海洋遥感ppt04 海洋表面温度遥感

卫星海洋遥感导论AnIntroductiontoSatelliteOceanicRemoteSensing第四章海洋表面温度遥感武汉大学遥感信息工程学院海洋表面温度（seasurfacetemperature，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第四章海洋表面温度遥感SatelliteOceanicRemoteSensing第四章海洋表面温度遥感SatelliteOceanicRemoteSensing3m内的上表层水体具有大致相同的热容量，上层10m的海水质量与覆盖其上的大气柱的大致相同，海洋上层具有调节全球气候系统的能力，而SST与海洋上层的热存储成比例。大气的水汽和热通量的时间空间分布是海表面温度的函数。海表面温度的梯度分布与流系、涡、气流和上升流区域有关。第四章海洋表面温度遥感SatelliteOceanicRemoteSensing多种海表面和近表面过程决定了SST及上层海洋温度剖面。包括太阳的加热、夜间辐射的冷却、蒸发的冷却以及风和浪的混合。4.1什么是海洋表面温度SatelliteOceanicRemoteSensing不同的仪器以不同的方式测量SST，SST所涉及的温度是在几种不同深度上进行测量的。1.Ts表层温度：由海洋/大气热量和湿度通量决定。由于蒸发和辐射的冷却作用，Ts一般比内部的温度低。2.Tb水体温度，是锚系和漂浮浮标在0.3-1m深度上测量的。3.T11μm是通过11μm的红外辐射计对温度进行测量，是水柱的顶部30μm水柱出射的辐射温度。通常T11μm比Ts要稍高一点，是最接近Ts的。4.T10GHz是10GHz微波测量的的温度，是从水柱顶部1-2mm出射的辐射温度。4.1什么是海洋表面温度SatelliteOceanicRemoteSensing白天和夜晚强风的情况白天弱风和强太阳照射的情况4.1什么是海洋表面温度SatelliteOceanicRemoteSensing•Ts和T11μm在几秒钟内响应蒸发、传导和辐射引起的平衡变化；•T10GHZ被黏性过程主导，响应时间尺度是分钟级。•在弱风条件下，Tb反应的是一天内水体加热和冷却的状态时间尺度是数小时；•在强风条件下，Tb反应的则是更短时间内的加热和冷却的状态。4.2用于SST反演的卫星波段特征SatelliteOceanicRemoteSensing用于SST反演的AVHRR和MODIS波段特征陆地/海洋边界和云的识别把瑞利散射影响接近最小化白天雪、冰和云的反射识别夜间的海温反演白天和夜间SST反演4.3海面温度反演算法SatelliteOceanicRemoteSensingSST算法—理论基础①②③④辐射计探测的总辐射度可以表示为：vsunrvsLLtLUeLUetL,1,到达探测器的海表面发射辐射局地热平衡平行平面大气向上的发射辐射4.3海面温度反演算法SatelliteOceanicRemoteSensing向下的大气发射辐射的反射反射的太阳辐射注：夜间时，LSUN(υ,θ)=0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。4.3海面温度反演算法SatelliteOceanicRemoteSensing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，从而得到海表温度。这种方法称为多通道技术，也称“分裂窗”法，由McMillin提出。对于NOAA/AVHRR第4和第5通道，有：4.3海面温度反演算法SatelliteOceanicRemoteSensingAVHRR业务化算法445445()(1)/()sTTTTttt其中经验逼近法：SST=C1T4+C2(T4-T5)+C3式中，C1、C2、C3是常数。T4和T5是K氏温度，SST是摄氏温度。第一项是T4乘以一个接近于1的常数；第二项是去除水汽的影响；第三项转换K氏温度成摄氏温度。系数由卫星观测T4和T5反演出的SST与匹配的观测数据通过最小二乘法回归得到。4.3海面温度反演算法SatelliteOceanicRemoteSensing(1)水汽模式SST（WVSST）TS=T4-Γ(T4-T5)Γ=[m4/(m5-m4)][1+(m5Vsecθ)/2+…]将从探空和被动微波探测资料反演出的V直接合并到SST算法中。(2)MCSST修正模式SST=C1T4+C2(T4-T5)+C3(T4-T5)(secθ-1)+C4加入的secθ项给出的是随θ增加的路径长度，但是并不包括大V值的影响。4.3海面温度反演算法SatelliteOceanicRemoteSensing(3)非线性NLSST模式SST=C1T4+C2Tsfc(T4-T5)+C3(T4-T5)(secθ-1)+C4式中，C1-C4是任意常数，Tsfc是从气候查找表或MCSST计算获得的独立的表面温度估算值。NOAA-14的NLSST白天算法SST=0.9336T4+0.079Tsfc(T4-T5)+0.77(T4-T5)(secθ-1)-253.69NOAA-14的NLSST夜间算法SST=0.930064T4+0.031889Tsfc(T3-T5)+1.817861(secθ-1)-266.1864.3海面温度反演算法SatelliteOceanicRemoteSensing1.高空中的薄卷云卷云薄且呈半透明状，很难通过卫星观测进行识别；冰晶的存在导致T4和T5变小，但T5比T4的衰减大；由于△T45=T4-T5趋于增加，因此导致了反演的SST低于Ts。2.每日的太阳加热能增加海水表皮温度，但不改变大气温度和湿度廓线。在大气特性恒定的情况下，当Ts增大时T4的响应比T5大，△T45也随之增大，从而使反演的SST变小。4.3海面温度反演算法SatelliteOceanicRemoteSensing误差的环境来源3.皮层与水体温度的差异白天太阳加热引起的Ts增大加剧了浮标测量温度和Ts之间的差异，从而在匹配数据中产生了较大的偏差，因而夜间SST的观测精度要比白天的高。4.火山气溶胶火山爆发喷射了大量的硫化酸滴进入同温层。气溶胶的分布意味着全球平均的卫星SST比浮标SST低0.5℃，热带负偏差超过2℃。4.3海面温度反演算法SatelliteOceanicRemoteSensing误差的环境来源MODIS使用两组热红外波段反演SST:(1)3个波段在4μm窗口（20波段、22波段和23波段）(2)2个波段在11μm窗口(31波段和32波段)4.3海面温度反演算法SatelliteOceanicRemoteSensingMODIS的SST算法4μm算法：SST=C1+C2T22+C3(T22–T23)+C4(secθ-1)·只适用于夜间的海温反演，且只有一组系数。4.3海面温度反演算法SatelliteOceanicRemoteSensingMODIS的SST算法11μm算法：SST=C1T31+C2Tsfc(T31-T32)+C3(T31-T32)(secθ-1)+C4·该算法对干燥的大气和湿润的大气使用不同的系数。·适用于白天和夜间的海温反演。4.3海面温度反演算法SatelliteOceanicRemoteSensingMODIS的SST算法算法优点缺点11μm能在所有时间段使用，延续了AVHRRSST数据的时间序列并提高了精度受水汽和火山爆发形成的气溶胶以及对流程气溶胶的影响较大4μm简单且对水汽不敏感，且精度较高只能用于夜间，也受气溶胶的影响，且缺乏AVHRRSST时间上的连续性。•云是热红外海温反演必须剔除的。•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。•在开阔海洋上，云检测依赖的因素：（1）云比海洋表面冷且反射性较强；（2）海洋表面在温度和反射率上近似均匀一致。4.4云检测SatelliteOceanicRemoteSensingAVHRR云检测算法：•单波段单像元阈值检测用来去除比海洋表面反射强和冷的像元•单波段多像元均匀性检测检查一个矩形像元阵里的像元温度和反射率的差异•多波段检测用于检测特殊的云，包括高空薄卷云、夜间均匀的低空层状云、雾和亚象元破碎云4.4云检测SatelliteOceanicRemoteSensing4.4云检测SatelliteOceanicRemoteSensing业务化云检测流程图MODIS云检测算法用于云识别的波段：•1-7波段用于阈值和均匀性检验，帮助识别云的边界，飞机的轨迹和小碎云。•18波段和26波段用于白天的薄卷云反射率识别。•19波段用于检测云的阴影。•27波段用于识别极地地区的云。•29波段用于11μm和12μm波段的云的识别。4.4云检测SatelliteOceanicRemoteSensingMODIS云检测算法包括：•反射率阈值法•IR阈值法•空间和时间均匀性检测法•薄卷云的反射率法•薄卷云的IR识别法•夜间层状低云和雾识别发•SST合理性检测法•气候和相互比较法4.4云检测SatelliteOceanicRemoteSensing与AVHRR云检测算法的不同：(1)反射率检测白天使用MODIS1波段(660nm)和2波段(870nm)数据。应用阈值和反射率比值法。(2)薄卷云的反射率检测18波段(936nm)和26波段(1.375μm)都位于强水汽吸收波段的中心。(3)空间和时间均匀性检测在时间均匀性检测方面，特定像元的亮度温度和反射率与7d前的观测比较，如超过设定阈值，则认为是云。4.4云检测SatelliteOceanicRemoteSensing热红外反演SST须预先输入参数：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4.5热红外SST反演的过程SatelliteOceanicRemoteSensing热红外SST反演的流程4.6热红外SST反演实例SatelliteOceanicRemoteSensing厄尔尼诺到拉尼娜的转换4.6热红外SST反演实例SatelliteOceanicRemoteSensing全球MODISSST图像