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特邀论文
Suomi-NPP VIIRS的海面温度:算法发展与不确定性
Peter J. Minnett*，Robert H. Evans, Guillermo P. Podesta, Katherine A. Kilpatrick迈阿密大学罗森斯蒂尔海洋和大气科学学院，4600美国佛罗里达州迈阿密里肯巴克堤道33149-1098
摘要：
Suomi-NPP(国家极轨道相关卫星)上的可见光红外成像辐射计套件(VIIRS)卫星是在极轨道地球观测卫星上的一系列新的成像辐射计中的第一个。除了VIIRS为天气和海洋预报提供实时数据，还在继续测量MODIS的(中分辨率成像光谱仪)，包括对海面气候数据记录温度(SST)。要实现这一目标，需要对其中的错误和不确定性进行彻底的评估。这与一系列独立的海表温度测量值的比较结果表明VIIRS的海图具有与Terra和Aqua上的MODIS的海图相同或更好的精度，而VIIRS的海图是适用于将卫星获取的海温数据记录下来并扩展到未来。
关键词：VIIRS，海面温度，大气校正算法，红外遥感，卫星海洋学，气候数据记录
- 介绍：
海温是地球系统中一个非常重要的地球物理参数。海温的全球和区域分布，以及它们在几天到几十年的时间演变，都与描述地球系统的自然变化有关。“海表温度是海洋和海洋之间相互作用的关键变量大气，如热量、湿度、气体和动量的交换以及海表温度的重新分布。地球观测卫星委员会(ceo)已经宣布海表温度是一个重要的气候变量(ECVs)是否对《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)的要求产生重大影响IPCC(政府间气候变化专门委员会)。卫星测量的海表温度提供了全球最佳的海表温度来源以及伴随的不确定性特征。
-
- VIIRS
在2011年10月30日，当地时间为13:30，发射进入太阳同步上升轨道“Suomi- npp”(国家极地轨道伙伴关系)卫星携带五种仪器，包括可见光红外成像辐射计套件(VIIRS)。VIIRS有22个波段，采样的电磁波长范围为0.412到12.01mu;m。其中16个在最低点的空间分辨率为750米，即所谓的m波段，还有5个最低点分辨率为375米(i波段)。VIIRS还有一个750m空间分辨率为a的全色波段动态范围宽，可用于生成昼夜图像，称为昼夜带(DNB)。光谱波段如表1所示。空间分辨率的值用于本机测量。VIIRS使用像素聚集，以减少像素增长的扫描带远离最低点。三个单独的测量值的时间平均值是大约750x750m2的像素大小。扫描角度为31.71°。从最低点开始，船上的处理器平均有两个独立测量直到扫描角度为47.87°除此之外，还使用单独的测量值[1]。波长lt; 3.7mu;m测量反射和散射阳光(DNB)和月光,而gt; 3.7mu;m是对辐射敏感的。3.7mu;m白天测量相结合的太阳能和发出光，所以只能在夜间进行海表温度恢复。在每个聚合跃迁处，沿带状带回到最低点(图1)。VIIRS带状带宽度为3040公里，为轨道的白天和黑夜部分提供轨道间隙的全覆盖。
表1:VIIRS光谱波段。在像素聚集之前在最低点的分辨率是为原始采样。提供用于检验海表温度的亮度温度的测量并用粗体显示。
|
Band Name |
Centre Wavelength micro;m |
Bandwidth micro;m |
Application |
Resolution at Nadir km |
|
M1 |
0.412 |
0.020 |
Ocean color, aerosols |
0.742 x 0.259 |
|
M2 |
0.445 |
0.020 |
Ocean color, aerosols |
0.742 x 0.259 |
|
M3 |
0.488 |
0.020 |
Ocean color, aerosols |
0.742 x 0.259 |
|
M4 |
0.555 |
0.020 |
Ocean color, aerosols |
0.742 x 0.259 |
|
I1 |
0.640 |
0.080 |
Imagery, vegetation |
0.371 x 0.387 |
|
M5 |
0.672 |
0.020 |
Ocean color, aerosols |
0.742 x 0.259 |
|
M6 |
0.746 |
0.015 |
Atmospheric correction |
0.742 x 0.776 |
|
I2 |
0.865 |
0.039 |
Vegetation |
0.371 x 0.387 |
|
M7 |
0.865 |
0.039 |
Ocean color, aerosols |
0.742 x 0.259 |
|
DNB |
0.7 |
0.400 |
Imagery |
0.742 x 0.742 |
|
M8 |
1.24 |
0.020 |
Cloud particle size |
0.742 x 0.776 |
|
M9 |
1.38 |
0.015 |
Cirrus cloud cover |
0.742 x 0.776 |
|
M10 |
1.61 |
0.060 |
Snow fraction |
0.742 x 0.776 |
|
I3 |
1.61 |
0.060 |
Binary snow map |
0.371 x 0.387 |
|
M11 |
2.25 |
0.050 |
Clouds |
0.742 x 0.776 |
|
M12 |
3.70 |
0.180 |
SST (night-time) |
0.742 x 0.776 |
|
I4 |
3.74 |
0.380 |
Imagery, clouds |
0.371 x 0.387 |
|
M13 |
4.05 |
0.155 |
SST(night-time), fires |
0.742 x 0.259 |
|
M14 |
8.55 |
0.300 |
Cloud top properties |
0.742 x 0.776 |
|
M15 |
10.76 |
1.000 |
SST |
0.742 x 0.776 |
|
I5 |
11.45 |
1.900 |
Cloud Imagery |
0.371 x 0.387 |
|
M16 |
12.01 |
0.950 |
SST |
0.742 x 0.776 |
图1所示。VIIRS水平采样间隔(HSI)与扫描角度的关系，显示像素聚集导致的分辨率受限损失。
VIIRS的前置光学包括一个大的旋转望远镜，旋转需要1.79秒。有16个检测器对于每一个m波段，这样16条扫描线在地球表面才能扫过每一个镜面旋转。一个次要的镜面以望远镜一半的速度旋转，以避免扫描线在条带上的旋转[2]。轨道上红外波段的标定与传统仪器AVHRR和MODIS相同，采用空间视图和a黑体目标;VIIRS目标来源于MODIS凹槽板黑体标定目标(图2)[3]。对于VIIRS来说，黑体是封闭的，因此可以很好地防止由外部驱动的轨道温度变化因素，主要是太阳照度和其他杂散辐射源。温度控制在292.5 K，这是发射前校准和表征的温度。发射率黑体为gt;0.9995，嵌入式热敏电阻按SI温标标定在0.05K以内[3]。
图2。凹槽板黑体目标和VIIRS。VIIRS目标上的数字指的是这六个人的位置
嵌入式温度计。[3]
因此，VIIRS的数据包括校准的每个红外光谱波段的大气顶部亮度温度，其中的组合是为了纠正大气干扰的影响而得出的海表温度。因为云不是透明的红外辐射传播，任何像素包含来自云的辐射识别之前大气校正算法的应用这是使用类似于[4]的决策树方法完成的为MODIS开发[5]，而之前是AVHRR开发的[6]。
- 海表温度大气校正算法开发
用于SST的VIIRS传统传感器有AVHRR和MODIS。VIIRS光谱波段(表1)包括用于皮肤海表温度衍生的五个MODIS波段中的四个。因为受到了太阳辐射反射和散射的影响，测量卫星辐射计的部分轨道在中红外大气传输窗口不能在白天使用。标准大气校正算法在白天和晚上使用条件是基于测量在10-13mu;m大气传输窗口中,经常提到作为一个“分割窗口”，该算法的形式来源于MODIS和AVHRR(非线性)算法海温(NLSST)[7]:
（1）
a0,a1,a2,a3是系数,T11亮度温度测量是lambda;=
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