2025年大學《地球物理學》專業(yè)題庫——地球微波輻射波譜特征與環(huán)境變化研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.根據(jù)普朗克定律，絕對黑體在單位時間內(nèi)、單位面積上發(fā)射的、波長為λ的輻射能正比于______和______的函數(shù)。2.微波在大氣中傳播時，主要受到水汽、氧氣、干空氣以及云、霧、氣溶膠等的______和______影響。3.地物的微波輻射特性主要由其介電常數(shù)、體積含水量和表面粗糙度等物理參數(shù)決定。4.微波輻射計通過測量目標的______來反演其物理參數(shù)，被動微波輻射計主要測量目標的______，而主動微波輻射計（如雷達）則通過測量發(fā)射信號與目標回波信號的______來獲取信息。5.土壤濕度與微波后向散射系數(shù)之間通常存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，受土壤質(zhì)地、含水量、粗糙度等多種因素影響。二、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述微波輻射與可見光輻射在傳播特性上的主要區(qū)別。2.解釋什么是微波輻射計的分辨率，并說明影響其空間分辨率和時間分辨率的主要因素。3.闡述利用微波遙感技術(shù)監(jiān)測海冰變化的原理和方法。4.簡述土壤濕度反演的主要挑戰(zhàn)及其原因。三、計算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)某地物的微波輻射亮度溫度為280K，大氣透過率為0.9，系統(tǒng)噪聲溫度為300K。請計算該地物的等效噪聲溫度（NET）。2.某合成孔徑雷達（SAR）系統(tǒng)的工作頻率為5GHz，波長λ=0.06厘米，采用相干處理，積累時間（PRI）為1000毫秒。假設(shè)地面目標為平滑表面，求該雷達系統(tǒng)的距離分辨率和方位分辨率（假設(shè)平臺速度為250米/秒）。四、論述題（每題15分，共30分）1.論述微波輻射在大氣水汽探測中的應(yīng)用原理、優(yōu)勢以及主要面臨的挑戰(zhàn)。2.選擇一種具體的地球表面覆蓋類型（如森林、海洋、城市），分析其微波輻射特征（亮溫或后向散射）隨季節(jié)或氣候變化的主要規(guī)律及其物理原因。試卷答案一、填空題（每空2分，共20分）1.波長的平方，絕對溫度的四次方2.吸收，散射3.介電常數(shù)，體積含水量，表面粗糙度4.微波輻射亮度（或發(fā)射率），亮溫，后向散射系數(shù)（或回波強度）5.土壤質(zhì)地，含水量，粗糙度二、簡答題（每題5分，共20分）1.解析思路：從輻射源、穿透能力、對地物反射特性等方面對比。答：微波輻射波長較長，頻率較低，能夠穿透可見光無法穿透的大氣窗口（如水汽和云層窗口），對地物的反射依賴于地物的介電常數(shù)、含水量、粗糙度等物理參數(shù)，而可見光主要依賴于地物的顏色、紋理等光學特性。微波輻射具有較強的穿透能力，可以獲取被云層覆蓋或隱藏在云層下的地表信息。2.解析思路：首先定義分辨率，然后分別解釋空間分辨率和時間分辨率及其影響因素。答：微波輻射計的分辨率是指能夠區(qū)分的兩個相鄰地物目標的最小距離或最小時間間隔?？臻g分辨率通常指輻射計能夠分辨的水平距離上的最小單元大小，主要受天線孔徑大小和工作波長的影響，孔徑越大、波長越短，空間分辨率越高。時間分辨率是指輻射計對同一地點進行連續(xù)觀測的最小時間間隔，主要受衛(wèi)星或平臺的運行軌道、重復(fù)訪問周期以及輻射計自身的觀測時間（積分時間）影響，觀測時間越長、重復(fù)周期越短，時間分辨率越高。3.解析思路：從海冰的微波特性（高反射、低介電常數(shù)）以及雷達或輻射計的觀測原理入手。答：利用微波遙感技術(shù)監(jiān)測海冰變化主要是基于海冰與海水的顯著微波差異。海冰通常具有高發(fā)射率、高反射率（尤其是對特定極化方式）和相對較低的介電常數(shù)。合成孔徑雷達（SAR）可以利用海冰與海水的回波強度差異來繪制海冰圖，例如在HH極化模式下，海冰通常比海水更亮。微波輻射計可以通過測量海冰表面的亮溫或海冰/海水的溫度差異來監(jiān)測海冰覆蓋范圍和變化。通過分析多時相的微波遙感數(shù)據(jù)，可以追蹤海冰的漂移、融化、凍結(jié)等動態(tài)過程。4.解析思路：分析土壤濕度反演涉及的復(fù)雜性，從物理參數(shù)的不確定性、模型假設(shè)、數(shù)據(jù)噪聲等方面說明。答：土壤濕度反演的主要挑戰(zhàn)在于土壤濕度的反演過程通常具有高度的非線性，土壤的介電常數(shù)對含水量的變化非常敏感，但這種敏感性還受到土壤質(zhì)地（砂、粉砂、粘土比例）、容重、溫度、鹽分等多種因素的綜合影響。這意味著單一的模型或算法難以適用于所有類型的土壤。此外，微波遙感觀測到的信號是地表（包括表層土壤、植被、枯枝落葉層等）的綜合響應(yīng)，而非純土壤信號，地表粗糙度、植被覆蓋等也會干擾反演結(jié)果。地面實測數(shù)據(jù)與遙感反演結(jié)果之間往往存在較大的誤差，這給模型的驗證和精度提升帶來了挑戰(zhàn)。三、計算題（每題10分，共20分）1.解析思路：應(yīng)用等效噪聲溫度的定義公式NET=T_sys+(T_target/η)，其中η為大氣透過率，T_target為地物本身的噪聲溫度（即亮溫T_B）。解：NET=T_sys+(T_B/η)=300K+(280K/0.9)≈300K+311.1K≈611.1K2.解析思路：距離分辨率R_distance=c*PRI/2，方位分辨率R_azimuth=λ/(2*sin(θ))。對于平滑表面，θ接近0度，sin(θ)≈1，所以R_azimuth≈λ/2。已知λ=0.06cm，PRI=1000ms，平臺速度V=250m/s，計算方位向移動距離V*PRI。解：距離分辨率R_distance=c*PRI/2=(3×10^8m/s)*(1000×10^-3s)/2=1.5×10^8m=150km方位分辨率R_azimuth≈λ/2=0.06cm/2=0.03cm（注：方位分辨率通常受平臺速度和PRI共同影響，R_azimuth≈V*PRI。若按此計算，R_azimuth=250m/s*1000ms=250m。但題目要求的是雷達系統(tǒng)分辨率，通常更關(guān)注R_distance和R_azimuth≈λ/2。此處按R_azimuth≈λ/2計算，結(jié)果為0.03cm。若題目背景暗示平臺速度已知可用于計算方位分辨率，則按V*PRI=250m計算。請根據(jù)實際教學要求確認計算方式。）四、論述題（每題15分，共30分）1.解析思路：首先闡述大氣水汽對微波信號的吸收和散射效應(yīng)，說明哪些頻段是大氣窗口，然后論述微波如何探測水汽（通過發(fā)射或散射），分析其優(yōu)勢（全天候、全天時），最后指出主要挑戰(zhàn)（吸收損耗大、路徑訂正復(fù)雜）。答：大氣中的水汽分子（H?O）會與微波信號發(fā)生強烈的吸收和散射作用。大氣微波窗口是指大氣對微波輻射吸收較小、允許輻射穿透的波段，主要包括厘米波、分米波和毫米波段的幾個窗口，如22GHz、183GHz、335GHz、840GHz等。利用微波遙感探測大氣水汽主要依賴于水汽在這些窗口的輻射特性。被動微波輻射計通過測量水汽自身發(fā)射的微波輻射亮溫來反演大氣水汽含量，不同頻段對不同的水汽高度層敏感。主動微波遙感（如差分相干雷達DWR）利用微波信號在水汽中的散射特性，通過測量回波信號的變化來探測水汽分布。微波遙感探測大氣水汽的優(yōu)勢在于其不受云層遮擋，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、全天時的連續(xù)監(jiān)測，獲取從低層大氣到平流層的水汽信息。主要挑戰(zhàn)在于水汽對微波信號的強烈吸收會導致信號衰減，尤其是在毫米波窗口，使得遠距離探測能力受限，需要精確的大氣訂正模型來消除路徑吸收的影響，同時水汽含量在時間和空間上的變化非常劇烈，也給反演精度帶來了挑戰(zhàn)。2.解析思路：選擇一種地物（如森林），首先描述其微波輻射/散射的基本特征（如依賴植被含水、高度、密度、枝葉結(jié)構(gòu)等），然后分析這些特征如何隨季節(jié)（如葉量、枯枝落葉層變化）和氣候（如降水、溫度）變化，并解釋背后的物理機制（如介電常數(shù)變化、粗糙度變化、含水量變化等）。答：以森林為例，其微波輻射特征主要受植被冠層含水量、樹干和根系含水量、冠層高度、密度、枝葉結(jié)構(gòu)以及地表粗糙度（包括地被物和地表起伏）等因素影響。森林通常具有較高的介電常數(shù)，尤其是在生長季節(jié)，冠層含水量較高時，會發(fā)射較強的微波輻射（較高亮溫）。森林冠層的后向散射系數(shù)（σ?）通常較高，且對極化方式敏感。季節(jié)性變化方面，在生長季節(jié)，葉面積指數(shù)增大，冠層含水量高，通常會導致微波亮溫升高，后向散射系數(shù)也因冠層變得更茂密而可能增加。在枯萎季節(jié)或冬季，葉片凋落，枯枝落葉層增厚，冠層含水量下降，地表可能裸露，導致微波亮溫降低，后向散射系數(shù)的變化則更為復(fù)雜，可能因地表粗糙度變化或冠層結(jié)構(gòu)變化而增大或減小。氣候變化方面，降水量的變化直接影響森林冠層和土壤的含水量，豐水年通常對應(yīng)