《中国科学院研究生院(海洋研究所)》2015年博士论文

发布时间：2016-11-04 20:35

  本文关键词：泡沫覆盖海面微波辐射机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

《中国科学院研究生院(海洋研究所)》 2015年

泡沫覆盖海面微波辐射机理研究

刘淑波  

【摘要】：海表微波辐射亮温和散射系数是海洋表层物理和几何参量的函数,海洋被动微波遥感主要依据测量的海面辐射亮温对海面物理参量进行反演,如海表温度、盐度、风速等。主动遥感采用海面微波后向散射系数与海面几何参数的关系,反演海面几何参数,如:波高、波面斜率、风速等。然而,在高风速情况,由海浪破碎在海面产生的泡沫层能够改变海面的介电性质和海面的几何结构,进而影响其散射和辐射特性。本论文主要通过理论和实验研究海洋泡沫层的海面亮温增益机理,目的是在理论和经验模式中消除白冠的亮温影响,获得高精度的海面参数反演模式。论文利用有效介质近似理论,将泡沫层视为是由带海水壳层结构的球形空气粒子随机分布于空气基质中构成的一层均匀介质。对该种复合介质,我们发展Rayleigh方法,解决了计算泡沫(含涂层)结构复合介质有效介电常数的问题,该方法充分考虑了高浓度随机分布杂质粒子的电场相互作用对复合物有效物性的影响。为方便计算,还利用帕德近似方法获得了1.4GHz泡沫层有效介电常数的简易求解公式,进一步获得了泡沫-海水双层介质波近似微波辐射率理论模式。通过瑞利方法计算结果与辐射率实验测量数据的比较,发现两者在低微波频率下能够取得很好的一致。该现象符合有效介质理论条件,即微波波长大于杂质颗粒尺度。为了更好地探讨泡沫层微波辐射机理,论文对C波段及低温L波段泡沫覆盖海面的微波辐射率进行了实验研究。利用测量的泡沫覆盖海面亮温,经过分析得到了受泡沫参数影响的微波辐射率资料和辐射率增益结果。结合该观测辐射率资料和代价函数方法,确定了泡沫层微波辐射率理论模式,并且利用其讨论了泡沫各参量对辐射率的影响。实验和理论结果表明:泡沫辐射率对空气体积分数和泡沫层厚度敏感性较大,远大于对温盐的敏感性。通过L和C波段的微波辐射率增益结果,还估算了泡沫层引起的盐度和温度反演误差。在风速为10 m/s时,海面白冠覆盖约为1%,在较低海面温度(1.5?C),大约引起盐度误差(45入射角)0.7-1.0 psu,当海面温度在19?C左右,盐度误差约为0.6 psu;常温下,泡沫层对温度反演的影响大约为3?C。因此,在海表参量遥感反演研究中泡沫层的影响是今后考虑的重要因素。论文在L波段主被动盐度遥感模式仿真研究中,利用模拟资料(模式值+高斯噪音)代替观测资料的方法,分析了遥感仪器设备精度、海表温盐、风速、风向以及入射角等因素对海表盐度和风速反演结果的影响。统计结果表明:1)盐度和风速反演误差随入射角的增大而减小;2)顺风(180?)和逆风(0?)情况的反演精度强于侧风(90?,270?)情况;3)高温、高盐、低风速下,盐度反演误差较小;4)风速反演误差受风速影响很大,风速越大,反演误差越大;5)若要实现0.2psu的盐度反演精度,在月平均尺度上,需要设备亮温和散射系数高斯噪音标准差低于0.2K和0.1d B,而在季平均尺度上,需要亮温和散射系数噪音标准差低于0.3K和0.2d B。实际上,真实海洋在高风速下其海表状态复杂多变,物理参量间相互制约,除了海表泡沫层的影响,海表粗糙度、表层流及海气温差等都可以改变海面的介电性质和辐射特性,这些要素对遥感探测的复杂影响需要结合实验或遥感数据进一步深入讨论。

【关键词】：
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P715.7
【目录】：

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