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基于矢量辐射传输理论,利用矩阵算法研究了海洋-大气耦合系统中,海雾气溶胶对太阳光的偏振散射特性。整个大气层垂直方向分为若干平面平行层,考虑了大气分子、云层以及气溶胶的垂直分布;海洋表面按照风驱随机粗糙海面进行了分析,考虑了海洋波斜率分布和遮蔽效应;海洋体也由若干平面平行层构成,考虑了海水以及叶绿素的吸收和散射影响。大气和海洋体每层的反射矩阵和透射矩阵以及源函数由离散坐标方法计算,整个海-气系统的散射特性由矩阵方法通过耦合层与层之间相互辐射得到。研究了整个海-气系统反射的太阳辐射以及偏振度对太阳光的波长、入射天顶角、观测角度、海洋表面风速、云和气溶胶的光学厚度,以及气体吸收等的敏感性。计算结果表明,多波长多角度偏振度信息随海洋表面和大气环境变化敏感,可以结合辐射强度和偏振度对海洋背景下气溶胶特性进行遥感反演。
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53, 040101(2016)
激光与光电子学进展
Laser & Optoelectronics Progress
©2016《中国激光》杂志社
040101-1
海洋背景下气溶胶的偏振光散射特性研究
孙贤明 王海华 申 晋 万 隆
山东理工大学电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049
摘要 基于矢量辐射传输理论,利用矩阵算法研究了海洋-大气耦合系统中,海雾气溶胶对太阳光的偏振散射特性。
整个大气层垂直方向分为若干平面平行层,考虑了大气分子、云层以及气溶胶的垂直分布;海洋表面按照风驱随机粗
糙海面进行了分析,考虑了海洋波斜率分布和遮蔽效应;海洋体也由若干平面平行层构成,考虑了海水以及叶绿素的
吸收和散射影响。大气和海洋体每层的反射矩阵和透射矩阵以及源函数由离散坐标方法计算,整个海-气系统的散
射特性由 矩阵方法通过耦 合层与层之间 相互辐射得到 。 研究了整个海 -气系 统 反射的太阳辐 射以及偏振度 对太阳
光的波长 、入射 天顶角、观测角 度、海 洋表面风速、云和 气溶胶的光 学厚度,以及气体 吸收等的敏 感 性。计算结 果表
明,多波长多角度偏振度信息随海洋表面和大气环境变化敏感,可以结合辐射强度和偏振度对海洋背景下气溶胶特
性进行遥感反演。
关键词 海洋光学; 矢量辐射传输; 偏振; 海洋气溶胶; 粗糙海面
中图分类号 TP701 文献标识码 A
doi: 10.3788/LOP53.040101
Study on Polarized Light Scattering by Aerosol over Ocean
Sun Xianming Wang Haihua Shen Jin Wan Long
School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo, Shandong 255049, China
Abstract Based on the radiative transfer theory, the polarized light scattering characteristics of sea spray in an
atmosphere-ocean system by sunlight is studied based on the matrix operator method. The whole atmosphere layer
is divided into many sub-layers in the vertical direction, and the vertical distributions of the atmosphere molecular,
clouds and aerosol are considered. The ocean surface is dealt as the wind-generated rough ocean surface, and the
wave slope distribution and the shadowing effect of the ocean wave are considered. The ocean body is divided into
many plane parallel sub-layers, and the absorption and scattering characteristics of sea water and the chlorophyll
are considered by an empirical model. The reflection and transmission matrices and source vectors are obtained for
each atmospheric or oceanic layer though the discrete ordinate solution. The scattering characteristics of the whole
atmosphere- ocean system are constructed using the matrix operated method, which combines the radiative
interaction between the layers. The sensitivity studies for the reflected solar radiation by the whole atmosphere-ocean
system are conducted for various solar wavelength, incidence solar zenith angle, observation angle, ocean-surface
wind speed, the optical thickness of the clouds and aerosols, and the absorption of the gas. The simulation results
show that the multi- wavelength and multi- angular polarization information are sensitive to the varies of the
atmosphere and ocean surface conditions. The reflected solar radiative intensity and the polarization degree can be
combined to retrieve the aerosol information.
Key words oceanic optics; vector radiative transfer; polarization; ocean aerosol; rough ocean surface
OCIS codes 010.5620; 010.1310; 010.4458
1 引 言
地球 的气 候依赖于太阳、地球大 气和 地球表面之间的辐射收支平衡 ,无论 是太 阳辐射还是地球大气的
长期变化,都会引起全球气候的变化,从而影响 局部天气和人类 的生活
[1-6]
。气溶胶作为影 响气候的一个重
要因子,其气候效应主要表现在两个方面:1)通过吸收、散射、辐射太阳和地球长波辐射的直接气候效应;2)
收稿日期: 2015-09-29; 收到修改稿日期: 2015-11-10; 网络出版日期: 2016-03-28
基金项目: 国家自然科学基金(61205191)、山东省自然科学基金(ZR2013FL023)
作者简介: 孙贤明(1979—),博士,副教授,主要从事大气辐射传输方面的研究。E-mail: xmsunsdut@163.com
53, 040101(2016)
激光与光电子学进展
www.opticsjournal.net
040101-
通过影响云辐射性质和调节降雨的间接气候效应。研究表明,一个世纪以来地球温度升高了
0.7 ℃
,气溶胶
对气 候的 影响 被认 为可 以与 温室 气体 相比 ,但是 对于 气溶胶的定量研究仍然不足,并且被认为是影响气候
变化最不确定的因素
[7-8]
。占地球总面积 70%的海洋是自然气溶胶的主要来源之一,每年由海洋产生的海盐
气溶胶总量约为 10
15
∼ 10
16
g ,这些气溶胶再经过季风输运到整个地球大气中,因此对海盐气溶胶的产生、输
运、清除过程的精确监测具有重要的意义。
由于 气溶 胶时空变化的不确定性,所以需 要对 其进 行全球长期精确的监测,从而掌 握其 直接 和间接的
气候 效应 ,显然 利用 卫星 进行 监测 是最 有效 的方 法。 已有的研究发现,仅监测辐射强度很难获得气溶胶特
性(如光学厚度、尺寸分布、折射率、化学构成等)的唯一解,而利用光的偏振信息可以较好地解决解的唯一性
问题,但利用反射光的偏振信息进行遥感时必须保证很高的精度,在进行海洋气溶胶的遥感监测时,作为下
垫面的海面会对入射光的偏振性产生改变。国际上研究者发展了多种考虑多次散射的大气辐射传输算法,
这些算法既可以计算光的散射强度又可以计算光的偏振特性,主要包括不变嵌入法、逐次散射法、蒙特卡罗
方法、累加法以及矩阵法。其中一些算法已经应用于大气-海洋系统中,如蒙特卡罗方法应用于研究平静海
面折射率对光偏振态的影响
[9]
,累加法应用于研究风驱海面的偏振反射率等
[10]
,逐次散射方法应用于水色遥
感反演等
[11]
。矩阵算法 也广泛应用 于大气 辐射传输研 究,标 量矩阵 算法是基于 Nakajima– Tanaka 公式 给
出
[12]
,其利用矩阵算法将每一个平面平行层的离散纵标解进行耦合,从而得到整个多层系统的辐射场。Ota
等
[13]
将标量矩阵算法进行了拓展,得到了矢量矩阵算法,并将其应用于大气海洋的耦合辐射研究中。本文利
用此方法,将大气、海洋表面以及海洋体对太阳光的散射进行耦合,从而得到了整个大气层顶的偏振反射函
数,分析了反射函数对观测波长、观测几何、海面以及海洋体特性、气溶胶和云层微物理以及光学特性等的
敏感性,从而为遥感反演海洋气溶胶微物理特性提供理论支持。
2 大气-海洋辐射传输模式
采用大气-海洋辐射传输模式分为大气、海洋表面和海洋体三部分,其中大气和海洋体分为若干平面平
行的各向同性层,其中大气层分为 50 层,分别考虑了大气分子散射、吸收、云层以及海雾气溶胶的垂直分布,
海洋体主要考虑海水和叶绿素的吸收和散射,对于海洋表面,采用了风驱随机粗糙海面模型进行模拟。
大气模式根据 LOWTRAN7 分为热带、中纬度夏季、中纬度冬季、亚北极夏季、亚北极冬季以及美国标准
大 气 共 6 种 ,主 要 给 出 了 压 力 、温 度 、水 汽 (H
2
O)、二 氧 化 碳 (CO
2
)、臭 氧 (O
3
)、一 氧 化 二 氮 (N
2
O)、一 氧 化 碳
(CO)、甲烷(CH
4
)以及氧气(O
2
)的垂直廓线,同时还考虑各种微量气体的垂直廓线。
对于大气分子主要考虑其散射和吸收,其中大气分子吸收根据逐线辐射传输模式的相关 K 分布方法得
到,大气分子的散射由瑞利散射给出,其散射光学厚度为
[14]
τ = 0.008569λ
-4
( )
1 + 0.0113λ
-2
+ 0.00013λ
-4
æ
è
ç
ö
ø
÷
P
P
0
, (1)
式中
λ
为光波长,单位为
μm
,
P
为分子层所在高度的大气压,单位为 Pa,
P
0
为标准大气压。大气分子的单
次散射相矩阵为
[14]
P
( )
α =
é
ë
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ù
û
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
3
4
( )
1 + cos
2
α -
3
4
sin
2
α 0 0
-
3
4
sin
2
α
3
4
( )
1 + cos
2
α 0 0
0 0
3
2
cos α 0
0 0 0 Δ′
3
2
cos α
+
( )
1 - Δ
é
ë
ê
ê
ê
ê
ù
û
ú
ú
ú
ú
1 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
, (2)
式 中 Δ =
1 - δ
1 + δ/2
,Δ′ =
1 - 2δ
1 - δ
,
δ
为 去 偏 振 因 子 ,对 于 不 同 的 气 体 分 子 ,
δ
值 不 同 ,通 常 对 于 空 气 分 子
δ ≈ 0.03
。
对于海雾气溶胶粒子,假设其为球形粒子,其散射特性由 Mie 理论给出,海雾气溶胶粒子的尺寸分布假
设为对数正态分布,即
2
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