【2017年整理】红外辐射计在海水表面温度.doc

FILENAME 红外辐射计在海水表面温度现场测量中的应用.doc PAGE - PAGE 1 - 红外辐射计在海水表面温度现场测量中的应用? 张乐 中国海洋大学海洋遥感研究所，山东青岛(266003) 摘 要： 海水表面温度是海洋研究中的重要参数。本文介绍了红外辐射计测量温度的一般原理，同时结合海水的特点说明了红外辐射计在海水表面温度现场测量中的具体应用。 关键词：海水表面温度，红外辐射计，黑体校准 引 言 海水表面温度是全球海-气系统最重要的变量之一。它是重要的海洋参数，是气候变化的关键指标，并且广泛应用于描述海洋环流和动力学、上层海洋作用的研究、海洋-大气热交换, 及作为数字天气预报的一个边界条件。在大范围获取海水表面温度需要通过卫星数据得到,然而卫星所得数据受到多种因素影响,需要在现场测量海水表面温度，收集大量验证数据来进行对比分析，所得验证数据的很大一部分就要通过现场测量利用红外辐射计来获得.本文就在红外辐射计测温的一般原理基础之上，结合海水的相关特点，介绍红外辐射计在现场测量海水表面温度中的应用。 红外测温的一般原理 在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在,就会不断的向四周辐射电磁波,其中就包含了波段位于0.75μm～100μm 红外线.物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度.红外辐射计就是按照这个原理工作的. 2.1辐照度和辐射率 辐照度E是指通过某一单位面积的辐射能通量，与波长有关，在单位波长内的辐照度称之为单色辐照度，用公式表示如下： （1） 辐射率是指在三维空间中在给定方向单位立体角通过沿该方向的单位投影光源面积的辐射通量，与共建立体角的方向有关。两者关系如下： （2） 其中是面元法线与入射光线的夹角，是方位角。在红外辐射计中主要用到辐射率的概念.每一个辐射计都有各自的视场角，只有在这个视场角，即立体角之内的辐射通量才能被辐射计接收到。 2.2黑体辐射和普朗克定律 黑体是一个假设的物体，能够全部吸收入射的电磁波，既没有反射，也没有透射。某一黑体的单色辐射率用普朗克定律表示如下： （3） 式中 ，=波长，h=普朗克常数,T=绝对温度,c=光速，k=玻耳兹曼常数。由公式（3）可得，对任何波长来说，黑体的温度和它的辐射率之间有一一对应的关系: （4） 其中，是相应于所测得的辐射率的单色黑体温度。 2.3发射率 发射率是指一种材料吸收和再辐射能量的能力.通常按0～1．O的比例进行计算“O”表示完全反射体“1．O”表示理想黑体，定义为辐射率与普朗克函数的比值： （5） 与辐射的方向有关。 3.海水表面温度测量的原理 3.1 海水表面温度的定义 海水表面温度是一个很难精确定义的参数，因为在海洋上层10米水深内的垂直温度结构是非常复杂的。一般以Donlon,C.J.(2001)???给出的定义作为海水表面温度度的定义。1）interface SST, SSTint定义为空气和海水表面相接触的一个无限薄的水层的温度。它代表了SSTskin温度层之上的温度。2）skin SST，SSTskin定义为表层500微米水深之内的海水温度。在这个水层内，由于海洋和大气之间的热交换，会产生一个温度梯度，因此在这个水层内随着深度的不同，SSTskin的值也不同。3）sub-skin SST, SSTsub-skin代表了SSTskin温度层底部的SST。它会随着时间的变化，以分钟为单位变化，也会受到太阳辐射的影响。4）subsurface SST,SSTdepth， SSTsub-skin之下的水体内的温度都可以叫做SSTdepth.它会随着时间的变化以小时为单位变化，也会受到太阳辐射的影响，深度不同SSTdepth也会不同。在使用的时候需要指明SSTdepth的深度。如图1所示： 图1 理想化的海水上层10m水深范围内的温度剖面图a)表示晚上或高风速的白天的情况;b)表示低风速,强日照的白天的情况 3.2 红外辐射计测量海水表面温度 在本文中所讨论的用红外辐射计测得的温度是指海水表皮水温(skin SST)，深度与红外辐射计所用的波长有关。海水表面发射出的红外辐射能随着海水表面绝对温度的不同而不同，但是对