表观和固有光学属性学习教案

1、会计学1表观和固有表观和固有(gyu)光学属性光学属性第一页，共46页。 海水的光学特性有两种 :表观光学特性和固有光学特性。表观光学性质由光场和水中的成分决定的，而固有光学性质与光场无关，只与水中成分的分布及其光学特性有关。表观光学参数很容易由现场测量(cling)或者遥感的方法获取，但是很难与水中成分联系起来。而固有光学参数则正好相反，很难在现场测量(cling)，但是得到固有光学参数之后，很容易计算得到水体各组成成分的含量。海洋光学的一项任务就是由表观光学特性导出固有光学特性，便于模拟水中的物理、生物以及化学条件。第1页/共46页第二页，共46页。(一)海洋光学中的基本辐射量 广泛应用的

2、描述光场的物理量为辐射通量、辐射强度、辐亮度、辐照度以及标量辐照度。(1)辐射通量(Radiant Flux) ，辐射能 量的传输率，即dF/dT,其中F 为辐射能量，T 为时间。单位为W。(2)辐射强度(Radiant Intensity) I，在特定(tdng)方向，在单位立体角内的辐射通量，即I=d/d其中为立体角。单位为W / sr。第2页/共46页第三页，共46页。(3)辐亮度(lingd)(Radiance) L , 在特定方向, 通过垂直此方向的单位面积截面的辐射强度，即L=dI/dA cos ，其中dA为面积元，为光子流与dA法向夹角。单位为W / (m2 sr)。在海洋中，

3、L为空间坐标、方向及时间的函数，即L (x,y,z,，t）；稳定辐射场的L与时间无关，即L （x,y,z,） ；各向同性辐射场的L与方向无关，即 L (x,y,z)；均匀辐射场的L与空间坐标无关，即 L ( ,) ；水平分层辐射场的L与平面坐标 x,y 无关，即 L( )。第3页/共46页第四页，共46页。辐亮度(lingd)定义的示意图（a） 从某表面辐射出的辐亮度(lingd)（b） 入射到某表面上的辐亮度(lingd)第4页/共46页第五页，共46页。(4)辐照度(Irradiance) E ，通过(tnggu)单位面积的辐射通量，单位为W / m2。它表示单位面积接收到的各个方向的辐亮

4、度之和（如图所示）辐照度定义(dngy)示意图第5页/共46页第六页，共46页。 辐照度可表示为向下(xin xi)辐照度(Downwelling Irradiance)Ed和向上辐照度(UpwellingIrradiance)，Eu。 海中向下(xin xi)辐照度是指当以海平面为基准时，法线向上的水平单位面积上接收到的向下(xin xi)的辐射通量(W/m2) 海中向上辐照度是指当以海平面为基准时，法线向上的水平单位面积上接收到的海水中向上的辐射通量(W/m2)第6页/共46页第七页，共46页。辐亮度与向上辐照度和向下辐照度之间的关系(gun x)可表示为dzLzEdcos,2020dzL

5、zEucos,202第二式中的负号使Eu 为正。对于各向同性( xin tn xn)辐射场E=L第7页/共46页第八页，共46页。由此，为了表征光在海水传输过程中海水吸收能量(nngling)的大小，我们定义向下辐照度与向上辐照度之间强度的差别大小为纯向下辐照度，其表达式为 200sincos),()()()(ddzLzEzEzEudnet第8页/共46页第九页，共46页。 辐照度衰减系数K (或称K函数(hnsh)）表示为dzzdEzEzKuuu)()(1)(dzzdEzEzKddd)()(1)(第9页/共46页第十页，共46页。(5)标量辐照度(Scalar Irradiance)E0，空

6、间一点接收到的各个方向的辐亮度(lingd)之和，单位为W / m2第10页/共46页第十一页，共46页。 相应的E0 也可以分为(fn wi)向下标量辐照度E0d和向上标量辐照度E0u。（6）球面辐照度Es单位面积的球面所接收到的辐射通量(W/m2)，可表示为第11页/共46页第十二页，共46页。式中r为球面曲率半径;A为球表面面积。球面辐照度Es是一种(y zhn)测量标量辐照度E0的方法，若球面为郎白集光器，由球面辐照度Es可以推出标量辐照度E0(7)辐射能量密度w单位时间单位面积内光源辐射（接收器接收）的各个方向的辐亮度之和，称为能量密度，可表示为：式中 c 为光速cEdzLcddAd

7、Icw/),(11044第12页/共46页第十三页，共46页。(二)固有光学性质（IOPs）固有光学性质(IOPs)与边界条件无关，仅决定于海水本身物理性质和光学特性的海水光学性质称为海水固有光学性质。重要(zhngyo)的固有光学性质包括吸收系数(Absorption Coefficient)a，散射系数(Scattering Coefficient)b，体积散射函数(Volume Scattering Function VSF) () ，以及衰减系数(Beam AttenuationCoefficient)c。在某一波长，水体的吸收与散射系数等于各个组成成分的吸收与散射之和。第13页/共4

8、6页第十四页，共46页。(1)吸收系数（Absorption Coefficient）海水的吸收主要包括三部分：水体本身(bnshn)的吸收，aw；粒子(Suspended Particles)的吸收ap；以及黄色物质有色可溶有机物(Gelbstoff or Colored DissolvedOrganic Matter-CDOM)的吸收c。ap 又可以进一步分为两部分：浮游植物色素(Phytoplankton Pigments)的吸收 a ，和碎屑(Detritus)的吸收，ad。即：a= aw+ ap + ag = aw + a + ad + ag第14页/共46页第十五页，共46页。水体

9、(shu t)的吸收系数水体(shu t)的吸收系数是一个重要的光学参数。下图所示为测量的三种吸收光谱。水体(shu t)在蓝绿波段的吸收较弱，但是当波长超过570nm 后，吸收迅速增大，在红波段，吸收变得很明显。第15页/共46页第十六页，共46页。浮游植物色素的吸收系数浮游植物色素吸收系数为海洋中光合作用的基础。浮游植物细胞是可见光区域的强吸收物，因此(ync)对于确定水体的吸收特性起着重要的作用。下图为浮游植物色素光谱吸收系数第16页/共46页第十七页，共46页。根据图可以看出以下特征：1.该光谱有两个典型的峰值，一个在440nm 附近，另一个在670nm 附近。670nm附近的峰值主要

10、(zhyo)是叶绿素(Chlorophyll)a 的贡献。440nm 左右的峰值是因为其它的辅助色素，例如叶绿素b，叶绿素c 以及类胡萝卜素(Carotenoid)；2.对于特定的浮游植物种类，由于其它的辅助色素对蓝光波段吸收的贡献，蓝光波段的峰值与红光波段的峰值的比值大约为3:1。3.在550-650nm 之间，吸收系数相对较小。最小值大约在600nm 附近，其数值约为440nm 吸收系数的10%-30%左右。第17页/共46页第十八页，共46页。浮游植物色素光谱吸收系数可以表示a ()( a a 0()+ a a 1()*ln(a (440)）* a (440)其中aa0 与aa1 是根据

11、东中国海现场测量的数据进行拟合得到的。因此(ync)给定 a (440) 的值，便可以得到 a ()的光谱取值。a (440)与叶绿素浓度存在如下经验关系a (440)=0.06* chl a0.65 第18页/共46页第十九页，共46页。值得注意的是，实际使用过程中的叶绿素浓度通常是指叶绿素a（浮游植物细胞内的主要色素）浓度与褐色素（pheophytin）浓度之和，更为精确的名称应该是色素浓度（pigment concentration）。叶绿素浓度的变化范围大致如下：对于最清澈的大洋水区域(qy)，大约为0.01mg/m3；对于沿岸上升流区域(qy)，大约为10mg/m3；对于富营养的（e

12、utrophic）河口或者内陆湖水，大约为100mg/m3；大洋近表层的全球平均值大约在0.05mg/m3第19页/共46页第二十页，共46页。黄色物质的吸收系数黄色物质是一种强的蓝光吸收体，其吸收系数随波长的增加而呈指数衰减，可以(ky)表示为：ag()= ag(0)e-sg(- 0)其中0 是参考波长，通常选在440nm，ag(0) 是黄色物质在参考波长的吸收系数。变化率sg 随溶解物的不同而不同，其变化范围大约在0.014-0.019nm-1。sg 的平均值为0.014nm-1。第20页/共46页第二十一页，共46页。下图所示为黄色(hungs)物质的吸收系数第21页/共46页第二十二页

13、，共46页。碎屑的吸收系数与黄色物质类似，碎屑也是一种强的蓝光吸收体，其吸收系数随波长的增加而呈指数衰减(shui jin)，可以表示为：ad()= ad(440)e-sd(- 440)变化率sd 的变化范围为0.0060.014nm-1，一般取0.011nm。第22页/共46页第二十三页，共46页。碎屑的吸收系数如下(rxi)图第23页/共46页第二十四页，共46页。浮游植物的吸收系数和碎屑的吸收系数统称为粒子的吸收系数。从粒子的吸收系数中区分出活的浮游植物的吸收系数和死的碎屑的吸收系数并不是件容易的事。现在用的比较多的方式是过滤板（filter pad）技术，即在用化学方法去除浮游植物色素

14、(s s)之前和之后分别测量两次。由于黄色物质与碎屑的吸收曲线类似，所以两者可以进行合并，440nm 波段的平均变化率为0.014nm-1即：adg()= adg(440) e-sdg(- 440)第24页/共46页第二十五页，共46页。（2）体积散射(snsh)函数、散射(snsh)系数与Phase function物质的散射(snsh)特性决定于其体积散射(snsh)函数() 它描述了光子被散射(snsh)到某一特定角度的概率。散射(snsh)系数b是所有方向的散射(snsh)光子之和。Phase function 定义为体积散射(snsh)函数与散射(snsh)系数之比。第25页/共46

15、页第二十六页，共46页。体积散射函数(hnsh)体积散射函数(hnsh)为在方向单位散射体积，单位立体角内散射辐射强度与入射在散射体积上辐照度之比，即 ()dI()/Edv=d/dw/Edv单位为m-1sr-1第26页/共46页第二十七页，共46页。 纯海水的体积散射函数w(,0)w(90,0)(0/ 0)4.32(1+o.835cos2)其中 w(90,0) 的数值见Morel 对纯海水或者纯水相关(xinggun)的理论和实验观测的综述， 为散射角。第27页/共46页第二十八页，共46页。公式(gngsh)与Rayleigh 散射的公式(gngsh)非常相似，但也存在以下两点差别：1.波长

16、的相关性是-4.32，而不是Rayleigh 散射的-4 。这是由于波长相关性与折射率有关；2.系数是0.835，而不是Rayleigh 散射的1。这是由于水分子的各向异性（anisotropy）引起的。值得注意的是，由于纯水或者纯海水的体积散射函数与Rayleigh 散射的相似性，海洋学家经常认为纯水或者纯海水的散射就是Rayleigh 散射，根据上面的分析可以看出，严格说来这是不正确的。第28页/共46页第二十九页，共46页。下图为纯海水的体积散射函数，可以看出散射在前向和后向基本(jbn)对称第29页/共46页第三十页，共46页。粒子(lz)的体积散射函数粒子(lz)的散射函数可以根据以

17、下恒等式确定p(,)= (,)- w(,)其中下标p 代表粒子(lz)，下标w 代表纯水或者纯海水。这样根据现场测量的总体积散射函数，减去纯水或者纯海水的体积散射系数就可以得到粒子(lz)的体积散射函数第30页/共46页第三十一页，共46页。散射系数体积散射函数,()对4立体角积分便可得到总散射系数b。散射系数b可以分为两部分：前向散射系数（Forward Scattering Coefficient）bf，和回向散射系数（Back Scattering Coefficient）bb。其中bb是向上辐亮度的主要贡献者。水体的回向散射可以分为两部分：纯海水的回向散射系数bbw，以及粒子(Susp

18、ended Particles)的回向散射系数bbp。；除了分子(fnz)散射，其余全为粒子散射。第31页/共46页第三十二页，共46页。纯海水的回向散射系数对纯海水的回向散射系数已经进行了许多理论与实验研究(ynji),下图所示为纯海水回向散射光谱。第32页/共46页第三十三页，共46页。粒子的回向(hu xin)散射系数海水中粒子的回向(hu xin)散射系数测量的较少，只在某些波段进行过测量,它可以表示为bbp()=(550/)*B*chla0.62其中B 为经验常数，Gordon and Morel 取0.3，Lee et al.取0.3、1.0、5.0来模拟从大洋水到高浑浊度沿岸水的

19、变化。chl a为叶绿素浓度。第33页/共46页第三十四页，共46页。(3)Phase functionPhase function 定义为体积散射(snsh)函数与散射(snsh)系数之比。纯海水的phase function纯水或者纯海水的phase function 如下 w()=0.06225(1+0.835cos2 ) 第34页/共46页第三十五页，共46页。粒子的Phase function到目前为止，在海洋光学界仍然没有有效的测量粒子phase function 的商业化仪器，广泛应用的phase function 是Petzold 在1972 年的测量数据，另外(ln wi)应

20、用比较广泛的形式有Henyey-Greenstein（HG） phase function及其各种变形，Fournier-Forand（FF） phase function。第35页/共46页第三十六页，共46页。（三）表观光学性质(xngzh)（AOPs）由海洋中辐射场分布及海水固有光学性质(xngzh)所决定的海洋光学性质(xngzh)称为海洋表观光学性质(xngzh)。重要的表观光学性质(xngzh)包括辐照度反射比(IrradianceReflectance)，R，遥感反射比(Remote Sensing Reflectance)，Rrs，漫射衰减系数(Diffuse Attenuat

21、ion Coefficient)，K，以及分布函数(Distribution Function)，D第36页/共46页第三十七页，共46页。(1)辐照度反射比辐照度反射比为向上与向下辐照度之比。即： R(z)=Eu(z)/Ed(z)(2)遥感反射比Rrs 是一个表观光学(gungxu)量，决定于水体的吸收系数、回向散射系数、海底反射率和水深，另外还受Raman 散射和荧光，以及水体二向性的影响。遥感反射比为向上辐亮度与向下辐照度之比Rrs(z, w,)=Lu(z, w,)/Ed(z)第37页/共46页第三十八页，共46页。其中w为水中天顶角，为方位角。Rrs 的单位为sr-1。由于卫星测量的是

22、离水辐亮度(Water Leaving Radiance)，遥感反射(fnsh)比的一种重要形式为Rrs(a,)=Lu(0+, a,)/Ed(0)即恰好在水面以上的离水辐亮度与向下辐照度之比。其中 a为离水辐亮度在空气中的天顶角，根据折射定律： sin(a ) n*sin(w)其中n为海水的折射率第38页/共46页第三十九页，共46页。（3）漫射衰减系数漫射衰减系数可以分为两部分(b fen)，分别为向上与向下漫射衰减系数；代表辐照度的自然对数随深度的变化率，即：Kd=-dlnEd(z)/zKu=-dlnEu(z)/z由于z 向下为正，负号使得Kd 和Ku 为正。单位为m-1第39页/共46页

23、第四十页，共46页。(4)分布函数与平均余弦向上与向下分布函数与平均余弦(Average Cosine)定义为：Dd(z)=1/d(z)=Eod(z)/Ed(z)Du(z)=1/u(z)=Eou(z)/Eu(z)它们表明了辐亮度分布的形状(xngzhun)。对于完全漫射的向上光场，Du=2.0 的；对于准直的向下光场，Dd=1.0。第40页/共46页第四十一页，共46页。（四）表观光学性质(xngzh)和固有光学 性质(xngzh)的关系通过建立下表面辐照度反射比或者遥感反射比与水体中各种组成成分的吸收或者回向散射系数的关系式，就可以通过现场观测或者卫星测量的数据反演得到水体的吸收系数和回向散射系数。也就是说建立起了表观光学性质(xngzh)与固有光学性质(xngzh)的连接纽带。第41页/共46页第四十二页，共46页。（1）下表面辐照度反射比下表面辐照度反射比R(0-)=Eu(0-)/Ed(0-)向下辐照度主要来自于太阳光与天空光；而向上辐照度主要由以下几部分组成：水中分子与粒子(lz)的弹性散射、海底反射(Bottom Reflectanc