，可分为：距离选通式和视场扫描式。

6. 2.1距离选通式 • 工作原理是：激光器发射很强的光脉冲，通过透镜使其射向观测区域。达到目标后，被漫反射回来进入光学接收系统。接受系统有一距离选通可控开关，这种开关保证只有当目标直接发射回来的光到达时，它才自动开启，使发射信号进入图象增强器被放大，并由电视显示系统显示目标图象。而在发射信号到达之前，距离选通开关关闭，从而把后向散射光从时间上分开，提高信噪比，得到质量较好的图象。 • 距离选通式水下电视对其光源和接收器的要求： • (1)激光光源具有高的峰值功率，以保证有足够的观测距离。 • (2)激光器具有窄的脉冲宽度，以更好地将脉冲信号同回向散射分开。 • (3)距离选通开关的选通宽度应尽可能接近脉冲宽度，以保证仅使目标反射光全部进入接收器，增加信噪比。 • (4)接收器的灵敏度必须足够高。

7. 2.2 视场扫描式 • 视场扫描式水下激光电视充分利用激光的高方向性特点。激光器发射连续的极窄的激光束扫描目标，目标反射光也连续返回并在显象管上显示目标图象。

8. 3卫星海洋遥感 • 3.1卫星海洋遥感及空间海洋观测历史背景 • 卫星海洋遥感，或称空间海洋学，是利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理，从卫星平台观测和研究海洋的分支学科。

9. 3.2 卫星海洋遥感系统 • 3.2.1空间平台及轨道 • 装载传感器的空间运载工具称为空间平台，它包括人造卫星、宇宙飞船、天空实验室等。 • 3.2.2卫星传感器 • 目前用于海洋观测的所有卫星传感器，均根据电磁辐射原理获取海洋信息。包括可见光、红外、微波。 • 传感器按工作方式可分为主动式和被动式。 • 被动传感器如可见红外扫描辐射计，微波辐射计等； • 主动式如微波高度计、微波散射计、合成孔径雷达等。

10. 卫星传感器的类型有： • ①海色传感器：主要用于探测海洋表层叶绿素浓度、悬移质浓度、海洋初级生产力、漫射衰减系数以及其他海洋光学参数。 • ②红外传感器：主要用于测量海表温度。 • ③微波高度计：主要用于测量平均海平面高度、大地水准面、有效波高、海面风速、表层流、重力异常、降雨指数等。 • ④微波散射计：主要用于测量海面10m处风场。 • ⑤合成孔径雷达：主要用于探测波浪方向谱、中尺度涡旋、海洋内波、浅海地形、海面污染以及海表特征信息等。 • ⑥微波辐射计：主要用于测量海面温度、海面风速以及海冰水汽含量、降雨、CO2海—气交换等。

11. 3.2.3数据传输 • 对于非扫描式传感器，由于其测量频率较低，可以在提高数据传输率的同时，尽可能提高数据分辨率。 • 对于扫描式传感器，其数据几乎是连续产生，则须在采样率、数字化间隔及数据传输率之间求得平衡。 • 3.2.4卫星地面接收站 • NOAA卫星地面接收站遍及各地和各部门，在中国和国际上有许多产品。相对来说，其价格较低。 • 值得一提的是，由于海洋是动态环境，原则上所有数据都应归档，因此，卫星海洋遥感的数据存档对数据库、图象库、海洋GIS的研究提出了新课题。 • 3.2.5图象处理与数据处理

12. 3.2.6海洋卫星资料的反演 • 指从卫星原始数据获得定量海洋环境参数的数学物理方法，即从电磁场到物质性质或地球物理性质的逆运算。 • 被动遥感(可见、红外、微波)的反演问题，主要是消除信息传输过程中海洋/大气的影响。 • 主动遥感(微波为主)的反演问题，主要是从微波与海面相互作用中提取海洋信息。 • 3.2.7 GIS系统 • GIS系统是一门介于信息科学、空间科学和地球科学之间的交叉学科和新技术学科，是空间数据处理与计算机技术相结合的产物。 • 地理信息指与研究对象空间地理分布有关的信息，它表示物体与环境固有的数量、质量、分布特性的联系和规律。 • 地理信息系统是采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布有关的数据的系统。 • 海洋GIS系统是基于海洋空间信息特点而建立的专题地理信息系统，是具有海洋空间数据输入、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出功能的软件工具。

13. 3.3卫星遥感对海洋科学研究的价值 • 卫星海洋遥感是海洋科学的一个新的分支学科。它是物理学、信息科学和海洋科学三门学科交叉的产物，其理论基础为电磁波与海洋、大气的相互作用以及海洋/大气辐射传递。 • 其次，卫星海洋遥感为海洋观测和研究提供了一个崭新的数据集。优点： • (1)大面积同步测量，且具有很高或较高的空间分辨率。 • (2)可满足动态观测和长期监测的需求。 • (3)实时或准实时性。可满足海洋动力学观测和海洋环境预报的需求。 • (4)卫星资料不仅具有大面积同步测量的特点，同时具有自动求面积平均值的特点，尤其适用于数值模型的检验和改进。 • (5)卫星观测可以涉及船舶、浮标不易抵达的海区。 • 第三，卫星海洋遥感多传感器资料可推动海洋科学交叉学科研究的发展。

14. 4 卫星海表温度遥感 • 卫星海表温度测量主要利用海面热红外辐射。在大中尺度海洋现象和过程、海洋—大气热交换、全球气候变化以及渔业资源、污染监测等方面有重要应用。 • 卫星SST常分为海表皮温（海表微米量级海水层的温度）和海表体温（海表0.5～1.0m海水层的温度）。 • 应用 • 卫星海表温度广泛应用于海洋动力学、海气相互作用、渔业经济研究和污染监测等方面。 • （1）研究厄尔尼诺现象，给出了西太平洋暖池的温度和位置，这是常规测量难以实现的。 • （2）利用海表温度研究了黑潮和湾流的特征，赤道海域Kelvin波、Rossby波的传播过程。 • （3）利用卫星海表温度发现了诸多中尺度涡旋，并研究了中尺度涡旋、上升流、锋面的变化。小尺度海洋动力特征方面，研究了湍动的精细结构。 • （4）卫星海表温度已进入天气、海洋数值预报业务。 • （5）渔业方面，卫星海表温度可为渔业部门提供鱼类的洄游路线和渔场的有关信息。 • （6）污染监测方面，利用卫星海表温度可以监测油污染、大型核电站附近的热污染。

15. 5 海色卫星遥感 • 5.1引言 • 海色遥感是唯一可穿透海水一定深度的卫星海洋遥感技术。它利用星载可见红外扫描辐射计接收海面向上光谱辐射，经过大气校正，根据生物光学特性，获取海中叶绿素浓度及悬浮物含量等海洋环境要素。 • 对海洋初级生产力、海洋生态环境、海洋通量、渔业资源等具有重要意义。 • 在海色遥感研究中，海水划分为Ⅰ类水域和Ⅱ类水域： • 前者以浮游植物及其伴生物为主，海水呈现深蓝色，大洋属于这一类。 • 后者含有较高的悬浮物、叶绿素和DOM以及各种营养物质，海水往往呈现蓝绿色甚至黄褐色。中国近海就是典型的Ⅱ类水域。

16. 应用 • （1）海洋初级生产力与海洋渔业 • 海色和营养级数之间具有极强的相关性。因此，海色数据结合卫星海表温度和海流参数可以预报渔场环境。日本OCTS传感器虽然仅工作10个月，它在成功发射后很快进入卫星实时渔情预报业务。 • （2）海洋生态环境监测与研究 • 赤潮主要由于海域中浮游生物的大量繁殖所引起。配合与赤潮密切相关的其他多种卫星资料，建立风场-流场-热力学模式，则有希望实现对赤潮的预测。 • 与其它卫星资料结合研究，可揭示许多海洋现象的动力机制和过程，对于海洋生态环境动力学的研究十分有用。 • （3）河口海岸带泥沙浓度及其运移 • 特点：1)随着泥沙含量的增加，光谱反射比也增加；2)光谱反射比的峰值逐渐由蓝波段向红端位移，也就是水体本身的散射特性逐渐被泥沙的散射所掩盖。 • （4）海洋通量及固碳能力 • 卫星数据，尤其是海色卫星数据满足上述目标所需的大时空尺度调查。叶绿素浓度和海洋初级生产力的探测，对于详细了解海洋对CO2的调控过程，是不可缺少的关键技术。

17. 6 微波高度计 • 6.1引言 • 从卫星探测海洋动力参数主要依靠微波传感器，其中高度计(Altimeter，ALT)最为成熟。同时获取流、浪、潮、海面风速等重要动力参数。卫星高度计还可应用于地球结构和海域重力场研究。 • 美国海军于1985年发射了Geosat业务化卫星，揭开了卫星海洋学和卫星大地测量学崭新的一页 • 1) 参考椭球面(ReferenceEllipsoid) • 地球实际上是一个略呈扁形的旋转椭球体。由于万有引力和惯性离心力的作用，在静止大气层覆盖下静止的水体表面，可近似视为一个长轴在赤道方向的双轴旋转椭球体，其几何形状由半长轴和偏心率两个参数确定。这一理想化的数学曲面定义为参考椭球面，并以此作为实际海平面的零级近似。 • 2) 大地水准面(Geoid) • 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，它是一个假想曲面，其形状主要决定于地球的内部结构和外部形态，是实际海平面的一级近似。 • 3) 瞬时海面(InstantaneousSeaSurface) • 瞬时海面即某一时刻的实际海面。它除了受制于地球重力场的分布之外，还受到海流、波浪、潮汐、降水、融冰、气压等海洋和大气过程的影响，是各种复杂环境因素共同作用下的一种随机瞬态平衡。

18. 4) 平均海平面(MeanSeaLevel) • 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。但是这一定义本身并不具有时间平均的含义。如果想得到某段时间内的平均海平面，则需对上述概念下的平均海平面在该时间段上进行平均。 • 5) 海面动力高度(SeaSurfaceDynamicHeight) • 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。 • 6) 大地水准面起伏(GeoidUndulation) • 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。 • 7) 海平面起伏(SeaSurfaceUndulation) • 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。 • 需要强调的是，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。

19. 应用 • 1）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。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。这一方法的数学依据是改进的加权约束最小二乘法。利用这一方法得到的全球大洋环流。 • 2）海洋潮汐：测量海平面高度本身需要进行潮汐修正，同时，它能够给出全球大洋的潮高空间分布。由于潮汐具有确定的周期，使人们有可能将它从海平面高度中与其它不同周期或非周期性的海面起伏分离开来。 • 3）中尺度海洋现象:中尺度海洋现象主要包括涡旋、上升流、锋面等。首先计算一条重复轨迹上的平均海平面高度，再计算每次重复数据相对于这一平均高度的斜率，然后利用地转平衡关系算出垂直于轨迹方向的流速。 • 4）大地水准面与重力异常(gravityanomaly):卫星高度计最初的成果就是测量地球形状及大地水准面，进而计算全球重力场。大地水准面与参考椭球面上对应点的重力之差称为该点的重力异常，方向之差称为垂线偏差。 • 5）有效波高:两方面：一是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；二是用卫星高度计有效波高数据进行全球的或区域的浪场特征分析，如波侯、极端波要素和浪场时空结构等。 • 6）海面风速:特殊意义：(1)高度计可提供同步的风、浪数据；(2)高度计星下点风速空间分辨率高于散射计；(3)高海况下的适用性可能优于散射计。

20. 7 微波散射计 • 研究历程： • 可见光和红外卫星遥感首先得到广泛应用，利用静止气象卫星云图，通过云导风技术获得高空风场，这种方法从70年代一直沿用至今。 • 星载微波散射计探测海面风场的建议早在1966年提出，这种技术的有效性被1973年Skylab卫星S-193散射计和1978年SeasatA卫星SASS散射计的成功经验所证实。 • 1991年欧洲空间局(ESA)的ERS-1卫星上装载的主动微波探测仪(AMI)设有散射计工作模式，使卫星散射计风场测量进入业务化监测的新纪元。 • 意义：卫星散射计风场数据对于海洋环境数值预报、海洋灾害监测、海气相互作用、气象预报、气候研究等具有重要意义。

21. 应用 • 一、台风与热带气旋 • 从星载微波散射计获得的风场资料中可以清楚地看到台风所特有的涡旋型结构、台风中心(即台风“眼”)的位置及移动路径。 • 二、二氧化碳气体交换 • 直接测量通量十分复杂，通常海气间的二氧化碳通量由海气间的二氧化碳的分压和气体交换系数计算获得。气体交换系数决定气体交换的快慢，主要由海面风速分布决定。目前，国际上已把卫星反演风速应用于海气二氧化碳通量研究中。 • 三、海洋环境数值预报 • 由于现场风场资料的缺乏，对气旋、台风以及风生流研究进展缓慢，利用卫星获得的风场资料同化到相应的数值预报模式将有助于对上述现象的理解和模式的修正。

22. 8 星载合成孔径雷达 • 合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)是一种主动式微波成象雷达，它被认为是最有效、最有潜力的卫星传感器。 • 特点：良好的空间分辨率，可与光学遥感图象相比拟；又具有全天候全天时工作的优点 • SAR对海洋的观测，包括海浪方向谱、中尺度涡旋、内波、海冰、浅海地形、海岸带动态监测、海面白帽、海面污染、海面风场、海流、以及海面油资源、海中叶绿素。

23. 应用 • 1）内波：SAR提供了内潮波和内孤立子的形成及传播机制的研究条件。 • 2）海底地形：潮流与浅海地形的相互作用影响表面流速分布，进而影响海表面的粗糙度和SAR成象。 • 3）海洋污染监测：海面上覆盖一层油膜或其它化学污染物时，会使海面张力波和短重力波受到阻尼，海面变得更为平滑，使海面后向散射降低，图象变暗，从而实现对污染的监测。目前，挪威、加拿大等已利用ERS/SAR和Radarsat/SAR实现污染业务化监测。