表面粗糙对渤海海冰热红外辐射方向特征的影响研究.pdf

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1、第30卷第4期2013年08月海洋预报MARINEFORECASTS、，01．30．No．4Aug．2013DOI：10．11737／j．issn．1003-0239．2013．04．001表面粗糙对渤海海冰热红外辐射方向特征的影响研究刘成玉，顾卫+，李澜涛，许映军(北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，北京100875)摘要：热红外遥感技术使大范围、快速地监测渤海海冰表面温度成为可能。然而，目前绝大多数遥感器都是小视场角的，只对海冰在某个方向上的辐射能量进行了测量。由于自然界的海冰大多数都是高低起伏的、不平坦的，如果近似地认为遥感像元尺度内各部分温度是相同的，有时会带来较

2、大误差。在盛冰期的渤海辽东湾东岸固定冰区，分别用3D激光扫描仪、热红外成像仪和自计温度计测量了渤海海冰的表面形状、辐射亮温和真实温度。结果表明，由于海冰表面粗糙，会形成三维非同温像元。同时，也会导致传感器在粗糙海冰的各个部分的局部观测天顶角与整体观测天顶角有所不同，造成粗糙海冰与平整海冰的方向辐射特征有较大差异，平整海冰更接近理想平面，粗糙海冰更接近朗伯面。关键词：热红外遥感；海冰；粗糙；辐射方向特征；三维非同温像元中图分类号：TP731．15文献标志码：A文章编号：1003．0239(2013)04．0001．111引言渤海海冰为一年生海冰，每年的12月左右至次年的3月为渤海的冰

3、期，冰期约3—4个月[1-2]。风、海流、潮汐、海岛和陆地等海洋水文、海洋大气和陆地要素的作用使得渤海海冰表面并不全是平整的，大部分海冰表面都是凸凹不平的，即粗糙的。近些年来热红外遥感技术越来多地被应用于海冰表面温度的反演p一，但反演精度并不高。究其原因，一方面是因为大气的影响，另一方面与忽略了海冰表面的粗糙度有关。对于厚度相同的平整海冰而言，可以近似地认为遥感像元尺度内各部分的温度是相同的，辐射能量随观测视角的不同呈现出规则性变化。对于厚度不同的非平整海冰而言，海冰表面的粗糙部分(凹凸)会遮挡阳光，使得向阳部分接收的太阳光照相对较多，背阴部分接收到的太阳光照相对较少；同时粗糙部分

4、(凹凸)还会使海冰热阻力增大、热惯量减小，导致凸出部分的热力学过程与平整冰面的热力学过程出现差异，造成遥感像元尺度内各部分的温度不尽一致。粗糙海冰表面的凸凹不平，也使得辐射能量随观测视角的不同呈现出不规则变化，此外，各凸出部分之间存在相互散射作用，会使进入传感器视场内的辐射量增大。目前热红外对地遥感器大都是小视场的，对于海冰热红外遥感来说，海冰粗糙度会使得表面温度的估算精度降低，因此，有必要开展海冰粗糙度对海冰热红外辐射方向特征影响的研究。通过对粗糙海冰进行多角度的观测，深入了解粗糙海冰的表面特征。为提高海冰表面温度反演精度提供新参数。基于上述认识，本文作者在盛冰期的渤海辽东湾东岸

5、固定冰区，利用3D激光扫描仪、热红外成像仪和自计温度计获取了粗糙海冰的表面形态及其温度特征的实测数据，并据此分析了渤海海冰粗糙度对热红外辐射方向特征的影响。收稿日期：2012—07—01基金项目：国家“863”计划项目课题(2011AAl00505)；地表过程与资源生态国家重点实验室项IiI(2010-TD一02，2011一TDZD-050)；国家科技支撑计划项目课题(2006BAB03A03)作者简介：刘成玉(1985一)，男，博士研究生，主要从事海冰遥感等方面的研究。E-mail：chengyuliu@vip．qq．corn通讯作者：顾卫，教授。E-mail：weigu@bnu

6、．edu．ca2海洋预报30卷实验设计2．1测量地点、时间实验地点为辽东湾东岸，测量时间为2012年1月17日一2月12日，测量对象为盛冰期沿岸的固定冰(包括沿岸冰和搁浅冰)，测量地点见图1，每个地点的冰情概况见表1。2．2测量仪器、项目2．2．1测量仪器所使用的实验仪器主要有用于测量海冰表层温度的WatchdogA一125温度计，测量海冰表面辐射亮温的TH3102MR型热红外成像仪和测量海冰表面形态的TrimbleGX3D激光扫描仪。WatchdogA一125温度计为自动记录温度计，最表1测量地点冰情概况冰情概况将军石扇石礁大部分为沿岸冰，少量搁浅冰，表面粗糙，单层冰厚度在38c

7、m左右绝大部分为沿岸冰，极少量搁浅冰，单层冰厚约为30ClTI左右大记录数据量为8000个，可以自主设定采样时间间隔，最小采样时间间隔为1min。WatchdogA一125温度计有两个探头，一个固定在记录器上，另一个通过传输线与记录器相连接，长度约为3cm，可分别用于测量空气温度和海冰表层温度。测量范围为一40—70℃，误差为-+0．6℃。TH3102MR型热红外成像仪由日本三荣株式会社生产。工作波段为8一13¨m，温度分辨率为0．02℃，空间分辨率为1．5mrad，