红外辐射计在海水表面温度现场测量中的应用

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 1. 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。

2. 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E λ，用公式表示如下：
()dE E d λλλ
= （1） 辐射率L ω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：
222
()000(,)cos sin E L d L d d π
π
πλλωλωαθθαθα==⎰⎰⎰ （2）
其中θ是面元法线与入射光线的夹角，α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：
2
152(1)hc kT hc B e λλλ-=- （3）
式中 ，λ=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()B T λ之间有一一对应的关系:
1()(())T B L λλθθ-= （4） 其中，()T λθ是相应于所测得的辐射率()L λθ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：
()()()L B T λλλωεω= （5）
与辐射的方向ω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)[1]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，但是对海水表面温度的测量不能简单的通过测得的辐射率用普朗克定律来计算得到。

海水有它自身独特的性质。

海水的发射率随着波长和观测的角度的不同而不同。

而且在现场使用红外辐射计对海水表面温度测量的时候，必须要考虑到大气辐射的影响。

图2 出水辐射率示意图
假设红外辐射计在水面以上一定高度，与海平面成θ角指向海平面.它所接收到的辐射率为海面发射的辐射率和大气的辐射率在海表反射后的总和，
(1)d s a p L L L L ε=+-+ （6）
其中Ld 是辐射计所接收到的所有的辐射率，Ls 是海表发射的辐射率,La 是大气辐射率。

ε是海表的发射率，由热力学第二定律可以知道，海水的发射率和反射率的和等于1，
()(1())r λλωεω=- (7)
大气辐射在海表反射后的辐射率为(1)s a L ε- 。

Lp 是对辐射计以下所发射和吸收的辐射率的校正。

因为La 和Ls 在从海表到辐射计的路程中会与空气相互作用，所以需要Lp 进行校正。

一般情况下只要路径长度不超过50m ，Lp 就可以忽略。

根据原理图可知，要精确的得出海水的发射率，还要做进一步校准，去除大气的影响。

去除的方法就是在向下测量d L 之后，在较短的时间内以相应的角度天顶角θ测量天空，即大气的辐射率a L 。

4.校准
在实际应用中，不可能单独只使用红外辐射计进行测温，需要一些辅助的电子机械设备，这就不可避免影响到红外辐射计的测量，因此需要对辐射计进行外部校准。

一般的情况下，需要一个精确标定过的黑体作参照。

这就需要相应的制冷或加热控制装置以精确的控制黑体的温度维持在一个波动较小的范围内，然而海上现场测量有特殊的困难，后勤保障不可能象陆地上一样充分，如果将黑体温度维持在一个恒定的温度将耗费很多。

考虑到这个问题，可以采用另一种校准方法。

即采用两个校准黑体，加热其中一个黑体，另一个则不加热，温度与环境温度相同。

这样以辐射计的输出电压和测得的辐射率为纵横坐标就可以定出一条直线，用作校准，将辐射计输出的电压值代入即可得辐射率。

原理图如下：
图3 外部校准原理
图中黑点代表辐射计观测黑体得出的两个点（1V ，1L ），（2V ，2L ），将两个点连接起来得到一条直线，表达式为
211121()()()
L L L L V V V V -=+-- （8） 将红外辐射计对天空和海洋观测输出电压（图3 中白点）代入得到的辐射率d L ，a L ，然后根据公式（6）可得s L ((1))
d s a s s
L L L εε--= （9） 再将辐射率代入公式（4），公式（5）得： 1()s
s s L T B ε-= （10）
5.结束语
红外辐射计测温是在温度测量中的一个广泛使用的方法，在一些无法直接接触测量的情况下是一个很好的解决办法。

在海水表面温度测量中的应用还要结合海水的一些性质特点综合考虑，在实际应用中要考虑的因素要复杂很多，具体的实现方法也需要精心设计。

参考文献
Donlon C.J., P.J.Minnett, I.J.Barton,etal.The character of skin and subsurface sea surface temperature [J] .World Meteorological Organization -Publications- WMO TD,1083:298-302,2001
The application of Infrared Radiometer in the in situ measurement of Sea Surface Temperature
Zhang Le
Ocean Remote Sensing Institute,Ocean University of China,Qingdao(266003)
Abstract
Sea surface temperature is a very important parameter in the reserch of ocean.In this paper ,I introduce the basic principles of infrared radiometer,and based on the characters of sea water to explain the application of the infrared radiometer in the in situ measurement of sea surface temperature. Keywords: s ea surface temperature,infrared radiometer,blackbody calibration。