海洋輻射傳遞
正文
輻射在海洋中迭次受到散射和吸收所導致的海中輻射場的變化。海洋輻射傳遞理論用於定量地研究海洋水體中輻射能的傳遞問題，它是水中能見度、窄光束或漫發光體的輻射在水中傳輸、海面向上的光譜輻射、海洋光學測量等在套用方面的理論基礎，是海洋光學的核心理論問題。研究簡況 從20世紀40年代以來，有不少關於海洋輻射傳遞的實驗研究和理論研究：①實驗方面，主要是測量現場的輻射場分布。為了獲得理想條件下的實測數據，美國斯克里普斯海洋研究所在水體十分均勻的湖中，精確測量了水中不同深度的輻射場分布，得到較理想的結果。②理論方面，主要從海洋輻射傳遞方程出發，計算水中不同深度的輻射場分布。至60年代，已建立了較完整的理論模型，這種理論研究和實驗測量有比較一致的結果。在此基礎上，形成了較完整的海洋輻射傳遞理論和一套近似的數值計算方法。用它們分析海洋光學性質之間的關係，並導出了水中能見度理論的對比度傳輸方程。自70年代以來，隨著雷射與遙感、水中圖象傳輸等套用研究的開展，窄光束的輻射傳遞和海－氣系統的輻射傳遞，顯得尤為重要。由於海洋輻射問題的重要性和複雜性，它至今仍然處在不斷研究之中，不少理論和套用方面的問題，有待於人們去解決。 海洋輻射傳遞方程 按照海洋輻射傳遞的輻亮度模型(見圖)，光從水深為z0的M處沿路徑MN傳輸至水深為z的N處的光輻射,通過了距離為Δr的路徑時，在θ 方向受海水的散射而損失的能量，同海水的總散射係數b成正比;由於海水的吸收而損失的能量，同海水吸收係數α 成正比。路徑Δr周圍的輻射場，受到水體散射而轉換為θ方向的輻亮度增量,與海水的體積散射函式β和Δr周圍的輻亮度L成正比,用L*表示。所以，沿路徑Δr的輻亮度變化ΔL，等於沿Δr輻亮度的衰減［-(α+b)L·Δr］加上沿Δr 的輻亮度增量L*。當Δr→0時，即得輻射傳遞方程 式中μ=α+b為海水的線性衰減係數;L*是β和L的乘積沿空間4π立體角的積分。因此,輻射傳遞方程是一種微分積分方程，一般難以解析求解，求其數值解的運算量也很大，必須採用大容量的電子計算機。最有效的數值求解方法是蒙特卡羅方法。另一種有效的方法為分離坐標法，即將體積散射函式β按勒讓德多項式展開，使方程的求解轉化為N個易於求解的微分積分方程。
經典問題 已知海中各點的固有光學性質和其邊界的輻射場，求海中各處的輻射場。斯克里普斯海洋研究所在均勻水體中測得各深度的輻亮度分布,結果表明:到達一定深度以後,輻射場分布的形狀相同，為一橢球,它僅僅決定於海水固有的光學性質，而與表層輻射場沒有關係。橢球的離心率決定於線性衰減係數μ和總散射係數b。
逆問題 與經典問題相反，已知輻射場在海中的分布，求解海水的固有光學性質。其方法是將輻射場分布L和體積散射函式β表示成勒讓德函式序列,代入輻射傳遞方程後，求解β和μ。這為遙感探測海洋表層光學參數奠定了理論基礎，是光學遙感測定海中懸浮物質和溶解物質的重要依據。
窄光束的輻射傳遞 由於雷射的發展和雷射雷達、雷射水下－空中通訊等在海洋中的套用，已對高方向性窄光束的海洋輻射傳遞問題進行了不少研究，為雷射雷達由光束在海洋中往返傳播的計算,提供了理論依據,又為確定海水的光學傳遞函式奠定基礎。當高方向性的光束通過海水時，受到散射而使方向的特徵模糊化，如同尖脈衝的信號通過電信系統後脈寬擴展那樣。這種展寬信號稱為系統的脈衝回響，其傅立葉變換函式稱為系統的傳遞函式。因為光束通過海水介質的過程，和信號通過電訊系統的過程相類似，所以引入海水光學傳遞函式這一重要的概念，從通信系統的理論中獲得研究海洋輻射傳遞的重要方法。這樣一來，水中圖象的傳輸理論即可歸結為海水光學傳遞函式問題。因海水散射而導致水中圖象模糊的現象，即對應于海水光學傳遞函式所導出的信息量損失。
海－氣系統的輻射傳遞 空間遙感所接收到的海洋向上光譜輻射,必然受到大氣的作用和影響。因此海-氣系統的輻射傳遞問題，在70年代後已成為海洋光學的重要研究內容。典型的海-氣系統的輻射傳遞模型是,將空間遙感感測器所接收到的輻射，看作 3種來源的輻射的疊加：①大氣散射光，②海面反射光，③海洋水體的向上輻射。因為後者是海洋遙感所關心的信息，所以必須從感測器接收到的信號中消除大氣散射光和海面反射光的影響，這稱為大氣校正。一種有效的方法是利用感測器接收到的多光譜信號代入光譜輻射傳遞方程，解方程求出海洋水體向上的輻射。如果選取不同的海水體積散射函式β(θ，λ)的模型，用蒙特卡羅方法可建立海洋水體向上的輻射和β(θ，λ)之間的關係。因此可由海洋水體的向上光譜輻射，估算出海洋水體懸浮物和溶解物的含量。這種方法已成功地用來處理“雨雲-7”號衛星的海岸帶海色掃瞄器(CZCS)的多光譜信息。
參考書目
R.W.Preisenderfer， Hydrologic Optics，U.S.Department of Commerce NOAA，1976.
N.G.Jerlov,ed.，OpticalAspects of Oceanogra-phy，Academic Press，New York，1974.
