表觀與固有光學屬性

1、表觀光學屬性和固有光學屬性Apparent Optical Properties (IOPs) and Inherent Optical Properties(AOPs) 海水的光學特性有兩種 :表觀光學特性和固有光學特性。表觀光學性質由光場和水中的成分決定的，而固有光學性質與光場無關，只與水中成分的分布及其光學特性有關。表觀光學參數很容易由現場測量或者遙感的方法獲取，但是很難與水中成分聯(lián)系起來。而固有光學參數則正好相反，很難在現場測量，但是得到固有光學參數之后，很容易計算得到水體各組成成分的含量。海洋光學的一項任務就是由表觀光學特性導出固有光學特性，便于模擬水中的物理、生物以及化學條件。(一

2、)海洋光學中的基本輻射量 廣泛應用的描述光場的物理量為輻射通量、輻射強度、輻亮度、輻照度以及標量輻照度。(1)輻射通量(Radiant Flux) ，輻射能 量的傳輸率，即dF/dT,其中F 為輻射能量，T 為時間。單位為W。(2)輻射強度(Radiant Intensity) I，在特定方向，在單位立體角內的輻射通量，即I=d/d其中為立體角。單位為W / sr。(3)輻亮度(Radiance) L , 在特定方向, 通過垂直此方向的單位面積截面的輻射強度，即L=dI/dA cos ，其中dA為面積元，為光子流與dA法向夾角。單位為W / (m2 sr)。在海洋中， L為空間坐標、方向及時間

3、的函數，即L (x,y,z,，t）；穩(wěn)定輻射場的L與時間無關，即L （x,y,z,） ；各向同性輻射場的L與方向無關，即 L (x,y,z)；均勻輻射場的L與空間坐標無關，即 L ( ,) ；水平分層輻射場的L與平面坐標 x,y 無關，即 L( )。輻亮度定義的示意圖（a） 從某表面輻射出的輻亮度（b） 入射到某表面上的輻亮度(4)輻照度(Irradiance) E ，通過單位面積的輻射通量，單位為W / m2。它表示單位面積接收到的各個方向的輻亮度之和（如圖所示）輻照度定義示意圖 輻照度可表示為向下輻照度(Downwelling Irradiance)Ed和向上輻照度(UpwellingIr

4、radiance)，Eu。 海中向下輻照度是指當以海平面為基準時，法線向上的水平單位面積上接收到的向下的輻射通量(W/m2) 海中向上輻照度是指當以海平面為基準時，法線向上的水平單位面積上接收到的海水中向上的輻射通量(W/m2)輻亮度與向上輻照度和向下輻照度之間的關系可表示為dzLzEdcos,2020dzLzEucos,202第二式中的負號使Eu 為正。對于各向同性輻射場E=L由此，為了表征光在海水傳輸過程中海水吸收能量的大小，我們定義向下輻照度與向上輻照度之間強度的差別大小為純向下輻照度，其表達式為 200sincos),()()()(ddzLzEzEzEudnet 輻照度衰減系數K (或

5、稱K函數）表示為dzzdEzEzKuuu)()(1)(dzzdEzEzKddd)()(1)(5)標量輻照度(Scalar Irradiance)E0，空間一點接收到的各個方向的輻亮度之和，單位為W / m24400limLdLEi 相應的E0 也可以分為向下標量輻照度E0d和向上標量輻照度E0u。（6）球面輻照度Es單位面積的球面所接收到的輻射通量(W/m2)，可表示為04241EALdrEs式中r為球面曲率半徑;A為球表面面積。球面輻照度Es是一種測量標量輻照度E0的方法，若球面為郎白集光器，由球面輻照度Es可以推出標量輻照度E0(7)輻射能量密度w單位時間單位面積內光源輻射（接收器接收）的

6、各個方向的輻亮度之和，稱為能量密度，可表示為：式中 c 為光速cEdzLcddAdIcw/),(11044(二)固有光學性質（IOPs）固有光學性質(IOPs)與邊界條件無關，僅決定于海水本身物理性質和光學特性的海水光學性質稱為海水固有光學性質。重要的固有光學性質包括吸收系數(Absorption Coefficient)a，散射系數(Scattering Coefficient)b，體積散射函數(Volume Scattering Function VSF) () ，以及衰減系數(Beam AttenuationCoefficient)c。在某一波長，水體的吸收與散射系數等于各個組成成分的吸

7、收與散射之和。(1)吸收系數（Absorption Coefficient）海水的吸收主要包括三部分：水體本身的吸收，aw；粒子(Suspended Particles)的吸收ap；以及黃色物質有色可溶有機物(Gelbstoff or Colored DissolvedOrganic Matter-CDOM)的吸收c。ap 又可以進一步分為兩部分：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水體的吸收系數水體的吸收系數是一個重要的光學參數。下圖所示為測量的

8、三種吸收光譜。水體在藍綠波段的吸收較弱，但是當波長超過570nm 后，吸收迅速增大，在紅波段，吸收變得很明顯。浮游植物色素的吸收系數浮游植物色素吸收系數為海洋中光合作用的基礎。浮游植物細胞是可見光區(qū)域的強吸收物，因此對于確定水體的吸收特性起著重要的作用。下圖為浮游植物色素光譜吸收系數根據圖可以看出以下特征：1.該光譜有兩個典型的峰值，一個在440nm 附近，另一個在670nm 附近。670nm附近的峰值主要是葉綠素(Chlorophyll)a 的貢獻。440nm 左右的峰值是因為其它的輔助色素，例如葉綠素b，葉綠素c 以及類胡蘿卜素(Carotenoid)；2.對于特定的浮游植物種類，由于其它

9、的輔助色素對藍光波段吸收的貢獻，藍光波段的峰值與紅光波段的峰值的比值大約為3:1。3.在550-650nm 之間，吸收系數相對較小。最小值大約在600nm 附近，其數值約為440nm 吸收系數的10%-30%左右。浮游植物色素光譜吸收系數可以表示a ()( a a 0()+ a a 1()*ln(a (440)）* a (440)其中aa0 與aa1 是根據東中國?，F場測量的數據進行擬合得到的。因此給定 a (440) 的值，便可以得到 a ()的光譜取值。a (440)與葉綠素濃度存在如下經驗關系a (440)=0.06* chl a0.65 值得注意的是，實際使用過程中的葉綠素濃度通常是指

10、葉綠素a（浮游植物細胞內的主要色素）濃度與褐色素（pheophytin）濃度之和，更為精確的名稱應該是色素濃度（pigment concentration）。葉綠素濃度的變化范圍大致如下：對于最清澈的大洋水區(qū)域，大約為0.01mg/m3；對于沿岸上升流區(qū)域，大約為10mg/m3；對于富營養(yǎng)的（eutrophic）河口或者內陸湖水，大約為100mg/m3；大洋近表層的全球平均值大約在0.05mg/m3黃色物質的吸收系數黃色物質是一種強的藍光吸收體，其吸收系數隨波長的增加而呈指數衰減，可以表示為：ag()= ag(0)e-sg(- 0)其中0 是參考波長，通常選在440nm，ag(0) 是黃色物質

11、在參考波長的吸收系數。變化率sg 隨溶解物的不同而不同，其變化范圍大約在0.014-0.019nm-1。sg 的平均值為0.014nm-1。下圖所示為黃色物質的吸收系數碎屑的吸收系數與黃色物質類似，碎屑也是一種強的藍光吸收體，其吸收系數隨波長的增加而呈指數衰減，可以表示為：ad()= ad(440)e-sd(- 440)變化率sd 的變化范圍為0.0060.014nm-1，一般取0.011nm。碎屑的吸收系數如下圖浮游植物的吸收系數和碎屑的吸收系數統(tǒng)稱為粒子的吸收系數。從粒子的吸收系數中區(qū)分出活的浮游植物的吸收系數和死的碎屑的吸收系數并不是件容易的事?，F在用的比較多的方式是過濾板（filter

12、 pad）技術，即在用化學方法去除浮游植物色素之前和之后分別測量兩次。由于黃色物質與碎屑的吸收曲線類似，所以兩者可以進行合并，440nm 波段的平均變化率為0.014nm-1即：adg()= adg(440) e-sdg(- 440)（2）體積散射函數、散射系數與Phase function物質的散射特性決定于其體積散射函數() 它描述了光子被散射到某一特定角度的概率。散射系數b是所有方向的散射光子之和。Phase function 定義為體積散射函數與散射系數之比。體積散射函數體積散射函數為在方向單位散射體積，單位立體角內散射輻射強度與入射在散射體積上輻照度之比，即 ()dI()/Edv=d

13、/dw/Edv單位為m-1sr-1 純海水的體積散射函數w(,0)w(90,0)(0/ 0)4.32(1+o.835cos2)其中 w(90,0) 的數值見Morel 對純海水或者純水相關的理論和實驗觀測的綜述， 為散射角。公式與Rayleigh 散射的公式非常相似，但也存在以下兩點差別：1.波長的相關性是-4.32，而不是Rayleigh 散射的-4 。這是由于波長相關性與折射率有關；2.系數是0.835，而不是Rayleigh 散射的1。這是由于水分子的各向異性（anisotropy）引起的。值得注意的是，由于純水或者純海水的體積散射函數與Rayleigh 散射的相似性，海洋學家經常認為純

14、水或者純海水的散射就是Rayleigh 散射，根據上面的分析可以看出，嚴格說來這是不正確的。下圖為純海水的體積散射函數，可以看出散射在前向和后向基本對稱粒子的體積散射函數粒子的散射函數可以根據以下恒等式確定p(,)= (,)- w(,)其中下標p 代表粒子，下標w 代表純水或者純海水。這樣根據現場測量的總體積散射函數，減去純水或者純海水的體積散射系數就可以得到粒子的體積散射函數散射系數體積散射函數,()對4立體角積分便可得到總散射系數b。散射系數b可以分為兩部分：前向散射系數（Forward Scattering Coefficient）bf，和回向散射系數（Back Scattering C

15、oefficient）bb。其中bb是向上輻亮度的主要貢獻者。水體的回向散射可以分為兩部分：純海水的回向散射系數bbw，以及粒子(Suspended Particles)的回向散射系數bbp。；除了分子散射，其余全為粒子散射。純海水的回向散射系數對純海水的回向散射系數已經進行了許多理論與實驗研究,下圖所示為純海水回向散射光譜。粒子的回向散射系數海水中粒子的回向散射系數測量的較少，只在某些波段進行過測量,它可以表示為bbp()=(550/)*B*chla0.62其中B 為經驗常數，Gordon and Morel 取0.3，Lee et al.取0.3、1.0、5.0來模擬從大洋水到高渾濁度沿岸

16、水的變化。chl a為葉綠素濃度。(3)Phase functionPhase function 定義為體積散射函數與散射系數之比。純海水的phase function純水或者純海水的phase function 如下 w()=0.06225(1+0.835cos2 ) 粒子的Phase function到目前為止，在海洋光學界仍然沒有有效的測量粒子phase function 的商業(yè)化儀器，廣泛應用的phase function 是Petzold 在1972 年的測量數據，另外應用比較廣泛的形式有Henyey-Greenstein（HG） phase function及其各種變形，Fourn

17、ier-Forand（FF） phase function。（三）表觀光學性質（AOPs）由海洋中輻射場分布及海水固有光學性質所決定的海洋光學性質稱為海洋表觀光學性質。重要的表觀光學性質包括輻照度反射比(IrradianceReflectance)，R，遙感反射比(Remote Sensing Reflectance)，Rrs，漫射衰減系數(Diffuse Attenuation Coefficient)，K，以及分布函數(Distribution Function)，D(1)輻照度反射比輻照度反射比為向上與向下輻照度之比。即： R(z)=Eu(z)/Ed(z)(2)遙感反射比Rrs 是一個表

18、觀光學量，決定于水體的吸收系數、回向散射系數、海底反射率和水深，另外還受Raman 散射和熒光，以及水體二向性的影響。遙感反射比為向上輻亮度與向下輻照度之比Rrs(z, w,)=Lu(z, w,)/Ed(z)其中w為水中天頂角，為方位角。Rrs 的單位為sr-1。由于衛(wèi)星測量的是離水輻亮度(Water Leaving Radiance)，遙感反射比的一種重要形式為Rrs(a,)=Lu(0+, a,)/Ed(0)即恰好在水面以上的離水輻亮度與向下輻照度之比。其中 a為離水輻亮度在空氣中的天頂角，根據折射定律： sin(a ) n*sin(w)其中n為海水的折射率（3）漫射衰減系數漫射衰減系數可以

19、分為兩部分，分別為向上與向下漫射衰減系數；代表輻照度的自然對數隨深度的變化率，即：Kd=-dlnEd(z)/zKu=-dlnEu(z)/z由于z 向下為正，負號使得Kd 和Ku 為正。單位為m-1(4)分布函數與平均余弦向上與向下分布函數與平均余弦(Average Cosine)定義為：Dd(z)=1/d(z)=Eod(z)/Ed(z)Du(z)=1/u(z)=Eou(z)/Eu(z)它們表明了輻亮度分布的形狀。對于完全漫射的向上光場，Du=2.0 的；對于準直的向下光場，Dd=1.0。（四）表觀光學性質和固有光學 性質的關系通過建立下表面輻照度反射比或者遙感反射比與水體中各種組成成分的吸收或者回向散射系數的關系式，就可以通過現場觀測或者衛(wèi)星測量的數據反演得到水體的吸收系數和回向散射系數。也就是說建立起了表觀光學性質與固有光學性質的連接紐帶。（1）下表面輻照度反射比下表面輻照度反射比R(0-)=Eu(0-)/Ed(0-)向下輻照度主要來自于太陽光與天空光；而向上輻照度主要由以下幾部分組成：水中分子與粒子的彈性散射、海底反射(Bott