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目 录

一、引言 4

二、海流卫星反演现状 5

2.1、SAR多普勒中心偏移法^[3,4,] 5

2.2、多时相示踪物测量法^[2] 6

2.3、SAR沿航向干涉法^[5,6] 6

2.4、卫星高度计测量法 7

三、卫星资料 8

3.1、GOCI 8

3.2、数据 9

四、方法 9

4.1、Kriging插值方法^[2] 11

4.2、DINEOF原理^[2] 12

五、实验结果 13

六、结论 20

6.1、海流的运动 20

6.2、实验结论 20

七、意义和展望 20

7.1、意义 20

7.2、展望 21

参考文献 22

致谢 23

静止卫星海流反演方法

古超豪

，China

Abstract：Ocean currents have significant effects on chemical processes, physical processes, biological processes and geological processes, as well as climate formation and weather changes over the oceans. Not only that, the sea current has a great influence on the military, so how to make use of the sea current is one of the problems that the Navy should consider carefully. However, it is almost impossible to observe a large area of sea surface current by conventional devices. Therefore, in order to solve the difficulties of actual sea surface current measurement, we can make use of satellite remote sensing data to retrieve ocean currents and get corresponding information of current data, so as to provide help for marine heat flux, matter flux and even marine military. The MCC method is used to perform sea surface current retrieval from the GOCI data in this paper, so as to analyze the motion law of sea surface currents.

关键词：Sea surface current retrieval，MCC，GOCI，Satellite remote sensing

一、引言

海流同时也被人叫做洋流。热辐射，水汽的蒸发或者降水等还有风应力，潮汐力和地转力的共同作用下，形成了不同的水团，这些水团规模庞大而且流量也相对稳定，这就是海流。海洋中有各种各样的潮流，每一种潮流都会沿着相对固定的路线流动多年。它使整个地球的海洋所有的生物，物理，水文和化学元素中保持其长期相对稳定。海流就如同我们人类的血液循环对于人的作用一样，分布在整个地球海洋的个个地方，使得全球的海洋都贯通起来。

海流会影响到海洋里许多的化学、物理还有生物和地质等过程。海流甚至能够影响到海洋上空的天气和气候的形成以及变化。^[1]

第一，寒流和暖流会影响近海区域的温度和湿度。寒流对于近海区域的气候有着降低气温与减小湿度的作用，而暖流则对近海区域的气候有着增加气温与增加湿度的作用。

第二，在寒流和暖流交汇的海区，假如海水受到扰动，对鱼类的繁衍会有很大的帮助，因为海水的扰动会把海水底层的营养盐类带到海水表层来，这就为鱼类提供了食物，让鱼类能够更好的生存和繁衍。不仅如此，而且还能够形成大规模的渔场，因为两种海流还能够形成“水障”，这种“水障”阻拦了鱼类活动，使得鱼群集中，比如纽芬兰渔场还有日本北海道渔场就是这样形成的。

第三，海轮顺着海流前行不仅能够节约燃料，还可以加快海轮的航行速度。假如暖流和寒流相遇的话，通常会形成海雾，这样就会影响到海上的航行。还有，如果海流带着冰山一起流动的话，会给海上的航运造成比较大的威胁。

第四，海流还能够加快污染的净化速度，因为它可以把近海区域的污染物随着海水的流动而带到其他的海域。但是，其他海域也可能会因为海流的运动受到污染，使得被污染的范围更加宽广。

所以说，了解海流的变化规律，不管是对于航运，还是渔业等有着重要的意义。就比如说，海流是从低纬度向高纬度传输热量的，热量和水汽往上输送会出现在暖流的上空，层结不稳定，湿度就会变大从而容易产生降水。而寒流逆温，若层结稳定的话，则水汽很难往上输送，蒸发又弱，因为底层的相对湿度很大，所以只能形成雾，不能成雨。^[1]

海流对于军事上同样有重要的意义。就拿海军作战来说，海流是影响作战的重大因素，海军作战若想要胜利，降低战争的资源消耗是一个很好的方法，这就需要利用好海流。反之，若是没有利用海流反而受其影响，则会对战争起到不好的影响，甚至成为导致战争失败的隐患。在第二次世界大战，就有许多靠近海域的国家为了提高航行速度，节约燃料和时间，把海洋的水文资料当作军事情报来收集，整理，他们利用海流使得船只能够顺行，甚至还利用上升流和下降流来出击，防守和潜行。^[2]

海岸带是人类经济活动的中心之处，而海流对于海岸带的影响是巨大的，不可忽视的。研究海流的运动规律，对海岸带资源的可持续开发有很大的帮助。因而，全球海域内的海洋流场信息的反演，不管是有关海洋学本身的研究，亦或是跟海洋有紧密联系的气象学，甚至是军事上的运用都起着至关重要的作用。显而易见，海流对于人类来说有着相当重大的意义。因此，对海流的运动规律以及变化进行研讨就显得十分重要并且有必要。^[1]

测量海流的方法有很多种，而“现场”观测就是测量海流的一种比较直接的方式，“现场”观测又分为拉格朗日方法和欧拉方法这两种方法。“现场”海流观测方法的一大优点就是测量的精度很高。但是，这种观测不太好观察到海流的时空变化，而且观测的成本太高，再加上“现场”观测的空间覆盖范围十分有限。这几个缺点使得“现场”观测没有办法满足实际的需要，因此，我们需要寻找其他更合适的方法。^[2]

除了“现场”观测之外，还有另外一种海流测量的手段，这种手段就是利用卫星遥感进行测量，这种测量方法有着自己独特的优点：

第一，利用卫星遥感来进行海流测量能够实现全球范围的观测;

第二，卫星遥感有着反复观测的能力;

第三，比较高的空间分辨率是卫星遥感的一大优点。

所以说，利用卫星遥感对海流进行观测能够弥补“现场”测量方法的一些不足之处，从而能够对全球范围上海洋流场进行比较准确的观测。

但是就以现如今来说，想要对大面积的海域表面进行高频率的实时观测，仅仅使用常规的手段很难达到目的。对岸基地波雷达来说，其观测成本比较高，而且观测的范围有限；而SAR的覆盖范围又太小，而且重复观测周期较长；此外，还有许多类似的非常规手段，它们由于各种原因不能很好地推广使用。^[2]

而通过地球同步卫星资料对海流进行反演具有资料获取容易，覆盖范围广泛，并且重复观测的周期短等各种优点，所以使用地球同步卫星资料进行海流反演就显得十分重要且必要。

本文先是介绍了海流卫星反演的现状，然后主要讲述如何从地球同步卫星GOCI资料进行海表面流场反演的方法。首先利用GOCI得到的悬浮物浓度资料反演海表面流矢量，然后通过一天多次的观测处理结果得出海流的变化规律，最后再对研究的结果进行总结，还有对卫星遥感海流的研究进行展望。

二、海流卫星反演现状

现如今，世界各国都已经意识到海洋对于人类的重要意义，各个国家也都早以开始了对海洋的研究，对海流的研究。那么，如今人类对于海流的研究达到什么程度了呢？就目前状况来说，海流卫星反演是研究海流的一个主要方法， SAR多普勒中心偏移法、SAR沿航向干涉法、卫星高度计测量法再加上多时相遥感图像示踪物测量法这几种方法是海流卫星反演的主要方法。

2.1、SAR多普勒中心偏移法^[3,4,]

想算出多普勒中心频率还有探测回波数据估计的多普勒中心的差异，需要通过卫星轨道和姿态来测量数据，这就是 SAR多普勒中心偏移法的使用原理，而海流就是引起这种差异的源头。

Kudryavtsev等人^[14]在2005年的时候，在不一样的雷达散射机制对于计算多普勒中心频率的距平所造成的影响这一点上进行了深入的研究。他们主要是通过海面微波散射理论来进行研究。在此期间，他们为了证明他们所提出的模型跟实际观测有相当好的一致性，利用了多次的试验观测来进行验证。Mouche等人^[15]在2008年进一步研究了不同的海面微波散射机制对于计算多普勒中心频率距平造成的影响。他们利用一个改进过的散射模型来研究。后来Hansen等人^[16]在2010年进一步证明了这个方法的可行性，并且通过反演得到的海流径向速度的均方根误差大约为23ｃｍ／ｓ，这是通过把SAR多普勒中心偏移法应用在ASAR 数据上来得到的结果。

SAR多普勒中心偏移法的可行性和有效性通过以上实测数据的处理结果足以证明，但是这个方法依旧有着一定的缺点，主要有以下的三点：

第一、SAR多普勒中心偏移没有办法得到完整的二维流场矢量，只能得到海流的“径向”速度；

第二、 SAR多普勒中心的估计得到的多普勒中心值很可能跟其本身的真实值有较大的偏差，因为海面的后向散射非均匀性很容易影响 SAR多普勒中心；

第三、海流径向速度的估计有可能会受到SAR 波束中心指向误差的影响。

2.2、多时相遥感图像示踪物测量法^[2]

通过卫星遥感图像中的示踪物,在海流的作用下发生的变化来测量海流，这就是多时相遥感图像示踪物测量法的基本原理。

假设获取两幅卫星遥感图像的时间差是 T，那么遥感图像中示踪物顺着两个互相垂直方向（x和 y）移动的距离就是 Sx和 Sy。海流速度在x与y这两个方向的估计值（Vx和Vy）就能够用下列式子表示

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