由卫星资料反演全球白冠覆盖率的初步研究

论文摘要

海洋白冠作为波浪破碎的重要表现,是海气界面普遍存在的现象,长期以来一直引起人们的广泛关注。全面地理解它的生成机制和消衰过程以及准确地参数化白冠覆盖率对海-气相互作用、海洋遥感、海浪理论、海洋工程等各方面的理论和应用研究都有着重要作用。白冠覆盖率长期以来都是大气、海洋科学家们关注的热点问题之一。观测研究表明白冠覆盖率在风速和一系列其它的环境和气象因素的作用下有着很强的时空变化。本文总结了白冠覆盖率的研究进展,阐述了白冠覆盖率的研究意义,并指出共同作用于它的众多环境影响因子。为了更加现实的模拟全球海域范围具有高度可变性的白冠覆盖率W,并考虑除风速以外的一系列环境和气象因子的影响,本文改进了已有的卫星遥感数据反演白冠覆盖率模型,利用2001至2005年各逐日卫星观测数据资料:海表面亮温TB ,大气柱水汽含量V,云中液态水含量L,海面10米高度风速U10,海表面温度TS和盐度S等,研究了全球海域月平均和季节内（夏季）周平均的平均白冠覆盖率,这种方法是在宏观框架下针对更接近现实海况的白冠覆盖率的模拟计算迈出的第一步。论文详细介绍了反演方法的物理背景、理论方法、数据处理和误差分析,与传统的依赖于单一风速经验公式和包含浪场信息的经验公式模拟结果所作的比较,与全球海表面感热和潜热通量分布的关系以及模式进一步改进提高。论文主要揭示了全球海域白冠覆盖率W的如下特征:（1） W随时间和空间的变化呈现很大的可变性;（2）太平洋赤道海区常年保持低值的白冠覆盖率且空间分布基本保持不变;在其它海区对时间变化有相对较强的强弱震荡;（3）全球海区,基本上每个月W的平均值在4%到5%之间;（4）北半球冬季的平均白冠覆盖率高于同时间的南半球;南半球高纬海区的白冠覆盖率的月变化不及北半球明显,大于9%的白冠覆盖率多出现在北半球中高纬海区,出现时间自十一月至次年三月,而南半球则主要分布于南极绕极流区,时间为五月至十一月;（5）赤道以北有一条明显分布的较高W值的条带状海区,与大约位于赤道和12°N间随季节迁移的热带辐合带（ITCZ）相吻合;（6）考虑云中液态水所造成的衰减系数的大气校正会降低反演的白冠覆盖率平均值。由于白冠覆盖率的时空分布在海气交换研究中的重要地位,需要建立连续、准确、可靠的由卫星遥感数据估算全球白冠覆盖率模式,这还有赖于今后进一步的深入研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 白冠覆盖率的概念及其研究意义
• 1.1.1 气泡、飞沫产生和气体交换
• 1.1.2 海洋热量、动量、能量的交换
• 1.1.3 海盐气溶颗粒的产生及作用
• 1.1.4 白冠与海气界面之间带电粒子的关系
• 1.1.5 海洋遥感
• 1.1.6 白冠与海浪理论的研究
• 1.1.7 白冠与海洋工程
• 1.2 国内外关于白冠覆盖率的研究现状
• 1.2.1 国外关于白冠覆盖率的研究
• 1.2.2 国内关于白冠覆盖率的研究
• 1.3 本文研究内容
• 2 反演白冠覆盖率相关的遥感基本概念
• 2.1 瑞利-金斯定律
• 2.2 菲涅耳反射率ρ
• 2.3 发射率e（λ）
• 2.4 基尔霍夫定律
• B'>2.5 海表面亮温T_B
• 2.6 小结
• 3 物理背景与计算方法
• 3.1 影响白冠覆盖率的因子
• 3.2 白冠光学遥感性质
• 3.3 白冠覆盖率反演的物理背景
• 3.4 海面发射率e
• r'>3.5 粗糙海表面发射率e_r
• 3.5.1 菲涅耳公式
• 3.5.2 相对电容率的公式
• 3.5.3 德拜方程新公式
• f'>3.6 泡沫发射率 e_f
• 3.7 小结
• 4 数据来源及准备
• B ，V，L数据'>4.1 SSM/I的T_B，V，L数据
• S 数据'>4.2 AVHRR的T_S数据
• 4.3 WOA05的S数据
• 4.4 QuikSCAT的风场数据
• 4.5 数据准备
• 4.5.1 风速遮盖
• 4.5.2 降雨遮盖
• 4.5.3 晴空遮盖
• 4.6 小结
• 5 卫星资料计算得到的白冠覆盖率
• 5.1 全球海表面月平均白冠覆盖率模拟结果及分析
• 5.1.1 总体特征
• 5.1.2 白冠覆盖率高值区与热带辐合带、云图分布的讨论
• 5.1.3 白冠覆盖率和温度、盐度的关系
• 5.1.4 南、北半球白冠覆盖率平均值的分析
• 5.1.5 大气校正中云中液态水的影响
• 5.2 模拟结果评估与比较
• 5.2.1 与单纯依赖风速的经验公式的对比
• 5.2.2 与依赖浪场信息的经验公式的对比
• 5.2.2.1 经验公式的选取
• 5.2.2.2 WAVEWATCHⅢ海浪模式简介及计算设置
• 5.2.2.3 结果分析
• 5.2.3 全球海洋热通量的分布比较
• 5.3 白冠覆盖率季节内变化（周平均）初步分析
• 5.4 小结
• 6 结语
• 6.1 误差分析及讨论
• 6.2 主要结论和创新点、存在的问题与工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果