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1、第九章 高度计 9.1 高度计几何学（Altimeter Geometry）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。ALT通过对海平面高度、有效波高、后向散射的测量，可同时获取流、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。最早的卫星高度计是装载在美国国家海洋大气局的GEOS-3(1975-1978)和美国宇航局的高度计卫星SeaSAT-A(1978)。八十年代，美国海军发射的卫星Geosat(1985-1988)装载有高度计；该高度计测量海表面高度的精度可达到5厘米，目前其后续卫星Geosat Follow
2、-On(1998/2)正在继续高度计测量地球物理参数的使命。九十年代以来，美国宇航局与法国国家空间研究中心联合发射了高度计卫星TOPEX /POSEIDON(1992/8)；随着雷达高度计和支持设备精度的提高以及校正工作的改进OPEX/POSEIDON测量海表面高度的精度达到了4.3厘米。进入二十一世纪以后，美国宇航局与法国国家空间研究中心联合又发射了Jason-1(2001/12)，这是TOPEX/POSEIDON的第一颗后续卫星。上述卫星是专门的高度计卫星，其运行轨道遵守高度计的测量需要。九十年代，欧洲空间局发射了兼顾多种任务的环境卫星ERS-1(1991)和ERS-2(1995)；其装载
3、的雷达高度计也获得了大量数据。进入二十一世纪以后，欧洲空间局又发射了一颗环境卫星ENVISAT（2001/12），这是ERS-1/2的后续卫星。图9-1给出了高度计观测海洋的示意图。德克萨斯大学网页http:/www.ae.utexas.edu/courses/ase389/sensors/alt/alt3.html 给出了详细的解释。 卫星轨道 大地水准面 海平面 海面地形（海面起伏） 大地水准面 起伏 参考椭球面 地球质心 图9-1：高度计观测海洋的示意图 1) 卫星高度(Range) 卫星高度计由一台脉冲发射器、一台灵敏接收器和一台精确计时钟构成。脉冲发射器从海面上空向海面发射一系列极其
4、狭窄的雷达脉冲，接收器检测经海面反射的电磁波信号，再由计时钟精确测定发射和接收的时间间隔t，便可算出由高度计质心到星下点瞬时海面的距离，即卫星高度R。其计算公式表示为 (9-1) 式中c是光速。2) 位势(Potential) (9-2) 式中Ug是固体地球、水和地球旋转产生的离心加速度（centrifugal acceleration）的重力势（potential of gravity），Ua是大气产生的重力势。（注意，位势U还应包括一随时间变化的潮汐分量，这个分量可以精确的计算，但通常不能明确的保留下来）。Ug与重力加速度g的关系是 (9-3) 3) 地球等势面(Geop)和大地水准面(G
5、eoid)地球等势面指在式(9-2)中U等于常数的任意等势面。大地水准面指与平均海平面最接近的地球重力势的等势面, 它反映了地球内部质量密度分布的不均匀特性。如果没有运动，大地水准面应和平均海平面一致。4) 参考椭球面(Reference Ellipsoid)参考椭球是地球形状的一阶近似定义，在绘图法中用来代表地球的大小和形状。它是由双轴椭圆的旋转产生的，可以看作是半径为赤道半径6378.1363Km，扁率为1/298.257的椭球体。参考椭球面是对大地水准面的最平滑的近似。5) 大地水准面高度(Geoid Height)或大地水准面起伏(Geoid Undulation)大地水准面高度（又称
6、大地水准面起伏）指大地水准面相对于参考椭球面的高度。由于地球质量分布不匀，其变化范围在104m和60m之间。我们用hg表示大地水准面高度。6) 海面动力高度(Sea Surface Dynamical Height)或海面地形(Sea Surface Topography)海面动力高度（又称海面地形）指海面到大地水准面的高度。该高度是由于海水运动引起的，其全球平均高低差为1.5m，含有洋流、潮汐和中尺度过程等海洋动力学的信息。我们用hd表示海面地形。 9.2 高度计的主要观测对象 9.2.1 高度计对海面地形的观测海面地形hd可通过下式计算 (9-4)式中r是卫星到参考椭球面的高度（The d
7、istance from the satellite center of mass to the reference ellipsoid at the altimeter sub-satellite point），R是卫星测量高度，hg是大地水准面高度，ei是第i个误差（The i-th error）。许多动力学过程都对海面地形有影响。该影响虽然很小（大约为1m），但是包含了海洋动力学的所有信息：1) 潮汐对陆地和海洋都产生作用。地球固体潮的振幅大约是20cm，而海洋潮汐的振幅通常是1m左右。在浅海中，潮汐的振幅不太确定，可能有几十米。在大多数深海中，潮汐振幅的精度是10-20cm。2) 海流
8、和海面风使海平面远离大地水准面。剧烈的海流运动在100km范围内使海表面高度变化大约1m；强大的海风沿着海岸线吹，可以将浅海海水向着海岸堆积几十米的高度。在深海中，海风的影响很小。3) 大气压的变化可以引起海面几厘米的变化，二者变化的位相相反。典型的海面地形见表9-1。表9-1： 典型的海面地形现象典型海面表现变化周期说明西边界流（墨西哥湾流，黑潮）130cm/100km(每一百千米宽的边界流有130cm的高度差)几天到几年位置变化，25%输运变化大尺度环流50cm/300km一年到几年25% 可能变化东边界流30cm/100km几天到几年100% 可能变化，可能方向颠 倒中尺度涡25cm/1
9、00km100天100% 变化涡旋100cm/100km几周到几年100% 成长和衰减变化赤道流30cm/5000km几个月到几年100% 变化潮汐100cm/5000km几小时到几年用H表示海表面高度（SSH：Sea Surface Height），指海面到参考椭球面的高度，我们得到 (9-5)式中r是已知的，R可从式(9-1)求得，因此可由上式计算得到H。海面地形异常（Topography Anomaly）H被定义为海表面与平均海表面的高度差，也称为海表面异常（SSA：Sea Surface Anomaly），它可由下式计算 (9-6)式中表示各物理量的字母之上加一横杠分别代表其若干年的平均值。图9-2显示了SSA的高度计观测图像。如式(9-6)所示，SSA由海表面高度减去平均海表面和潮汐的影响得到，这里平均海表面由4年平均得到，潮汐的影响由“UTCSR”模式3.0版本消除。图9.2观测的精确度（在波长大于800km，周期大于20天时）是3到4cm. 图9-2：海表面异常的高度计观测图像(引自http:/ftp.csr.utexas.edu/sst/sla.html) 9.2.2 高度计对表面流的观测 使用地转平衡和流体静力学平衡的假设，可以得到表面流的一个较好近似。在大洋中，设在直角坐标系(
