红外和微波辐射计反演海表面温度的比较_殷晓斌

第26卷第5期海洋通报Vol.26，No.52007年10月MARINESCIENCEBULLETINOct.2007收稿日期：2006-10-12；收修改稿日期：2006-12-05红外和微波辐射计反演海表面温度的比较殷晓斌1,2，刘玉光1，王振占2，程永存1,3，顾艳振1，文凡1(1.中国海洋大学物理海洋实验室，山东青岛266003；2.中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100080；3.解放军理工大学气象学院，江苏南京211101)摘要：介绍了红外辐射计和微波辐射计测量海表面温度的原理，分析了它们各自在反演海表面温度时的差异。在全球范围的海表面温度的遥感监测中，红外辐射计和微波辐射计的遥感精度受到多种因素影响。传感器本身的噪音、算法反演精度、传感器分辨率、搭载卫星的全球覆盖率等自身因素使辐射计的探测资料产生差别；大气状况、海面风速、测量海洋不同深度海水的表征温度等外界因子也同时影响着红外辐射计和微波辐射计的遥感精度。了解红外波段和微波波段的辐射计在各方面的优劣，有助于发挥各自特长，有效提高卫星监测海表面温度的精度。关键词：红外；微波；辐射计；海表面温度中图分类号：P731.11文献标识码：A文章编号：1001-6932(2007)05-0003-0008海洋表面，作为海洋和大气的交界面，是海洋研究和开发中的一个重要研究内容，海洋与大气的能量及其它交换过程都是通过这个界面进行的，海洋内部的变化也会部分地透过这一表面表现出来。在现代科学技术的飞速发展下，运用计算机三维数值模拟和卫星遥感数据同化技术，人们就可以通过获得的海洋表面遥感信息，了解海洋内部的海洋学特征和物理变化过程。在实际应用中，遥感所使用的电磁波段各波段互相对照，互为补充。遥感监测在海面的地面分辨率与波长成正比，所以接收波长较短的可见光与红外电磁波的传感器获得的遥感图像具有更好的地面分辨率[1,2]，而当云的覆盖阻挡了可见光波段电磁波的透过时能够穿透云层的微波遥感又可弥补红外传感器的数据资料不足[3-5]。由于卫星遥感能够获取长时间、大范围、近实时和近同步的监测资料，在海洋监测和研究中正在发挥越来越大的作用。1海表面温度的测量原理1.1红外辐射计测量海表面温度的原理与红外波段有关的辐射计种类很多，一般可分作两类：可见光和近红外辐射计和热红外辐射计。可见光和近红外辐射计的应用最广，它又可分为宽带辐射计和窄带辐射计两种。例如，我国“风云一号”气象卫星装载的多通道功能可见光和红外扫描辐射计MVISR和美国NOAA气象卫星装载的改进型甚高分辨率辐射计AVHRR都属于宽带辐射计。可见光和红外波段的窄带辐射计一般装载在水色卫星上，例如，我国“海洋一号”水色卫星装载了中国水色和温度传感器COCTS，美国宇航局卫星SeaStar装载了宽视场海洋观测传感器SeaWiFS，美国宇航局卫星EOS-AM(Terra)和EOS-PM(Aqua)装载了中等分辨率成像光谱仪MODIS。根据基尔霍夫定律，海面发射的辐亮度可表达为θϕθϕθϕ=BLACKL(f,,,T)e(f,,)L(f,,,T)(1)式中：e(λ,θ,φ)代表海面发射率。L(λ,θ,φ,T)代表温度为T的海面自发辐射的辐亮度，它是电磁波频率f、海表面温度T、立体角因子θ和φ的函数。LBLACK(λ,θ,φ,T)代表与海面具有相同温度T的黑体自发辐射的辐亮度。海面发射率在热红外波段是接近于1的一个常数，一般由经验确定。如果已知热红外4海洋通报26卷辐射计探测获得的L(λ,θ,φ,T)和海面发射率e(λ,θ,φ)，那么可以根据公式(1)计算对应黑体自发辐射的辐亮度LBLACK(λ,θ,φ,T)。依据普朗克黑体辐射定律，可以由辐亮度LBLACK(λ,θ,φ,T)计算海表面温度。实际上，海表面温度的反演通常使用经验方法，特别是多通道统计算法。这样，不但可以回避海水的红外波段发射率的未知问题，又可以同时解决大气校正问题。1.2微波辐射计测量海表面温度的原理微波的波长为0.1~100cm，微波又可细分为毫米波、厘米波和分米波等。微波的特点是能穿透云雾，具有全天候工作特点。微波遥感分为主动微波遥感和被动微波遥感。在不考虑大气中各种粒子的贡献时，微波辐射计探测到的海面亮温Tb(f)与海表面温度TS有简单关系。将瑞利-金斯定律代入公式(1)，获得θϕθϕ=SSTSSTT(f,,,T)e(f,,)T(2)式中：T(f,θ,φ,TSST)代表微波辐射计探测到的海面亮温；TSST是海表面一个薄层海水的温度，它代表海表面的热力学温度，当然它与常规水桶采水法在一定深度取水测得的海表面温度略有差别。如果传感器位于海表面之上某一个足够高度的平台例如飞机或卫星上，还要考虑大气校正，即在公式(2)中还要补充大气层空气自发辐射项和大气透射率因子等。根据基尔霍夫定律，平静海面的发射率e与菲涅尔反射率ρ之间的关系是,,(,,)1(,,)HVHVeffθϕρθϕ=−(3)式中：下标H和V分别表示电磁波的水平极化状态和垂直极化状态；f为微波频率；θ为观测的天顶角，它代表卫星的观测方向与海面法线之间的夹角，简称为观测角或入射角；φ为方位角，它代表辐射计观测方向与风向的夹角。平静海面的菲涅尔反射率ρ的表达式是()()2222sincossincosθεθθεθθθρ−+−−==rrhhHR(4)()()2222sincossincosθεθεθεθεθθρ−+−−==rrrrvvVR(5)式中：Rhh(θ)和Rvv(θ)分别代表水平和垂直极化状态下的菲涅尔反射系数，它的绝对值平方等于菲涅尔反射率ρ。εr为海水的复相对电容率。海水的复相对电容率εr可由德拜方程(DebyeEquation)计算，即01),,(ωεσωτεεεωεiiSTSSSr+−−+=∞∞(6)式中：εr为复相对电容率；ω=2πf为电磁波的角频率；TS为海表面温度；SS为θ海表面盐度；ε∞为无限高频相对电容率；εS为静态相对电容率；τ为张弛时间；σ为离子电导率；ε0为真空中的电容率。利用海水复相对电容率在微波各波段的某些特殊性质，可以使用特定的波段测量海表面盐度、海表面温度、海面风速等。在小于10GHz的微波频率范围，Klein和Swift(1977)[6]采用各种浓度的NaCl水溶液代替海水作为样本，并通过对水溶液样本的实验测量获得了对德拜方程中各参数的估计公式。在3~20GHz频率范围，Ellison等(1998)[7]通过对温度为-2℃~30℃、盐度为20~40的大洋海水样本的实验测量提出了类似的估计公式。根据德拜方程(6)和参数估计公式可以获得海水的相对电容率。在6~7GHz之间的频率范围，菲涅尔反射率ρ随盐度变化很小，随温度变化也很小。这样，可以近似地认为海面发射率e在6~7GHz不是海表面温度和盐度的函数，而是一个常数。这时，利用微波辐射计接收到的海面亮温bS()TetTλ=⋅⋅，如果知道大气透射率t，就可以计算海表面温度TS。实际反演应用时需要考虑海面5期殷晓斌等：红外和微波辐射计反演海表面温度的比较5粗糙度效应，将前述平静海面发射率表达式略作修正[8]。2红外和微波辐射计反演海表面温度的比较在全球的海表面温度遥感监测中，红外辐射计和微波辐射计的探测是主要的数据来源。由于红外传感器和微波传感器其本身的工作原理不同，在很多外界条件的影响下表现各有优劣。传感器本身的噪音、算法反演精度、传感器分辨率、搭载卫星的轨道周期，以及海风、大气状况等各种因素均会对其监测结果产生直接或间接的影响。2.1地面分辨率和反演精度的比较为了不同的应用目的，选择的传感器类型和地面分辨率等各种参数也完全不同。一般来说，分辨率的高低是遥感资料应用的主要指标，提高分辨率也是传感器探测元器件的一个发展方向。随着世界经济和社会的发展，人们对地球资源和环境的认识不断深化，为此对遥感分辨率的要求也不断提高，这种分辨率首先体现在时间分辨率和地面分辨率方面，也同时促进光谱分辨率的发展。根据电磁波的波动理论，辐射计的角分辨率由λ/D唯一确定；它们的地面分辨率由λ、D和H(D是相机或天线的孔径，λ是电磁波波长，H是卫星距离地面的高度)三个参数确定。电磁波的波长越短，分辨率越高；孔径越大，分辨率越高。因为红外波长比微波要小得多，它们的比值是10-5的量级，所以红外辐射计的地面分辨率一般要远远高于微波辐射计。美国泰罗斯-N卫星上的甚高分辨率辐射计AVHRR可以精确地绘制出海面分辨率为1km、温度精度优于0.5℃的海面温度图像。而由热红外波段辐射计——中等分辨率成像光谱仪MODIS观测得到的全球海表面温度，通过与船测和浮标测量数据的比较，研究小组发现MODIS探测的海表面温度的准确度达到了0.25℃。微波辐射计的分辨率比较差。例如，目前最先进的微波辐射计AMSR-E的地面分辨率为25km，温度反演精度优于1℃。2.2受大气影响的比较使用卫星观测海表面时，大气对海面红外信号既有衰减又有增益作用，因此大气校正是红外遥感中的不可缺少的环节。在红外波段，大气对海面辐射的影响主要是通过吸收和自发辐射的相互作用进行的。图1中表示了在大气层中的各种气体(水蒸汽,CO2,O2,O3,N2O,CH4)在不同波长的吸收率。该图表明，波段3.7~4.1μm和10~12μm是两个可用于星载辐射计探测海面物理要素的红外窗口。一般用于表面温度探测的星载辐射计通道都设计在这两个窗口内[9]。大气层的温度比海面温度要低，大气中各成分吸收了海面辐射后变成大气的内能，以较低的温度向外辐射，从而使光谱的峰值移向较长的波长。所以大气吸收图1大气层中的不同大气成分在不同波长的吸收率[10](以百分比表示)Fig.1Absorptanceofmaincomponentsofatmosphereatdifferentwavelength波长/µm吸收率/%6海洋通报26卷效应减小了到达红外波段传感器的海面辐射，大气自发辐射又添加了到达红外波段传感器的海面辐射。在红外波段，水蒸汽、二氧化碳和臭氧是吸收电磁波的主要气体，而这些气体的散射作用引起的衰减一般是可以忽略的。气溶胶在近红外波段对电磁波有较小的散射衰减作用，在中红外和热红外波段以及微波波段对电磁波的散射衰减作用一般可以忽略。大气对不同波长的红外遥感有不同的影响。根据大气对不同波段的红外电磁波谱的不同影响效应，可使用不同波段测量的线性组合来消除大气的影响，从而得到海表面温度(SST)。因此，使用多通道遥感技术对消除大气影响是非常有效的。例如，在NOAA气象卫星的AVHRR和EOS-AM(Terra)和EOS-PM(Aqua)装载的中等分辨率成像光谱仪MODIS测量数据反演海表面温度(SST)中，人们经常使用多通道经验算法。微波能够穿透较薄的云层，故被称为全天候卫星探测器。微波的波长比可见光和红外的波长大几个量级，而大气层空气分子和气溶胶的粒径远小于微波的波长，因此，大气中各种粒子的散射对于微波辐射计探测的影响不那么重要。但是，氧气、云中液态水、水汽等物质对21~24GHz附近波段的微波的吸收是不可忽视的[11]。如图2所示，在微波波段，水汽、氧气和云中液态水是最主要的吸收物质。而大气吸收对频率小于12GHz的微波传感器的影响较小，大气校正(包括大气路径校正)相对简单。例如，假设是水汽含量为60mm并且云中液态水含量是0.2mm的多云天气，大气引起的微波信号(频率小于12GHz)的总衰减也小于0.05%[8]。因此，大气的影响及大气路径校正引起的误差不是微波传感器反演海表面温度和盐度的主要误差源。图3(a)和(b)显示了2003年10月20日左右台湾东部海域的海表面温度分布，两图均为周平均资料的结果。图3(a)表明台风引起的云层明显地影响了红外传感器的观测，在台风过境处红外传感器出现了观测盲区，云层的影响是显著的，参见箭头所示区域。而在图3(b)中微波辐射计观测到了台风过境时温度的下降，说明大气中云层对于微波辐射计探测的影响相对小得多，参见箭头所示区域。对于研究多云情况下的海表面温度，微波辐射计具有相当的优势。图2大气中所含粒