海面向上光谱辐射及其海洋光学模型.docVIP

第六章 海面向上光谱辐射及其海洋光学模型 第一节 海面向上光谱辐射 太阳光通过海面进入水体后，在传输过程中受到水体的吸收和散射。经海面返回大气的回向散射光，即为海面向上的辐射。这种吸收和散射的光谱性质，使海面向上的辐射具有光谱特征，又被称为海面向上光谱辐射。太阳辐射在海面上的辐照度为Eu， 通过海面产生的向下辐照度为Ed(0)，到达深度z处的向下辐照度 Ed(z)=Ed(0)e-Kz （6-1） 其中K为辐照度衰减系数。 向上辐照度: Eu(z)=R(z)Ed(z) （6-2） 其中辐照度比R(z)决定于水体的体积散射函数β(θ)和吸收系数a。 深度为z的水平面的向上辐射，可看成漫射表面的辐射，故向上辐亮度: Lu(z)=Eu(z)/ （6-3） 海表面之下的向上辐亮度Lu(0)决定于水体向上辐亮度的积分: （6-4） 其中c为水体的体积衰减系数。海面之上的向上辐亮度Lw即为Lu(0)透过海表面的辐亮度。 辐照度衰减系数K、体积散射函数β(θ)、吸收系数a、体积衰减系数c等海洋光学参数，都和波长有关。在吸收愈弱、散射愈强的光谱波段，海面向上辐亮度也愈强。 海面向上的光谱辐射和海水的水质密切相关，它决定了海色：清洁的大洋水呈蓝色，含泥沙的沿岸水呈黄色，叶绿素含量较高的营养水呈绿色。叶绿素在450nm波长的附近是强吸收带，在550nm附近为强透射带。因此，当海水中叶绿素浓度增加时， 海面的向上光谱辐射在450nm处减小，在550nm处增大。海面向上光谱辐射的相对变化，是探测海水中叶绿素及其它成分含量的重要信息。 自70年代以来，各种各样的生物光学算法（由海面向上的光谱辐射反演叶绿素浓度的方法）被开发出来。这些算法绝大多数是经验公式，即通过辐射量与叶绿素浓度的统计回归得出所需要的关系式[Evans and Gordon 1994, Mitchell and Kahra 1998, Aiken et al 1995]。由于各种理论及对海水光学特性参数化研究的重要进展，使得人们对海洋光场的知识有了更进一步的认识。这为建立海色遥感的模型提供了新的工具。半分析遥感模型的出现和发展，在很大程度上得益于人们对辐亮度反射比和回向散射与吸收比之间关系理解的进一步提高。在这种模型的建立过程中，首先分析海中有那些因素影响海面向上的辐射，在此基础上，建立每一部分的数学模型。另外，在这种模型中，对每个固有光学参数都进行了模型化。因此，利用半分析模型，可以直接获得海中浮游植物及其它成分的吸收系数和散射系数（如图6.1所示）。这种方法是海色遥感中最具潜力的算法[Gordon et al 1988, Carder et al 1991,1994, Garver and Siegal 1997]。下面将介绍有关这种半分析方法的理论及应用，其中包括海洋固有光学参数的模型，海面辐亮度反射比模型及其有关参数的反演方法和应用。 图6.1 反射比与固有光学参数的关系 第二节 海洋固有光学参数的模型 海洋光学中，有两类光学性质与水中的成分有关：表观光学性质和固有光学性质。表观光学性质是光场和水中成分及其含量的函数，而固有光学性质只依赖于水中成分的分布及其光学性质。因此，半分析（或分析）模型中的变量一般均是固有光学参数。但是，这些固有光学参数具有光谱性质，这种光谱性质是随着海区和季节变化的。为了从半分析（或分析）模型中反演出所需的参数，必须建立这些固有光学参数的光谱模型。这种模型的好坏是影响反演精度的主要因素。这也是目前国际上有关科学家的研究重点之一。本节将介绍固有光学参数模型化的结果。 一、光谱吸收系数 海水中有四种主要成分影响水下光场的分布。它们是：水，黄色物质，浮游植物及其它悬浮粒子。因此，总的光谱吸收系数a(λ)可表示为： （6-5） 其中：aw纯海水吸收系数、ag为CDOM（有色可溶性有机物）吸收系数、a?为浮游植物的吸收系数、ad为非浮游植物粒子吸收系数。 纯海水的光谱吸收系数是确定的。许多人对它进行了测量。图6.2为测量的结果。 图6.2 纯水的光谱吸收曲线 从曲线上看，在蓝和绿光谱波段水对光的吸收非常弱，而从550 nm开始显著增大，在红光区变的非常大。 海洋浮游植物 图6.3 叶绿素的光谱吸收曲线 图6.3为海洋浮游植物的光谱吸收曲线，该曲线有两个峰，一个在440nm附近，另一个在675nm附近，这是浮游植物中叶绿素a的吸收峰。另外，由于其它附属色素的存在（如：叶绿素b和c，类胡箩卜素等，图6.4 为几种主要色素的光谱吸收曲线），在440nm右部有一台肩。由于色素的“包”效应和色素构成的变化，aφ(λ)的光谱形状将变化。 图6.4 浮游生物中几种主要色素的吸收曲线 以下介绍几种模