1、第六章熱紅外遙感第一節(jié)熱紅外遙感概論第二節(jié)海面溫度遙感第三節(jié)陸面溫度遙感第四節(jié)熱紅外多角度遙感信息模型地球表面面積70.8%為海水（熱容量很大），海洋是一個(gè)巨大的能量庫(kù);當(dāng)厄爾尼落現(xiàn)象在東南太平洋洋面上發(fā)生時(shí)，只要水溫增高34，則其所蘊(yùn)含的熱能約相當(dāng)于美國(guó)1995年全年的發(fā)電量。通過(guò)海氣相互作用，洋面的溫度變化將對(duì)天氣及全球氣候變遷起到?jīng)Q定性的作用。海面溫度的遙感有重要的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義，一直是遙感界的重要研究課題。 6.2.1 熱紅外輻射在大氣中的傳輸 6.2.2 海面溫度遙感的分裂窗口算法6.2.3 海面溫度遙感的其他方法第二節(jié)海面溫度遙感1. 大氣熱紅外輻射的性質(zhì) 大氣的長(zhǎng)波輻射性質(zhì)很

2、復(fù)雜，不僅與吸收物質(zhì)(水汽，CO2與O2)分布有關(guān)，而且與大氣溫度、壓力有關(guān)。水汽（H2O）在6.3微米有一個(gè)較強(qiáng)的吸收帶；二氧化碳(CO2)分別在4.3微米和15微米有較強(qiáng)的吸收帶； O3 在9.6微米處一個(gè)窄的吸收帶。能稱之為紅外窗區(qū)的只有3.54.0，89.5和10.512.5微米三個(gè)波段。 水汽紅外區(qū)吸收帶很強(qiáng)，又占有較寬的波段，是最主要的吸收物質(zhì)，即使在大氣窗區(qū)也仍然有不可忽略的弱吸收作用，如果對(duì)海面溫度的測(cè)量精度要求在0.5以內(nèi)，則修正大氣效應(yīng)便成為SST的主要問(wèn)題。大氣在14微米以上，可以看成是近于黑體。地面14微米以上的遠(yuǎn)紅外輻射，不能透過(guò)大氣層。6.2.1 熱紅外輻射在大氣中

3、的傳輸除非有云或塵埃等大顆粒質(zhì)點(diǎn)較多時(shí)，大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的散射削弱極小，可以忽略不計(jì)。即使有云時(shí)，云中對(duì)長(zhǎng)波的吸收作用很大，較薄的云層已可視為黑體。大氣不僅是削弱熱紅外輻射的介質(zhì)，而且它本身也發(fā)射熱紅外輻射，有時(shí)甚至發(fā)射的輻射會(huì)超出吸收的部分?？傊瑹峒t外輻射在大氣中的傳輸，是一種漫射輻射在無(wú)散射、但有吸收又有發(fā)射的介質(zhì)中的傳輸。6.2.1 熱紅外輻射在大氣中的傳輸2. 熱紅外輻射的大氣傳輸方程（1）地球與大氣都是發(fā)射紅外輻射的輻射源；（2）大氣任一平面射出的都是具有各個(gè)方向的漫射輻射；（3）只考慮吸收作用，忽略散射；（4）必須把大氣的發(fā)射和吸收同時(shí)考慮；（5）假定大氣是水平均一的。 通過(guò)大氣中

4、某一水平面的長(zhǎng)波輻射通量密度 應(yīng)當(dāng)由該面上的輻射亮度 對(duì)半球空間積分求得，即： 一般說(shuō)，大氣中 是 的函數(shù)，但是與 無(wú)關(guān)，所以有 若只考慮經(jīng)過(guò)氣層的吸收削弱時(shí)， 方向輻射亮度 的變化為： 上式中 為氣層中吸收物質(zhì)的訂正光學(xué)質(zhì)量， 不隨z而變。 在大氣中任一高度處，向上和向下的輻射為L(zhǎng),L,輻射通量密度為F ， F。高度坐標(biāo)定義地面為0，向上增加；對(duì)應(yīng)的訂正光學(xué)質(zhì)量為u，減少，增加。自至大氣上界的光學(xué)質(zhì)量為 ，的符號(hào)表示產(chǎn)生向下輻射的光學(xué)質(zhì)量， 表示整層向上輻射的光學(xué)質(zhì)量。先考慮高度以上氣層向下的輻射。對(duì)于光學(xué)質(zhì)量為du的氣層元，自 方向，射入此氣層的輻射 要經(jīng)過(guò) 光學(xué)質(zhì)量的吸收。此微分層對(duì)于

5、的吸收率為 ：按照基爾霍夫定律， 也就是氣層元在 方向上的放射率。氣層在 方向發(fā)射的輻射亮度為 : 式中 ，是絕對(duì)黑體輻射亮度，可由溫度、波長(zhǎng)按普朗克定律定出。向下輻射 經(jīng)過(guò)du氣層，在 方向的變化為 因?yàn)楫?dāng)du0，向下輻射的吸收削弱減少，是使 增加；但du0時(shí)，就是減少了一個(gè)向下輻射的氣層，是使 減少。因此公式中，右端吸收項(xiàng)取正號(hào)，放射項(xiàng)取負(fù)號(hào)。上式是同時(shí)考慮氣層的吸收削弱和放射增強(qiáng)的長(zhǎng)波輻射亮度傳輸方程。同樣，對(duì)于向上輻射也有 或者寫為 這種形式的傳輸方程又稱為Schwarzchild方程。 這個(gè)傳輸方程是一個(gè)一階線性微分方程。給出邊條件就可得解。下面分別對(duì)于L及L給出邊界條件。(1) 在

6、大氣上界 處，由于宇宙空間沒有長(zhǎng)波輻射投入，故有： 時(shí)， ， 。 (2) 在地面上， 地表熱紅外輻射可以根據(jù)地表發(fā)射率和地表溫度根據(jù)普朗克定律計(jì)算得到。如果把地表近似為黑體，溫度為 ，則有： 時(shí)， 。 將上述邊條件代入傳輸方程的解中，就可得出在高度上的 及 ：對(duì)于大多數(shù)陸地地表而言，地表比輻射率小于1，不能簡(jiǎn)單作為黑體處理，我們必須考慮地表反射的大氣下行輻射項(xiàng)的影響，輻射傳輸方程更加復(fù)雜。3. 遙感傳感器寬通道的熱紅外輻射傳輸方程 Chandrasekhar (1960)把傳感器接收的熱紅外輻射表達(dá)為三項(xiàng)之和?？紤]到傳感器的波長(zhǎng)響應(yīng)函數(shù)，傳感器接收到的信號(hào)可以用以下的表達(dá)式來(lái)表達(dá)。 表示大氣的

7、下行輻射， 表示傳感器接收的總輻射； 表示溫度為T時(shí)的黑體輻射； 表示地表比輻射率， 表示整層大氣的總透過(guò)率， 表示地表的多向反射率分布函數(shù)； 表示傳感器第通道的波長(zhǎng)響應(yīng)函數(shù)。 分別表示傳感器的天頂角和方位角， 分別表示大氣下行輻射的天頂角和方位角。方程中右邊第一項(xiàng)表示地表熱紅外輻射經(jīng)大氣吸收衰減后到達(dá)傳感器的輻射，第二項(xiàng)表示大氣上行輻射項(xiàng)；第三項(xiàng)表示大氣下行輻射項(xiàng)經(jīng)地表反射后通過(guò)大氣傳輸?shù)絺鞲衅鞯妮椛洹Ｔ诘乇砝什w假設(shè)的條件下，若分別用 和 表示大氣上行輻射和大氣下行輻射，則方程可以寫為以下的形式：其中6.2.2 海面溫度遙感的分裂窗口算法自從NOAA衛(wèi)星攜帶AVHRR傳感器以來(lái)，多通道遙感

8、反演技術(shù)迅速發(fā)展，現(xiàn)已成功應(yīng)用于美國(guó)NESDIS業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)中，可以連續(xù)提供較高精度，較高分辨率的海面溫度場(chǎng)。多通道遙感反演方法又稱為“分裂窗口”方法。1975年McMillin最早提出這種方法，其根本依據(jù)是大氣在AVHRR第四、第五通道兩個(gè)相鄰的波譜窗口具有不同的吸收特性。假設(shè)：a)海水近似為黑體，比輻射率等于1；b)大氣窗口的水汽吸收很弱，大氣的水汽吸收系數(shù)可以看作常數(shù)；c)大氣溫度與海面溫度相差不大，黑體輻射公式可以采用線形近似。海面溫度可以表示為兩個(gè)通道亮度溫度的線形組合： 不同的作者(Prabhakara et al. 1974; Deschamps and Phulpin 1980

9、; Sidran 1980; Becker 1982;Maul 1983; Price 1984; Singh 1984; McClain et al. 1984; Maclain et al. 1985; Ho et al. 1986;Malkevich and Gorodetsky 1988)采用不同的處理方法所得到的系數(shù)略不同。 在海面為黑體的近似條件下，星載傳感器所測(cè)得的輻射亮度值為:此處 為SST， 為整層大氣透過(guò)率等式右邊第一項(xiàng)代表海面熱輻射從大氣削弱后到達(dá)傳感器的，第二項(xiàng)為大氣上行輻射的總貢獻(xiàn)，由于假定海面為黑體，所以大氣下行輻射的貢獻(xiàn)率為零. 1.分裂窗口算法的推導(dǎo)層厚為 的空

10、氣層的熱輻射亮度為 ，其中 為 層氣體的透過(guò)率，對(duì)于熱紅外波段大氣散射可以忽略，故該層熱輻射經(jīng)上層大氣削弱后，最后被傳感器所接受的能量應(yīng)為：所以整層大氣上行熱輻射的總貢獻(xiàn)應(yīng)為如設(shè) 如果用亮度溫度表達(dá) ，則 ，此處 稱為亮度溫度。在此我們引入兩個(gè)近似條件：由于大氣窗口水汽的吸收比較弱，所以取如下線性近似：此處 為水汽的吸收系數(shù)，假定它只是波段的函數(shù)，不隨高度而變，事實(shí)上 還是氣壓 和溫度（ ）的弱函數(shù)。把黑體輻射作近似計(jì)算：此式的含義為Z高度處的黑體輻射亮度，可以用T0處的黑體輻射亮度的泰勒一級(jí)近似代替，事實(shí)上 差值越大，誤差就越大。 將遙感器所測(cè)得的輻射亮度轉(zhuǎn)換成亮度溫度：表明積分值只與大氣狀

11、況有關(guān)，與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。如果把上述運(yùn)算過(guò)程推廣到三個(gè)通道，則可表達(dá)為2.分裂窗口算法的誤差分析（1）SST的比輻射率效應(yīng)比輻射率測(cè)量結(jié)果表明，水體的垂直視角條件下的比輻射率，接近黑體，高達(dá)0.98，但海水的比輻射率還可能隨泥沙停含量、海浪狀況等而有所變化，特別對(duì)高視角天頂角條件下，對(duì)平靜海面的比輻射率可以降到0.95。如果考慮到實(shí)際海面的比輻射率并不等于“1”，那么將會(huì)帶來(lái)多大誤差？誤差大小與哪些因子有關(guān)？如簡(jiǎn)化問(wèn)題假定海面為平靜水面，由于海面的比輻射小于“1”，那就意味著需要考慮大氣下行輻射從海面反射，再經(jīng)大氣削弱，最終被傳感器所接受的那部分能量， 層大氣自身熱輻射到達(dá)海平面的輻射能量應(yīng)為 ，由

12、于 ， 所以它應(yīng)等于則整層大氣的下行輻射應(yīng)為如設(shè)海面的反射率為 ，根據(jù)基爾霍夫定律，則經(jīng)海面反射而達(dá)到傳感器的輻射能量應(yīng)為傳感器接收的總輻射能量應(yīng)表達(dá)為等式右邊第一項(xiàng)為海面自身發(fā)射的熱輻射，從大氣到削弱后被傳感器所接受的，第二項(xiàng)為大氣上行輻射的貢獻(xiàn)，第三項(xiàng)為大氣下行輻射的貢獻(xiàn)，進(jìn)行形式變換:其中 如令 ,則當(dāng)T處在270-310K范圍內(nèi)普朗克黑體輻射公式可采用如下一步近似,變換得到為如下形式: 由于 則 此處 為 的等效平均溫度。 如取對(duì)10.511.5微米通道，計(jì)算表明對(duì)應(yīng)低水汽含量，最大誤差可達(dá)0.5K，隨水汽含量的增加而逐漸降到約0.2K。如對(duì)AVHRR第四與第五通道同步應(yīng)用，采用如下公

13、式其中 。計(jì)算表明最大誤差.0.2K，隨水汽含量增加而增加。如果采用如下經(jīng)驗(yàn)公式其中 與 為通道4與通道5的整層大氣透過(guò)率，則 基本上取恒定值0.2K，不隨大氣水汽含量而變，不過(guò)請(qǐng)注意以上計(jì)算均在 的前提下進(jìn)行的。(2).大氣透過(guò)率及水汽吸收對(duì)SST的非線性效應(yīng)“分裂窗”方法達(dá)到了實(shí)現(xiàn)為大氣糾正而無(wú)需知道實(shí)際大氣參數(shù)的目的，而且該方法具有簡(jiǎn)單易算的優(yōu)點(diǎn)，然而這一優(yōu)點(diǎn)的獲得是基于對(duì)水汽吸收的線性近似以及對(duì)黑體輻射線性近似的基礎(chǔ)之上的，事實(shí)上大氣透過(guò)率及水汽吸收的非線性將給SST的線性近似計(jì)算帶來(lái)誤差。特別是火山爆發(fā)所造成的平流層氣溶膠濃度的增加，它對(duì)長(zhǎng)波輻射具有吸收削弱作用，另外，除水汽連續(xù)吸收

14、之外，還存在弱吸收，雖然這些氣體在大氣中的相對(duì)比例比較穩(wěn)定，但它的作用仍不可忽視，如果把考慮 等氣體的SST的分裂窗方法表達(dá)為： 則通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，可得到A和B與垂直大氣水汽總含量之間的關(guān)系。 計(jì)算表明：0W1時(shí)，對(duì)A而言，其他氣體的吸收扮演著重要角色，而B基本上不受影響；A與W基本上呈線性關(guān)系，如果把其他吸收氣體包含進(jìn)去，則線性關(guān)系遭到破壞；1W3時(shí)，其他吸收氣體對(duì)A、B將產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差；當(dāng)W3時(shí)，W為A與B的主要控制因子，可以忽略其他氣體的吸收作用。如以NOAAAVHRR的第4與第5通道為例，如令R為4.5兩通道透過(guò)率之比 ，則SST的計(jì)算公式可表達(dá)為：如果W由0增至 由0.5K增至

15、3K，則相應(yīng)的 值由0.27K增至0.38K，由此可見采用R值代替線性近似至少將使 由0.5K減至0.32K，要獲得R值，我們唯有依靠TOVS或SSM/I同步的大氣探測(cè)數(shù)據(jù)及大氣輻射傳輸程序如lowtran, modtran等。 （3）海面溫度的“皮膚”效應(yīng)由于水體對(duì)熱紅外輻射具有強(qiáng)烈的吸收作用，所以海面的熱輻射僅僅來(lái)自離水面幾微米的淺層水體，因此利用熱輻射測(cè)得的海面溫度是水面幾微米薄層內(nèi)的平均溫度。傳統(tǒng)的船側(cè)或漂浮站所測(cè)的海面溫度實(shí)際上是指海面到10厘米或者到1米深厚層水的平均溫度，從全球能量平衡角度看，傳統(tǒng)方法所測(cè)得的海溫更能代表水體的熱狀況，而皮膚效應(yīng)所控制的水體質(zhì)量與總體質(zhì)量相比是微不

16、足道的，“皮膚”溫度是一個(gè)受多種因素控制的變量，往往變化很大。太陽(yáng)短波輻射是海面溫的主要能源，海水對(duì)太陽(yáng)短波輻射具有較高的透明度，所以吸收太陽(yáng)短波輻射增加水溫的現(xiàn)象發(fā)生在水體的較深層處。 一般說(shuō)白天“皮膚”效應(yīng)總是使用海面真實(shí)溫度低于傳統(tǒng)的海面溫度，其偏低的數(shù)值決定于海表面的熱量平衡過(guò)程，參與海面熱平衡的物理過(guò)程有四種，如果把海面向外釋放能量記作為正，則海面接收能量記作為負(fù)。第一種過(guò)程海表面以熱輻射形成向大氣放能量記作 ，它決定于真實(shí)海面溫度；第二種大氣下行熱輻射為 ，主要決定于大氣含水量及溫度；第三種為大氣湍流運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的海面顯熱能量，用 表示之，這與海面風(fēng)速大小有關(guān)，第四種與水面蒸發(fā)過(guò)程有關(guān)

17、，由于水面蒸發(fā)將向大氣輸入蒸發(fā)潛熱，用 表示之，則熱平衡值 可表達(dá)為當(dāng)海面丟失能量導(dǎo)致表面溫度的下降，這部分丟失的能量靠水體內(nèi)部的能量傳遞來(lái)補(bǔ)充，此時(shí)真實(shí)海面溫度低于深層水溫度。如果 出現(xiàn)負(fù)值，此時(shí)海面從大氣下行輻射中獲得的能量大于其他三項(xiàng)支出，則將導(dǎo)致海面真實(shí)溫度高于深層水溫度，這種情況出現(xiàn)的機(jī)會(huì)較少，但確實(shí)存在。6.2.3 海面溫度遙感的其他反演算法（1）單通道直接反演法 根據(jù)大氣的輻射傳輸方程，如果我們能得到大氣的溫度和濕度垂直廓線，利用一定的大氣模式計(jì)算大氣輻射和大氣透過(guò)率，代入方程(3-6)，就可以從遙感傳感器所測(cè)得的輻射亮度值計(jì)算得到海面溫度。直接反演海溫要求得到精確的大氣廓線數(shù)據(jù)

18、，大氣廓線數(shù)據(jù)可以通過(guò)星載大氣垂直探測(cè)器、地面探空或氣象數(shù)據(jù)得到(Scott and Chedin 1981; Kneizys et al. 1983; Price 1983; Susskind et al. 1984; Chedin et al. 1985; Paccagnella et al. 1985 ; Djavadi and Anderson 1987)。精確實(shí)測(cè)大氣垂直廓線一般比較困難，因而在實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)中很少采用。(2) 單通道統(tǒng)計(jì)方法 單通道大氣統(tǒng)計(jì)方法就是從大氣輻射傳輸方程出發(fā)，考慮大氣含水量和傳感器視角天頂角的影響，建立遙感亮度溫度與海面溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)同步實(shí)測(cè)資料回歸經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。 Smith (1970)提出了一個(gè)用中紅外波段(3.8微米)計(jì)算海溫的經(jīng)驗(yàn)公式： 其中 ， 是傳感器視角天頂角， 為亮度溫度。 GMS靜止氣象衛(wèi)星反演海溫大氣訂正的統(tǒng)計(jì)方法比較成熟，阿步勝宏(1991)提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的GMS單通道海面水溫的大氣訂正公式： 其中 是傳感器視角天頂角， 為亮度溫度，W是大氣總水氣含量。McConaghy(1980)推導(dǎo)了一個(gè)簡(jiǎn)單的處理NOAA第五通道的海溫反演經(jīng)驗(yàn)公式： 其中C和 為待定的回歸系數(shù)， 為大氣的光學(xué)厚度，h