An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

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1 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing
卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing 第三部分 海洋参数的遥感反演 第七章 海洋表面温度遥感 武汉大学 遥感信息工程学院

2 用 MODIS 的红外波段反演的全球海洋表面温度
第七章 海洋表面温度遥感 Satellite Oceanic Remote Sensing 海洋表面温度（sea surface temperature，SST）是一个重要的海洋环境参数，是海洋环境非常重要的基础信息。几乎所有的海洋过程，特别是海洋动力过程都直接或间接的与温度有关。 用 MODIS 的红外波段反演的全球海洋表面温度

3 第七章 海洋表面温度遥感 研究与应用 海洋现象监测，如大洋旋涡、上升流、海冰、海洋锋面 划分水团的主要依据 全球气候变化的主要输入量
Satellite Oceanic Remote Sensing 研究与应用 海洋现象监测，如大洋旋涡、上升流、海冰、海洋锋面 划分水团的主要依据 全球气候变化的主要输入量 厄尔尼若现象、拉尼拉现象、热带气旋、海气交互作用 渔业，生物种群分布、洄游、繁殖等 污染监测 海温预报

4 第七章 海洋表面温度遥感 卫星遥感SST 从卫星遥感来测定SST的方法有热红外测量和被动微波辐射测量，两种方法各有其优点和缺点。
Satellite Oceanic Remote Sensing 卫星遥感SST 从卫星遥感来测定SST的方法有热红外测量和被动微波辐射测量，两种方法各有其优点和缺点。 无论是热红外遥感方法还是被动式遥感方法在测量海洋表面温度时都是各有利弊，为了充分利用二者的优点，人们已经开始综合使用这两种方法来测量海洋表面温度。

5 7.1 微波辐射计海表温度测量 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理
Satellite Oceanic Remote Sensing 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 依赖于物体温度的微波辐射叫微波热辐射。如果物体辐射的能量等于吸收的能量，那么物体的温度不发生变化，此时的辐射就叫平衡热辐射 。 通过遥感方法获取海洋表面温度的理论基础是: 随着温度的升高海洋表面发射的总辐射能也迅速地增加，而且，海洋表面温度的变化也影响海洋的发射光谱。

6 海洋中各种物理量的亮度温度的感光度及适合的观测波段
7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 Satellite Oceanic Remote Sensing 海洋中各种物理量的亮度温度的感光度及适合的观测波段

7 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 1. 辐亮度、亮温度与极化比辐射率
Satellite Oceanic Remote Sensing 1. 辐亮度、亮温度与极化比辐射率 根据瑞利-金斯公式，在温度为T和波长为 时，其光谱辐射度可以描述为： 式中 k 为波尔兹曼常数。此公式给出了微波辐射度与温度的关系。

8 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 在微波波段，黑体的亮度（辐射率）可以用下式表示： 其中，△f 为带宽（Hz），k 是波尔兹曼常数。
Satellite Oceanic Remote Sensing 在微波波段，黑体的亮度（辐射率）可以用下式表示： 其中，△f 为带宽（Hz），k 是波尔兹曼常数。 由上式可知，在微波波段，黑体的亮度与 热力学温度成正比，与波长的平方成反比。

9 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 Satellite Oceanic Remote Sensing 在微波波段，海洋表面为“灰体”。其辐射率L与波长、热力学温度、方向和极化，以及物体的性质有关。利用瑞利-金斯公式和亮度温度的定义，可以获得作为“灰体”的海水的发射率 e 与亮度温度 TB 的关系为： 上式中B为“灰体”的辐射率，Bb为“黑体”的辐射率；TB为“灰体”的亮度温度，简称为亮温，表示其在某一频率上的辐射强度；T为“灰体”的热力学温度。

10 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 Satellite Oceanic Remote Sensing 根据电磁波的极化特性，任何物体的总的辐射能可以分解为水平极化和垂直极化两个分量。黑体辐射的极化是随机的，所以，黑体的单位极化辐亮度： 式中i表示极化方式，i=v或h。

11 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 Satellite Oceanic Remote Sensing 在微波波段，海洋可视为 “灰体”。对于作为“灰体”的海洋表面，其辐射亮度为 B（ ），极化辐亮度为 Bi（ ），则海洋的亮温和极化亮温TB和TBi为：

12 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 Satellite Oceanic Remote Sensing 由于灰体的辐射率与方向和极化有关，黑体的辐射率与方向和极化无关，导致灰体的发射率与方向和极化有关，所以灰体的发射率常表达为：

13 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 Satellite Oceanic Remote Sensing 因为 0≤ei（ ， ）≤1，所以TBi（ ， ）≤T。海洋表面的亮温TBi（ ， ）总是小于其实际温度T 。在微波辐射测量中，最后的反演值就是反映了物体的极化亮温TBi（ ， ）特性。所以，作为“灰体”的海洋表面的极化辐亮度可用下式表示： 其中，Bi（ , ）为海洋表面的极化亮度（W/sr.m2）， TBi（ , ）定义为海洋表面的极化亮温（K）。

14 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 Satellite Oceanic Remote Sensing 由于 ，Bi（ , ）正比于 TBi（ , ）它与微波辐射计天线的视在温度TAp (Apparent Temperature)之间关系为： 式中TAp是视在温度。（此式是微波辐射计测量地表温度的一个非常重要的公式）。

15 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 2. 微波辐射计的测量原理 微波辐射测量原理图
Satellite Oceanic Remote Sensing 2. 微波辐射计的测量原理 微波辐射测量原理图

16 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 3. 温度与功率的关系 设辐射计接收天线放在温度为T的黑体腔中，天线极化为i，则天线接收功率为：
Satellite Oceanic Remote Sensing 3. 温度与功率的关系 设辐射计接收天线放在温度为T的黑体腔中，天线极化为i，则天线接收功率为： 在辐射计工作频率为 f～f+Δf 范围内，设频率响应函数F（f）≡1，Planck函数 B 和天线方向性函数 G 随 f 的变化忽略不计，则：

17 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 根据微波天线理论 ： 所以 ：
Satellite Oceanic Remote Sensing 根据微波天线理论 ： 所以 ： 从上式可见，黑体腔中的天线接收功率Pri除了与带宽Δf 成比例外，仅决定于天线周围黑体腔的物理温T，与腔的大小、形状和天线本身的物理温度无关。

18 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 对于微波辐射计，假设大气非常洁净，则在海面辐射率为e时，仪器接收到海面微波辐射的亮度温度TB为：
Satellite Oceanic Remote Sensing 对于星载辐射计，辐射源：太阳、地球、大气和外太空的热辐射，云和地表的反射辐射。 对于微波辐射计，假设大气非常洁净，则在海面辐射率为e时，仪器接收到海面微波辐射的亮度温度TB为： 式中，Tw为海面的热力学温度（K），Tsc为来自天空的向下辐射（天空温度，K），Tu为大气向上的发射辐射。

19 7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 微波辐射计接收的功率为：
Satellite Oceanic Remote Sensing 微波辐射计接收的功率为： 式中dΩ为无限小立体角， ; 为天线增益； 为小频段。上式表示了天线接收功率和天线亮温之间的线性关系。

20 上式表示天线亮温TA和目标的视在温度TAp的关系。
7.1.1 微波辐射计测量海表温度的原理 Satellite Oceanic Remote Sensing 天线的亮温TA定义为 ： 上式表示天线亮温TA和目标的视在温度TAp的关系。

21 7.1 微波辐射计海表温度测量 7.1.2 微波辐射测量的误差分析 1. 微波辐射计天线对微波辐射测量的影响
Satellite Oceanic Remote Sensing 7.1.2 微波辐射测量的误差分析 1. 微波辐射计天线对微波辐射测量的影响 a. 天线主波瓣照射的目标区域的自身发射的辐射（TB）； b. 其他辐射源经目标区域反射(或散射)的间接贡献（Tsc）； c. 由于大气的吸收和散射具有衰减作用（大气损耗因子Lat），大气本身向上的发射分量（Tu）。

22 7.1.2 微波辐射测量的误差分析 有耗天线输出端的噪声温度： 噪声温度 主波瓣效率 旁瓣环境视在温度 辐射效率 主波瓣环境视在温度
Satellite Oceanic Remote Sensing 有耗天线输出端的噪声温度： 噪声温度 主波瓣效率 旁瓣环境视在温度 辐射效率 主波瓣环境视在温度 天线自身温度

23 7.1.2 微波辐射测量的误差分析 Satellite Oceanic Remote Sensing 微波噪声辐射测量计算过程的方框图

24 7.1.2 微波辐射测量的误差分析 2. 微波辐射计接收机对微波辐射测量的影响
Satellite Oceanic Remote Sensing 2. 微波辐射计接收机对微波辐射测量的影响 在辐射计接收机中，有两个因素影响天线温度Ta和接收机输出电压V0之间的关系，其一是接收机的内部噪声，其二为接收机的增益变化。

25 7.1.2 微波辐射测量的误差分析 Satellite Oceanic Remote Sensing 3. 大气传输的影响 大气对微波辐射计的影响主要反映在衰减系数κa或吸收系数κab上，并且有 。吸收系数κab的表达式如下： 式中κliq 是降雨的吸收系数，κoxy 是氧气的吸收系数，κvap 是水汽的吸收系数。

26 7.1.2 微波辐射测量的误差分析 微波辐射传输方程的微分形式是 ：
Satellite Oceanic Remote Sensing 微波辐射传输方程的微分形式是 ： 式中L是辐射度，κa是衰减系数，LBκa是吸收气体的灰体辐射度，LB是同一温度下黑体的辐射度。

27 7.1.2 微波辐射测量的误差分析 若微波辐射计位于离地面 H 高度上，上式的解是： 将瑞利-金斯定律代入上式，可得：
Satellite Oceanic Remote Sensing 若微波辐射计位于离地面 H 高度上，上式的解是： 将瑞利-金斯定律代入上式，可得：

28 7.1.2 微波辐射测量的误差分析 Satellite Oceanic Remote Sensing e是海表面的发射率，Ts是海表面的温度；t是大气透射率，τ是光学厚度，ka是大气的衰减系数；T(z)是在高度z观测到的亮温，θ是垂直方向和观测方向的夹角；Tsc是来自大气和宇宙的下行辐射平均温度，Tsc可以表达为： 其中Td 为大气的下行辐射； 为天空和宇宙亮温被海面反射部分。

29 式中，i=h或v，j=v或h，Tisky表示极化微波天空温度和宇宙亮度。
7.1.2 微波辐射测量的误差分析 Satellite Oceanic Remote Sensing 式中，i=h或v，j=v或h，Tisky表示极化微波天空温度和宇宙亮度。 为微分散射系数。

30 7.1.2 微波辐射测量的误差分析 在离地面H高度处，大气损耗因子Lat可以表达为： 大气向上辐射的亮温Tu是:
Satellite Oceanic Remote Sensing 在离地面H高度处，大气损耗因子Lat可以表达为： 大气向上辐射的亮温Tu是: 大气向下辐射产生的等效亮温是:

31 7.1.2 微波辐射测量的误差分析 结合微波噪声辐射测量计算过程的方框图 ，可得微波辐射计的辐射传输方程可表示为：
Satellite Oceanic Remote Sensing 结合微波噪声辐射测量计算过程的方框图 ，可得微波辐射计的辐射传输方程可表示为： 式中T(θ)是当天顶角为θ时在大气层顶处观测的亮温，ρ是海面的菲涅耳反射率，t为大气透过率，Trsky是银河系噪音等效温度和宇宙黑体辐射等效温度以及太阳表面温度的共同影响。对于频率大于3GHz的电磁波，电离层噪音等效温度很小可以忽略。

32 7.1.2 微波辐射测量的误差分析 微波辐射计探测海表面温度的一个例子，即用热带降雨观测卫星上微波成像仪
Satellite Oceanic Remote Sensing 微波辐射计探测海表面温度的一个例子，即用热带降雨观测卫星上微波成像仪 （TRMM Microwave Imager，AMI）所得资料反演的全球海洋表面温度图。

33 7.2 热红外辐射计海表温度测量 7.2 热红外辐射计海表温度测量 7.2.1 热红外辐射计测量海表温度的原理
Satellite Oceanic Remote Sensing 7.2 热红外辐射计海表温度测量 7.2.1 热红外辐射计测量海表温度的原理 1. 热红外辐射计探测到的总辐射度

34 7.2.1 热红外辐射计测量海表温度的原理 辐射计探测的总辐射度可以表示为： 到达探测器的海表面发射辐射可以表达为：
Satellite Oceanic Remote Sensing 辐射计探测的总辐射度可以表示为： 到达探测器的海表面发射辐射可以表达为： 局地热平衡平行平面大气向上的发射辐射可表达为：

35 7.2.1 热红外辐射计测量海表温度的原理 Satellite Oceanic Remote Sensing 向下的大气发射辐射的反射来自表面以上的大气且被表面所反射。在 方向，立体角dΩr内反射的辐射能来自表面上方所有的方向，可以写为: 反射的太阳辐射由下式表示：

36 7.2 热红外辐射计海表温度测量 7.2.2 海面温度反演算法
Satellite Oceanic Remote Sensing 7.2.2 海面温度反演算法 所谓海表温度的反演，是指从传感器原始数据获得定量海洋表面温度的数学物理方法，即从电磁场到物质性质或地球物理性质的逆运算。 热红外遥感的反演问题，主要是消除信息传输过程中海洋/大气的影响。这包括两项重要的工作，即大气订正和云检测。 热红外SST反演的依据是PLANK定律。

37 7.2.2 海面温度的反演算法 利用热红外遥感技术反演海温的研究已有了很大的进展。大气订正是海温反演的关键问题。
Satellite Oceanic Remote Sensing 利用热红外遥感技术反演海温的研究已有了很大的进展。大气订正是海温反演的关键问题。 主要的海温反演方法主要有以下几种： 单通道直接反演法 单通道统计方法 多通道海温遥感反演 多角度海温遥感反演 多通道统计模型法 多角度与多通道相结合的反演方法

38 7.2.2 海面温度的反演算法 Satellite Oceanic Remote Sensing 1. 单通道直接反演法 根据辐射传输方程，如果大气辐射和大气透过率，可以计算，大气参数可以通过大气垂直探测器、地面探空或气象数据得到。但是精确实测大气参数很困难，该方法很少使用。

39 7.2.2 海面温度的反演算法 Satellite Oceanic Remote Sensing 2. 单通道统计方法 根据辐射传输方程，考虑大气含水量和传感器视角，建立亮度温度和实际温度的经验公式，通过实测数据回归经验系数。 海表亮温 传感器天顶角 Smith公式： 海表温度 其它还有：阿步胜宏GMS大气订正公式、NOAA海温反演公式

40 7.2.2 海面温度的反演算法 Satellite Oceanic Remote Sensing 3. 多通道海温遥感反演 根据大气对不同波段的电磁波的影响不同，可以用不同波段测量的线性组合来消除大气影响，称为多通道技术，也称“分裂窗”法，由McMillin提出； 对于NOAA/AVHRR第4和第5通道，有：

41 7.2.2 海面温度的反演算法 4. 多角度海温遥感反演 根据不同视角观测目标所经过的大气吸收路径 不同，因而大气的影响不同，消除大气影响。
Satellite Oceanic Remote Sensing 4. 多角度海温遥感反演 根据不同视角观测目标所经过的大气吸收路径 不同，因而大气的影响不同，消除大气影响。 Chedin等利用极轨和静止卫星对同一时间最接 近，但视角不同来反演海面温度。

42 7.2.2 海面温度的反演算法 5. 多通道统计模型法 由于很难确定当时的海洋大气状况，特别是水汽垂直分布，人们一般用非线性回归方法。
Satellite Oceanic Remote Sensing 5. 多通道统计模型法 由于很难确定当时的海洋大气状况，特别是水汽垂直分布，人们一般用非线性回归方法。 NOAA模型： MODIS模型：

43 7.2.2 海面温度的反演算法 6. 其他反演方法 Gorodetskii的多角度与多通道相结合的反演方法 实验法 谱分析法
Satellite Oceanic Remote Sensing 6. 其他反演方法 Gorodetskii的多角度与多通道相结合的反演方法 实验法 谱分析法 时间序列相空间法 星星对比法

44 7.2 热红外辐射计海表温度测量 7.2.3 热红外SST反演的过程 1. 云检测
Satellite Oceanic Remote Sensing 7.2.3 热红外SST反演的过程 1. 云检测 云对于热红外海温反演是必须剔除的。云检测就是利用被观测目标物自身的特征，排除那些受云影响的观测数据，以保证用于海面温度反演的资料确实是在晴空下得到的。 常见方法： 可见光反照率阈值法、直方图统计法、 常年平均海面温度截断法、时间序列分析法

45 7.2.2 海面温度的反演算法 Satellite Oceanic Remote Sensing 2. 热红外SST反演流程 热红外反演SST须预先输入几个参数，即卫星扫描观测角数据、海陆边界识别数据、多年平均海面温度数据。 热红外反演SST的框图