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地球大气的卫星观测
发布日期 ：2020-05-12
作者：Lee-LuengFu,TongLee,W.TimothyLiu,RonaldKwok
编译：侯美亭贾朋群
摘要：海洋遥感技术的发展始于20世纪70年代，而从空间观测海洋的想法在20世纪60年代后期就已提出。第一张全球空间图像所展示的海洋的广阔和复杂状态从那时起一直困扰和启发着海洋学者。本文概述了近50年来海洋遥感技术取得的巨大进展，这些进展对我们研究海洋与天气和气候关系的方式产生了深远的影响。从太空中看到的景象，加上数量空前的海洋实地观测的部署，给物理海洋学带来了一场革命。这一成就的亮点包括对全球海洋环流的描述和理解，驱动海洋-大气耦合系统的海-气通量观测，这在热带海洋中表现得最为突出。极地海洋对气候变化最为敏感，并产生重大影响，但由于地处偏远，直到太空时代才得以深入关注。关于海冰状态的演变以及被冰覆盖的海洋的循环，已经有了根本性的发现。太空观测的准确性和广泛性带来了许多惊喜。值得注意的例子包括确定全球平均海平面上升以及深海在潮汐混合和消散中所起的作用。
引言
海洋卫星遥感技术的发展始于20世纪70年代。本文回顾了近50年来的研究进展。本文目的并不是详尽地介绍海洋遥感的所有方面，而是集中讨论遥感在促进我们了解海洋环流和海洋-大气相互作用及其与天气和气候关系方面所取得的进展，后者也是AMS的核心主题。给出某领域大量进展，所用文献不可避免地具有主观性和采用折中的方式。
天气和气候受海洋-大气耦合作用过程的控制。海洋是地球上水、热和温室气体的主要储藏库。从全球范围来看，自工业革命以来，海洋吸收了全球变暖带来的90%以上的热量（Levitusetal.,2009）。地球辐射平衡计算表明，如果没有海洋，地球表面的温度将达到67℃（Philander,2004）。海洋也是全球水循环的组成部分，在调节地球水循环和影响人类社会的水供应方面发挥着关键作用。海洋在气候变化中也扮演着重要的角色，如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO），它具有区域性和全球性的影响。在更大的区域尺度上，海洋为海洋上的风暴提供热量和水分，这对理解飓风等恶劣天气至关重要。然而，全球海洋的观测由于其广阔的范围而具有挑战性，在所有空间和时间尺度上不断变化的性质给合适采样造成很大困难。
20世纪50—60年代的太空时代，标志着海洋观测从原位船载观测向卫星遥感的转变。卫星海洋学始于20世纪70年代，当时在威廉斯敦召开了一次开创性的会议（Kaula,1969），会议概述了卫星遥感的许多关键概念，包括海洋学和大地测量学。第一次从太空测量海面温度（SST）是在20世纪60年代末由TIROS气象卫星完成的。气象卫星对海温的早期红外观测有一个显著的发现，那就是太平洋的热带不稳定波（Legeckis,1977），这说明了卫星对大规模海洋现象观测的潜力。虽然自20世纪70年代末以来，先进甚高分辨率辐射计（AVHRR）对红外传感器进行了改进，但它们受云层覆盖的限制是海洋过程连续监测的一个主要问题。然而，基于AVHRR、被动微波传感器（全天候能力）和外场测量（如Reynoldsetal.2007）的混合海温产品对海洋和气候研究做出了重要贡献。
专有的海洋遥感观测首先开始于天空实验室（Skylab）计划（Krishen,1975），使用具有全天候观测能力的微波传感器。该任务验证了雷达测高仪、散射仪和微波辐射仪的可行性，为后续的空间海洋观测任务奠定了基础。继天空实验室用雷达测高计测量海面形状的工作之后，GEOS-3卫星首次提供了反映地球重力异常和表面地转流的海面起伏的测量（Huangetal.,1978）。
第一颗使用一套综合传感器观测海洋的卫星是Seasat任务（Bornetal.,1979）。虽然这次任务只持续了100多天，但它已经完成了证明卫星海洋学概念的目标，即以天气频率观测全球海洋。海洋卫星观测主要利用了微波遥感雷达仪器：雷达高度计、散射计和合成孔径雷达（SAR）。这些测量显示了绘制海洋表面地转环流、矢量风场、表面和内部重力波、海冰以及一系列海气相互作用过程的可行性。“海洋卫星”的成功使我们有能力用主动传感器观测全球海洋。
除了主动微波遥感，另一个重要的发展是被动微波辐射测量和先进的可见光和红外传感器，用于测量海洋表面的性质，如温度、盐度、风速、海洋颜色（与生物过程有关）。由Seasat和Nimbus-7携带的扫描多频微波辐射计（SMMR），以及同样携带海岸带彩色扫描仪（CZCS）的Nimbus-7，为未来几十年全天候被动遥感的发展提供了基础。
在卫星遥感出现之前，人们不得不使用不同年份和几十年收集到的稀疏数据，以获得对全球海洋的概括性看法，而这种概括性看法几乎不足以对其物理学进行定量的了解，以解决有关天气和气候的问题。可以说，Seasat最重要的影响是演示了利用雷达高度计在几周内从太空绘制全球海面高度（SSH）场变异性的可行性。同时，用散射仪测量了驱动洋流的表面矢量风。微波辐射计测量了海温、风速和柱状水汽，这使得后来发展出一种估算蒸发和潜热的方法（Liu,1986;Liuetal.,2000）。海洋卫星的新能力从根本上改变了全球海洋研究的方式。
最初的专用于海洋空间观测的一系列卫星雷达高度计由各种国际机构发起，包括Geosat（美国海军），ERS-1（ESA）和TOPEX/Poseidon（NASA和CNES）。这一系列测量由法国、美国合作的Jason-1、2和3号继续进行，并由ESA的ENVISAT、美国海军的地球后续任务、Altika的法国、印度合作任务和ESA的Cryosat（FuandMorrow,2013）完成，形成了自1992年以来海洋表面地形的连续记录。卫星遥感和现场观测系统的共同努力，标志着全球海洋大规模采样时代的开始。
与雷达测高互补的是全球实地Argo项目（Roemmichetal.,2009）和美国-德国GRACE（重力恢复和气候实验）任务（Tapleyetal.,2004）。从21世纪初开始，Argo已经发展成为一个国际项目，在全球海洋中部署了近4000个浮标，对2000m以上水柱的温度和盐度进行采样。这项测量，再加上测高所得的海洋表面地形，提供了有关世界海洋地转环流和海洋密度场的基本资料。其中，GRACE不仅提供了测定海洋环流的大地水准面，还提供了地球上不断变化的水质量，并应用于海洋学、大地测量学和水文学。高度计、Argo和GRACE的联合系统使研究气候变化引起的全球海平面变化成为可能。这个海洋观测系统已经建立了一个框架来评估、理解和预测未来海平面的变化。
Seasat还进行了后续任务，以测量矢量风场。最引人注目的是1999年发射的QuikSCAT任务。它提供了第一个十年时间长度的高分辨率风场。虽然散射计最初被设计为一个风传感器，但它测量的后向散射长期以来被认为与驱动海洋环流的海洋表面应力关系更密切。海洋学家主要通过由经验确定的阻力系数来获得风的应力，而阻力系数通常是有问题的。散射仪特有的应力测量能力给出了新的视角：揭示中尺度大气强迫的海洋，尤其是热带气旋的强风下，压力并不会像预期的那样随着风而增加（Cheltonetal.,2004;LiuandXie,2017）。
近年来，利用L波段辐射测量（SMOS，土壤水分和海洋盐度）、Aquarius和SMAP（土壤水分主动/被动）任务，建立了一个测量全球海洋表面盐度（SSS）的卫星海洋学新前沿。不同卫星测量的协同作用，如风、海平面高度、海温、SSS和海洋颜色观测，提高了对海洋-大气相互作用与气候、海洋动力学和海洋生物地球化学之间关系的理解（例如，Leeetal.,2012）。
经过几十年的技术进步，海洋综合卫星观测系统不仅能够在海盆尺度上，而且能够在中尺度上监测全球海洋和大气-海洋相互作用。海洋观测卫星连同原位海洋观测平台和受观测限制的海洋状态估计系统，正在对四维海洋环流及其对气候和天气过程的影响、与全球水循环的联系和它对海洋生物地球化学的影响进行定量描述。这些观测结果也在改善气候和天气预报方面发挥着关键作用。
下面，本文首先讨论卫星遥感对目前描述和理解海洋环流的贡献，接着讨论驱动海洋-大气耦合系统的海气通量。本文从海冰动力学和海冰覆盖下海洋环流的角度对极地海洋的新发现进行讨论。论文以两个原本意想不到的重要突破结束：全球平均海平面上升和海洋内部潮汐的确定，以及它们在潮汐消散和深海混合中的作用。
2.海洋环流
海水的运动，以及海洋热量、能量、动量、营养物质和化学性质，在很大程度上决定了由水、空气和冰组成的地球水圈的状态。20世纪60年代以前，当现代电子技术使收集长时间序列洋流成为可能时，大规模海洋环流的概念是稳定的层流流体。由于发现了与海洋中尺度涡旋有关的迅速变化的洋流，需要绘制具有足够空间和时间分辨率的洋流图。海洋学家对第一张全球海面高度变化图印象深刻，这张图仅来自Seasat一个月的海洋测高数据（Cheneyetal.,1983）。海洋中尺度涡旋由于其信号强度大、尺度小，是卫星观测到的海洋环流的第一个特征（见2.3节）。大尺度的海洋环流，包括它的变化和平均状态，在太空中更难观测到。例如，确定大规模的SSH变化需要精确的卫星测定，这需要很长一段时间的发展。从20世纪80年代到现在，卫星测高仪的发展使全球海洋环流的知识从中尺度提升到海盆尺度，并使物理海洋学领域发生了革命性的变化。