卫星海色遥感中的两个前沿问题：海中气泡和垂直非均匀海洋光学

【摘要】：当前,卫星海色遥感算法和应用均基于海水垂直均匀分布的假设,并且没有考虑由风浪破碎产生的海中气泡对散射的贡献。事实上,在上层海洋,包括气泡在内的海水组分通常是垂直非均匀分布的,尤其在近岸海域。本文进一步研究了卫星海色遥感中的这两个前沿问题。基于观测数据的分析,研究了海中气泡对遥感反射比的贡献以及对大气校正的影响。基于海洋辐射传递模拟,研究了悬浮物、海中气泡垂直非均匀分布对近岸海水遥感反射比的影响。具体研究结果如下： 1.基于海洋光学和海面风速观测数据的分析,以及海洋辐射传递模拟,进一步证明对于光学性质稳定的大洋水,不同风速条件下遥感反射比的不同主要源于海中气泡。通过拟合73组海面风速和遥感反射比观测数据,获得遥感反射比和海面风速的统计关系,以及遥感反射比和海中气泡浓度的统计关系。利用23组海色传感器MODIS/Aqua和现场观测的遥感反射比匹配数据,研究了印证误差和海面风速的统计关系,获得不同风速条件下卫星遥感反射比的修正公式。 2.基于MODIS和现场遥感反射比的印证结果,进一步研究了海中气泡对大气校正的影响及其机制。大气校正误差因海中气泡的存在和增多而增大。即使在大洋,近红外波段离水辐亮度为0的假设因气泡的存在而失效。导致气溶胶辐亮度被高估,气溶胶模型可能选错,可见光波段遥感反射比被低估。 3.基于海洋辐射传递模拟,研究了悬浮物浓度(包括浮游植物和矿物粒子)及相关固有光学性质的垂直非均匀分布对近岸海水遥感反射比的影响。假设垂直两层分布；有色可溶有机物CDOM的固有光学性质随悬浮物浓度共变。分析了两层分布遥感反射比与垂直均匀分布遥感反射比的差异,并将两层垂直结构参数化以进一步研究结构参数变化对遥感反射比的影响,首次建立了红-近红外波段的遥感反射比和悬浮物浓度垂直结构参数之间的关系。 4.基于海洋辐射传递模拟和Mie散射理论,研究了垂直非均匀分布的海中气泡对近海海水遥感反射比的影响。分别考虑背景海水垂直均匀和垂直两层分布两种情况。气泡粒径分布模型来自文献,它是深度和海面风速的函数。模拟结果发现,对于近海海域,海中气泡对遥感反射比的影响不仅与风速有关,并与上层海水深度、背景海水衰减系数以及波长有关。对于浑浊的近海海水,海中气泡对遥感反射比的影响可以忽略。