周 茜,李 霞,陳奇祥,袁 遠(yuǎn),劉興潤(rùn),王曉航

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,航空航天熱物理研究所,哈爾濱 150006;2.北京環(huán)境特性研究所,北京 100143)

高精度海洋場(chǎng)景紅外仿真需對(duì)光譜輻射信號(hào)在復(fù)雜海洋環(huán)境中的傳輸過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確解析。就宏觀結(jié)構(gòu)而言,海洋環(huán)境由大氣層、近海面層以及海洋水體層3部分組成。其中,大氣層和海洋水體層的幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,其輻射傳輸作用僅由該層介質(zhì)自身的種類、質(zhì)量濃度等因素決定;而近海面層處在大氣層與海洋水體層之間,一方面,其結(jié)構(gòu)、成分、物性等因素受到上下兩層介質(zhì)的直接影響而劇烈變化,空間結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜,另一方面,在輻射傳輸過(guò)程中,該層介質(zhì)又在中間起到“承上啟下”作用,對(duì)大氣輻射及水體的反射輻射信號(hào)均有較強(qiáng)的參與作用(包括自身發(fā)射、散射、吸收等)。因此,對(duì)由大氣層及水體層作用下的海面層介質(zhì)輻射傳輸過(guò)程展開研究,即是對(duì)“氣-面-體”的耦合輻射作用展開研究,便成為了復(fù)雜海洋環(huán)境中紅外輻射信號(hào)傳輸過(guò)程仿真研究的核心環(huán)節(jié)。

海況等級(jí)與近海面層結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度直接相關(guān)。粗糙海面出現(xiàn)于海況小于3級(jí)(浪高小于1.25 m)時(shí),其光學(xué)特性主要由小尺度海水平面發(fā)射、反射、折射作用決定。當(dāng)海況大于3級(jí)(浪高大于1.25 m)時(shí),海浪開始發(fā)生破碎并產(chǎn)生白冠。就演化時(shí)間而言,海面白冠可以分為A和B兩個(gè)階段,A階段是位于海浪破碎位置的破碎波,由活躍的碎波和被拖拽的空氣組合而成,就光學(xué)特性研究而言,破碎波光學(xué)特性可以看作海上飛沫、海面泡沫、粗糙海面以及含氣泡淺層水體組成的多尺度三維結(jié)構(gòu)體的輻射傳輸問(wèn)題。B階段是衰變過(guò)程,稱為靜態(tài)泡沫,發(fā)生在A階段之后,存在于除破碎波以外海面任意位置,具有條狀結(jié)構(gòu)和指數(shù)衰減特征,在光學(xué)特性研究中,靜態(tài)泡沫可以看作直接覆蓋于粗糙海面靜態(tài)泡沫結(jié)構(gòu)。由于特定海域的海面上靜態(tài)泡沫和破碎波僅出現(xiàn)在滿足海浪破碎發(fā)生條件的位置,在海面光學(xué)特性研究中,除了探究海況等級(jí)與粗糙海面對(duì)輻射傳輸信號(hào)的折反射作用之間的變化規(guī)律,還須理清含破碎波海面多尺度光學(xué)特性。

目前,海面層介質(zhì)輻射傳輸特性的研究工作大多數(shù)還停留在單組分的階段。粗糙海面的輻射傳輸特性由海水的散射特性以及海面的鏡面反射特性決定,例如,水色遙感應(yīng)用中,海面的光學(xué)特性主要由純海水以及海水中雜質(zhì)散射吸收特性決定[1]。早期的白冠光學(xué)散射特性都是基于觀測(cè)數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)單的線性模型獲取,Frouin等[2]通過(guò)接收海面白冠不同角度下的散射輻射,計(jì)算海面的雙向反射分布函數(shù)(FBRD,bidirectional reflectance distribution function),利用3種不同方法推導(dǎo)出海面泡沫層的光譜反射率。在模擬方面的研究則將泡沫層等效為覆蓋在海面上的一層或多層大小均勻的空心粒子層,進(jìn)而在泡沫的等效模型上提出一系列發(fā)射率和散射特性計(jì)算模型。Guo等[3]將泡沫看作是包裹薄海水涂層的高密度黏性氣泡,并采用中等尺寸包覆顆粒密集分布的介質(zhì)模型對(duì)泡沫層進(jìn)行描述,基于電磁散射理論建立電磁散射模型?？紤]到獨(dú)立散射理論對(duì)稠密泡沫層不成立,利用稠密介質(zhì)輻射傳輸(DMRT)理論和準(zhǔn)晶近似(QCA)理論計(jì)算了稠密分布的中等尺寸黏性粒子的表面亮度和溫度,研究了泡沫覆蓋海面對(duì)被動(dòng)微波遙感測(cè)量的影響。Camps等[4]利用文獻(xiàn)[3]中的近海面幾何結(jié)構(gòu),以測(cè)量泡沫發(fā)射率作為鹽度、泡沫厚度、入射角和極化的函數(shù),通過(guò)海面控制實(shí)驗(yàn)給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并與以實(shí)測(cè)泡沫參數(shù)作為模型輸入?yún)?shù)的雙層泡沫發(fā)射模型進(jìn)行比較,證明該發(fā)射率模型的正確性。馬蘭新[5]考慮了更精細(xì)的泡沫層幾何結(jié)構(gòu),將泡沫層劃分為3層,泡沫層空隙率由上到下逐層遞減,分析了泡沫層幾何參數(shù)和風(fēng)速對(duì)覆蓋泡沫層的粗糙海面的雙向反射分布函數(shù)和光譜反射率,但該研究中并未考慮風(fēng)速對(duì)泡沫層厚度和結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)于水體中氣泡,目前也有學(xué)者進(jìn)行了研究。Zhang[6]發(fā)現(xiàn)氣泡數(shù)密度與風(fēng)速呈冪律關(guān)系,且隨深度呈指數(shù)衰減,并給出了氣泡數(shù)密度隨風(fēng)速以及深度變化的關(guān)系式。Al-Lashi等[7]利用光學(xué)成像方式觀察水中氣泡的變化過(guò)程,并利用相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法給出每個(gè)時(shí)間段氣泡群的數(shù)密度和空隙率。Ma等[8]采用蒙特卡羅方法研究了上層海洋氣泡層的光譜反射率和雙向反射率特征,分析了氣泡涂層、葉綠素質(zhì)量濃度(ρChl,chlorophyll concentration)和氣泡數(shù)密度對(duì)氣泡層光譜反射率的影響,以及氣泡層在正入射和斜入射情況下雙向反射率分布函數(shù)的變化。發(fā)現(xiàn)在高風(fēng)速條件下,清澈水域的氣泡數(shù)量顯著影響氣泡層的反射特性。Yang等[9]使用平均抽樣方法將應(yīng)用于生物光學(xué)領(lǐng)域CUDAMCML程序擴(kuò)展為CUDAMCML-ocean程序,用來(lái)仿真含有彩色溶解有機(jī)物(CDOM)和氣泡等元素的多種顆粒海水中的輻射傳輸,并計(jì)算了不同風(fēng)速和葉綠素質(zhì)量濃度下,含氣泡群水體的光譜反射率和透射率。Monahan[10]提出以A和B兩個(gè)階段來(lái)分類白冠的視覺特征,A階段的特征是海浪在波峰處發(fā)生破碎形成白冠,而B階段的特征是泡沫群穩(wěn)定持續(xù)存在。Reul等[11]為覆蓋泡沫的海面開發(fā)了一個(gè)動(dòng)力學(xué)模型,作為風(fēng)速的函數(shù),其是一定尺度下泡沫層持續(xù)時(shí)間和破斷前沿總長(zhǎng)度分布的綜合函數(shù),該模型可以分別計(jì)算不同風(fēng)速條件下靜態(tài)泡沫和波峰泡沫的厚度以及海面覆蓋率。Li等[12]在上述動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上首次對(duì)海面覆蓋的泡沫進(jìn)行了區(qū)分,并對(duì)海面的電磁散射特性進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明,與包含任意一種泡沫的海面計(jì)算結(jié)果相比,同時(shí)包含兩種泡沫的海面電磁散射特性計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)測(cè)量結(jié)果。

對(duì)于多尺度海面結(jié)構(gòu)體的輻射傳輸建模問(wèn)題,Chowdhary等[13-14]介紹了4種常用大氣-海洋輻射傳輸模型,主要解決了包含大氣、粗糙海面以及含藻類水體的系統(tǒng)輻射傳輸問(wèn)題,部分模型也將海面泡沫的影響考慮到輻射傳輸過(guò)程中,但都將泡沫層假設(shè)為朗伯體,與泡沫的實(shí)際散射特性嚴(yán)重不符。

基于上述問(wèn)題,不同于三維場(chǎng)景輻射傳輸與輻射特性一體化建模方法,針對(duì)海面泡沫和破碎波樣本重復(fù)出現(xiàn)的特點(diǎn),提出了一種“先拆后建”的研究思路(如圖1所示)。首先將含泡沫和破碎波多尺度海面抽象為粗糙海面、海面泡沫、破碎波的組合,進(jìn)而拆解出“粗糙海面”、“粗糙海面+泡沫”、“含破碎波粗糙海面”3類典型多尺度海面結(jié)構(gòu)體,分別開展多尺度耦合輻射、散射特性建模研究,構(gòu)建3類多尺度海面結(jié)構(gòu)體輻射散射方向-光譜特性計(jì)算模型;在此基礎(chǔ)上,對(duì)于大范圍海面輻射/散射特性問(wèn)題,通過(guò)海面柵格化、海面結(jié)構(gòu)體匹配、方向-光譜特性重構(gòu)渲染等方法,由3類典型多尺度海面結(jié)構(gòu)體方向-光譜特性組合重構(gòu)大范圍海面輻射散射特性算法,最終構(gòu)建完成多尺度海面“體-氣-面”耦合輻射/散射特性計(jì)算方法。

在該研究思路中,構(gòu)建多尺度海面結(jié)構(gòu)體的輻射傳輸模型,耦合近海面層各組成部分對(duì)光譜傳輸信號(hào)的作用,探究典型多尺度海面結(jié)構(gòu)體光譜輻射傳輸特性與海況因素的關(guān)系是一切研究工作的前提。

為了獲取準(zhǔn)確的海面典型結(jié)構(gòu)體在可見-近紅外波段的輻射傳輸特性,在已有大氣-海洋輻射傳輸模型的基礎(chǔ)上增加了海面泡沫層和海水氣泡層兩個(gè)模塊。在海洋水體方面,除了考慮水體及雜質(zhì)的散射特性外,還加入了對(duì)氣泡散射問(wèn)題的分析。在海面結(jié)構(gòu)方面,不再將泡沫假設(shè)為朗伯體,而是采用泡沫自身的吸收散射特性來(lái)參與輻射傳輸計(jì)算。此外,區(qū)分了波峰泡沫和靜態(tài)泡沫的不同。為了確定典型結(jié)構(gòu)體的影響因素,本次模型中使用光滑平面代替粗糙海面。圍繞多尺度海面結(jié)構(gòu)體輻射傳輸模型開展以下工作:根據(jù)風(fēng)速參數(shù)化對(duì)應(yīng)的海面結(jié)構(gòu)體,計(jì)算體元中各種組分的光學(xué)特性參數(shù),基于蒙特卡洛法對(duì)結(jié)構(gòu)體中的輻射傳輸過(guò)程進(jìn)行仿真模擬,從而量化不同風(fēng)速對(duì)多尺度海面結(jié)構(gòu)體輻射傳輸?shù)挠绊憽?/p>

1 方法與計(jì)算

1.1 多尺度海面結(jié)構(gòu)體幾何參數(shù)化

泡沫浮于海面上,由不同厚度水膜包裹的氣泡堆積而成。本文討論的與風(fēng)速相關(guān)的泡沫層幾何參數(shù)主要包括泡沫層的厚度結(jié)構(gòu)、泡沫層空隙率分布。

Reul結(jié)合海面動(dòng)力學(xué)模型及相關(guān)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù),將波峰泡沫和靜態(tài)泡沫的平均厚度分布表示為[11]

(1)

(2)

基于實(shí)驗(yàn)觀察,頂部泡沫層的氣泡幾乎是空隙率大于90%的干泡。在海洋泡沫底層,氣泡層空隙率較低,極限值近似為零。Liu等[15]從Aquarius數(shù)據(jù)擬合出頂部泡沫層空隙率fa與風(fēng)速的關(guān)系,如圖2所示。其中,泡沫層空隙率fa為表征海面泡沫層結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參量,定義如下:

圖2 波峰泡沫、靜態(tài)泡沫厚度以及頂層泡沫空隙率隨風(fēng)速的變化Fig.2 Thickness of crest foam, static foam and void fraction of top foam vs wind speed

(3)

式中:r和r0表示雙層球氣泡的外徑和內(nèi)徑,fb為雙層球泡沫粒子孔隙率,Ntotal為泡沫數(shù)量。

根據(jù)上述海面泡沫層結(jié)構(gòu)的描述,將泡沫層簡(jiǎn)化為厚度分布均勻的3層平行平板結(jié)構(gòu)模型,其剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示。雙層球形氣泡緊密堆積形成單層泡沫,泡沫粒子孔隙率相同,且粒徑分布為對(duì)數(shù)正態(tài)分布:

圖3 海面泡沫層剖面結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Profile structure of foam layer

(4)

海浪破碎后會(huì)在淺層水體中形成一個(gè)水平方向上均勻的氣泡層,研究表明,海水中氣泡層能夠穩(wěn)定存在的氣泡粒徑范圍為10～150 μm。在氣泡層的研究方面,有學(xué)者基于觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了Hall-Novarini氣泡粒徑分布模型[16],并基于該模型推導(dǎo)出了氣泡的粒子數(shù)密度與風(fēng)速和深度關(guān)系表達(dá)式。研究發(fā)現(xiàn)氣泡數(shù)密度N(z)與風(fēng)速v10符合第四冪律,隨深度呈指數(shù)衰減:

N(z)=N0exp(-z/z0)

(5)

根據(jù)Hall-Novarini氣泡粒徑分布模型和氣泡數(shù)密度的四次冪律關(guān)系式對(duì)淺層水體進(jìn)行幾何建模,如圖4所示。在風(fēng)速一定的情況下,氣泡數(shù)密度主要與深度有關(guān),因此,對(duì)氣泡層進(jìn)行分層處理,在豎直方向上將氣泡層劃分成若干層,層數(shù)取決于初始風(fēng)速,每一層的氣泡數(shù)密度遵從第四冪律公式。在水平方向上,使用隨機(jī)分布模型,給定氣泡粒徑范圍,但不同粒徑的氣泡位置隨機(jī)分布在每一層。采用等效介質(zhì)理論將氣泡層簡(jiǎn)化為球形顆粒隨機(jī)分布在海水中。

圖4 含氣泡水體剖面結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Profile structure of bubble layer

基于Hall-Novarini氣泡粒徑分布模型,氣泡的粒子數(shù)密度分布函數(shù)表達(dá)式(ρbub,m-3/μm)可以寫成:

(6)

(7)

(8)

式中:z和r分別表示水下深度和氣泡半徑,單位為m和μm;rmin和rmax分別表示氣泡最小和最大半徑;rref=54.4+1.984×10-6z,表示隨高度變化的參考半徑;v10為海拔10 m處的風(fēng)速,單位為m/s。因此,不同海水深度的氣泡數(shù)密度Nbub(m-3)可以表示為

(9)

(10)

其中,z1i和z2i分別表示第i層的上限和下限。

1.2 多尺度海面結(jié)構(gòu)體組分光學(xué)特性計(jì)算

含破碎波粗糙海面結(jié)構(gòu)體的散射特性由泡沫層、氣泡群以及海水的光學(xué)特性共同決定,因此,需要分別對(duì)上述3種介質(zhì)的光學(xué)特性進(jìn)行研究。

海面泡沫層是由粒徑為50 μm～1 cm的空心球粒子堆積而成,因此,在可見-近紅外波段需要采用幾何光學(xué)的方法求解單個(gè)空心球粒子的吸收散射效率因子。對(duì)于具有弱吸收性的大尺度粒子,可以忽略粒子之間的相互影響[5],采用獨(dú)立散射理論,結(jié)合2.1給出的泡沫層幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泡沫層的吸收散射特性進(jìn)行計(jì)算。

(11)

(12)

(13)

在紅外波段,海水具有強(qiáng)吸收性,因此,淺層水體中氣泡的輻射特性計(jì)算可以利用吸收性介質(zhì)中的粒子Mie散射理論進(jìn)行計(jì)算。

基于廣義Mie散射理論計(jì)算了氣泡層的散射特性,氣泡層的光譜散射系數(shù)σsλ,bub(z)和不對(duì)稱因子gλ,bub可以分別表示為

(14)

(15)

式中:Qsca,bub(r,λ)和gpλ,bub表示單個(gè)氣泡的散射效率因子和相應(yīng)的散射相函數(shù)。與天然海水相比,氣泡(空氣)的吸收系數(shù)可以忽略不計(jì)。

水體固有光學(xué)特性(IOP)也影響著淺層海水的輻射特性,包括總光譜吸收系數(shù)和總光譜散射系數(shù)。葉綠素質(zhì)量濃度(chlorophyll concentration,ρChl)與有色溶解有機(jī)物和浮游生物之間存在相關(guān)關(guān)系,因此,可用葉綠素質(zhì)量濃度表征海水的渾濁度。

海水總光譜吸收系數(shù)aλ,t可以表征為每種組分吸收系數(shù)之和,即

aλ,t=aλ,w+aλ,ph+aλ,CDOM

(16)

其中,采用Krik的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算純海水吸收系數(shù)aλ,w。浮游植物的吸收系數(shù)aλ,ph近似等于葉綠素質(zhì)量濃度與浮游植物比吸收系數(shù)(aph,m2/mg)的乘積。有色溶解有機(jī)物的吸收系數(shù)aλ,CDOM與波長(zhǎng)的關(guān)系可以采用如下經(jīng)驗(yàn)公式描述[17]:

exp[-0.014(λ-440)]

(17)

其中aλ,w(440)為純水在440 nm處的吸收系數(shù)。

由于有色溶解有機(jī)物的散射系數(shù)很小,海水總光譜散射系數(shù)σsλ,t近似等于純海水散射系數(shù)與浮游植物散射系數(shù)σsλ,ph之和[18],即

(18)

(19)

1.3 輻射傳輸模型

考慮到海面面元的劃分尺寸較小,為了更準(zhǔn)確地考察風(fēng)速對(duì)破碎浪的影響,本次計(jì)算忽略粗糙海面對(duì)結(jié)構(gòu)體光譜散射特性的影響,假設(shè)結(jié)構(gòu)體是含折反射界面的半無(wú)限大多層平行平板介質(zhì),如圖5所示。在輻射傳輸計(jì)算中可以根據(jù)破碎浪種類,結(jié)合1.2節(jié)給出的海面各組分的光學(xué)特性對(duì)平行平板介質(zhì)各層的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖5 典型結(jié)構(gòu)體中輻射傳輸過(guò)程示意Fig.5 Schematic diagram of radiation transfer process for featured multi-scale voxels

光子按照設(shè)定角度(θ,φ=0)入射到結(jié)構(gòu)體上表面的固定位置p0,即為光子的初設(shè)位置。被介質(zhì)散射的光子會(huì)按照散射方向行進(jìn)一段路徑長(zhǎng)度。路徑長(zhǎng)度l由0～1的隨機(jī)數(shù)ξ計(jì)算得到,即

l=-lnξ/βλ,t

(20)

其中,βλ,t為每層介質(zhì)的總衰減系數(shù)。 由于每層介質(zhì)的總衰減系數(shù)都不同,需通過(guò)隨機(jī)數(shù)ξ計(jì)算多層介質(zhì)的光學(xué)厚度取值區(qū)間再確定光子行進(jìn)的路徑長(zhǎng)度l。根據(jù)光子散射方向和路徑長(zhǎng)度,可以確定運(yùn)動(dòng)后光子在介質(zhì)中的位置ptemp。若線段p0ptemp與海面沒(méi)有交點(diǎn),ptemp即為光子此次運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)p,并根據(jù)光子所在介質(zhì)層確定光子與介質(zhì)的相互作用。否則,需要先計(jì)算線段與海面的交點(diǎn)以及光子與海面相互作用后光子的出射方向,作為該光子的終點(diǎn)p和下一次傳輸方向。

確定光子所在位置后,光子所在介質(zhì)的輻射物性也隨之確定。此時(shí)光子有一定概率被介質(zhì)散射,該概率由總散射系數(shù)和總衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,即

(21)

式中ω代表光子所在介質(zhì)層的反照比。給出一個(gè)隨機(jī)數(shù)ξω,若ξω>ω,則光子被吸收;反之,光子將發(fā)生散射。

對(duì)于泡沫層,由于不考慮近海面氣溶膠的影響,可認(rèn)為泡沫層存在于非吸收性介質(zhì)-空氣中,光子被散射后將依據(jù)散射相函數(shù)gfoam發(fā)生散射,散射方向由H-G相函數(shù)[20]決定,給出隨機(jī)數(shù)ξfoam1和ξfoam2,則散射天頂角和方位角可由下式計(jì)算:

(22)

φ=2πξfoam2

(23)

定義兩個(gè)變量η1和η2,對(duì)于散射成分較為復(fù)雜的淺層水體,根據(jù)隨機(jī)數(shù)ξwater與η1和η2的大小關(guān)系,確定散射光子的組分(氣泡、浮游植物或純海水)。

(24)

(25)

當(dāng)ξwater>η2時(shí),光子被純海水散射;當(dāng)ξwater<η1時(shí),光子被氣泡散射;否則,光子被浮游植物散射。確定散射主體后,同樣依據(jù)非對(duì)稱因子和H-G相函數(shù)確定散射天頂角和方位角。

圖6展示了入射光、結(jié)構(gòu)體和探測(cè)器的幾何位置關(guān)系。光子經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)體各層介質(zhì)的吸收和散射后,統(tǒng)計(jì)從海面出射的光子方位和數(shù)量。

圖6 典型結(jié)構(gòu)體上表面FBRD探測(cè)示意Fig.6 Schematic diagram of FBRD detection method for the upper surface of featured multi-scale voxels

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,微元面的雙向反射分布函數(shù)計(jì)算如下:

(26)

式中:θi和φi為投射輻射的天頂角和方位角,θr和φr分別為觀測(cè)天頂角和方位角,dΩi為入射輻射立體角,Ωr為反射輻射的探測(cè)立體角,Iλ,i(θi,φi)和Iλ,r(θr,φr)分別為入射輻射和反射輻射的輻射強(qiáng)度,M0為微元輻射傳輸仿真過(guò)程中入射到海面上的光子總數(shù),Mr(Ωr)為海水表面上半球空間探測(cè)器在立體角Ωr內(nèi)接收到的光子數(shù)。

2 典型結(jié)構(gòu)體FBRD計(jì)算及分析

2.1 海面泡沫層與氣泡層光學(xué)特性

圖7 0.3～2.0 μm波段內(nèi)海面泡沫層的光學(xué)特性參數(shù)Fig.7 Optical properties of foam layer within 0.3-2.0 μm

圖8(a)、(b)給出了0.3～2.0 μm波段內(nèi)風(fēng)速v10=10 m/s時(shí)在深度方向按照1 m間隔劃分的每個(gè)子氣泡層的光譜散射系數(shù)和不對(duì)稱因子。在0.3～2.0 μm波段內(nèi),散射系數(shù)隨著深度的增加而減小,第3層氣泡的散射系數(shù)基本接近0,而不對(duì)稱因子基本沒(méi)有明顯變化。在波長(zhǎng)λ=1.8 μm時(shí)散射和不對(duì)稱因子會(huì)達(dá)到最大值。風(fēng)速對(duì)第1層氣泡輻射特性的影響如圖8(c)、(d)所示。隨著風(fēng)速的增大,散射系數(shù)逐漸增加,而不對(duì)稱因子不隨風(fēng)速改變。

圖8 0.3～2.0 μm波段內(nèi)氣泡層的光學(xué)特性參數(shù)Fig.8 Optical properties of bubble layer and sea water within 0.3-2.0 μm

圖8(e)、(f)給出了ρChl分別為0.01、0.1、1、10 mg/m3時(shí)海水總光譜吸收和散射系數(shù)?？梢钥闯?葉綠素是影響海水吸收和散射特性的關(guān)鍵因素。在0.3～2.0 μm波段內(nèi),海水總散射系數(shù)總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。海水總散射系數(shù)隨葉綠素質(zhì)量濃度的增加而顯著增大,但吸收系數(shù)僅在0.35～0.60 μm波段內(nèi)有明顯增加。

2.2 風(fēng)速和波長(zhǎng)對(duì)不同結(jié)構(gòu)體FBRD的影響

粗糙海面、含泡沫粗糙海面、含破碎波粗糙海面的隨風(fēng)速變化,出射方位角為0°,入射天頂角為60°,波長(zhǎng)為0.5、1.2、2 μm。

圖9(a)～(i)分別給出了4種風(fēng)速(v10=5、10、15、20 m/s)和3種波長(zhǎng)(λ=0.5、1.2、2 μm)條件下粗糙海面結(jié)構(gòu)體、含泡沫粗糙海面結(jié)構(gòu)體和含破碎波粗糙海面結(jié)構(gòu)體FBRD(忽略海面鏡向分量),其中,入射天頂角θi=60°,入射方位角φi=0°,觀測(cè)方位角φr=0°。結(jié)構(gòu)體幾何結(jié)構(gòu)和光學(xué)參數(shù)的設(shè)置參照1.1和1.2節(jié)。從圖9可以看出,不同條件下3種結(jié)構(gòu)體的FBRD之間均存在顯著差異,該結(jié)果表明,不同幾何結(jié)構(gòu)海面的FBRD有顯著差異。當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時(shí),由于氣泡和泡沫的散射系數(shù)幾乎接近于0,可以認(rèn)為該風(fēng)速條件下的FBRD為水體結(jié)構(gòu)體的FBRD,且只有當(dāng)波長(zhǎng)為0.5 μm時(shí),粗糙海面結(jié)構(gòu)體的FBRD不為0。對(duì)于粗糙海面結(jié)構(gòu)體而言,只有當(dāng)波長(zhǎng)為0.5 μm時(shí),結(jié)構(gòu)體FBRD才存在有效值,且此時(shí)結(jié)構(gòu)體FBRD隨風(fēng)速的變化并不明顯,4種風(fēng)速條件下,結(jié)構(gòu)體FBRD的數(shù)值均在0.06 sr-1附近震蕩,而其他波長(zhǎng)下由于水體具有較強(qiáng)的吸收性,粗糙海面結(jié)構(gòu)體的FBRD數(shù)值均為0,如圖9(a)～(c)所示。對(duì)于含泡沫粗糙海面結(jié)構(gòu)體和含破碎波粗糙海面結(jié)構(gòu)體,結(jié)構(gòu)體的FBRD隨出射天頂角的增大逐漸增加。當(dāng)風(fēng)速一定時(shí),4種風(fēng)速對(duì)應(yīng)的FBRD分別隨著波長(zhǎng)的增大而減小。當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí),兩種結(jié)構(gòu)體的FBRD隨風(fēng)速的增大而增大,如圖9(d)～(i)所示。

圖9 不同風(fēng)速及波長(zhǎng)條件下典型結(jié)構(gòu)體的FBRDFig.9 FBRD of featured multi-scale voxels under different wind speeds and wavelengths

2.3 入射天頂角對(duì)結(jié)構(gòu)體FBRD的影響

為探究典型結(jié)構(gòu)體FBRD隨入射天頂角和觀測(cè)方位角的變化規(guī)律,計(jì)算了風(fēng)速為20 m/s和3個(gè)太陽(yáng)天頂角(θi=0°、30°、60°)下觀測(cè)方位角從0°～180°變化的3種典型結(jié)構(gòu)體(粗糙海面結(jié)構(gòu)體、含泡沫粗糙海面結(jié)構(gòu)體以及含破碎波粗糙海面結(jié)構(gòu)體)FBRD分布云圖(圖10)?？梢钥闯?太陽(yáng)斜入射時(shí),FBRD取值在不同觀測(cè)角度下有較大差異。當(dāng)入射天頂角θi=0°時(shí),結(jié)構(gòu)體FBRD取值不隨方位角變化。而隨著入射天頂角增大,FBRD取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的方位角逐漸偏轉(zhuǎn)到θr=90°和φr=0°,并且隨著觀測(cè)方位角的增加,同一觀測(cè)天頂角下的FBRD取值迅速降低至0.05 sr-1以下。

圖10 不同入射天頂角條件下典型結(jié)構(gòu)體的FBRDFig.10 FBRD of featured multi-scale voxels under different incident zenith angles

3 結(jié) 論

針對(duì)高等級(jí)海況條件下粗糙海面結(jié)構(gòu)體、含泡沫粗糙海面結(jié)構(gòu)體以及含破碎波粗糙海面結(jié)構(gòu)體3種典型結(jié)構(gòu)體對(duì)大氣-海洋輻射傳輸模型進(jìn)行了補(bǔ)充,通過(guò)高等級(jí)海況條件下海面的體元幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)化,使用幾何光學(xué)、廣義MIE散射、獨(dú)立散射理論以及生物光學(xué)模型分別計(jì)算了泡沫層、氣泡層以及海洋水體的吸收系數(shù)、散射系數(shù)以及不對(duì)稱因子3類光學(xué)特性。最后計(jì)算了不同風(fēng)速、入射角和波長(zhǎng)條件下3種典型結(jié)構(gòu)體的雙向反射分布函數(shù)。具體結(jié)論可歸納如下:

1)海面結(jié)構(gòu)體的光學(xué)特性在可見光波段幾乎不變,而在近紅外波段有較大變化。散射系數(shù)隨著泡沫層空隙率的增加而增加,吸收系數(shù)隨泡沫層空隙率的增加而減小。

2)隨著風(fēng)速的增大,散射系數(shù)逐漸增加,而不對(duì)稱因子不受風(fēng)速的影響。

3)葉綠素是影響海水吸收和散射特性的關(guān)鍵因素。海水總散射系數(shù)總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。海水總散射系數(shù)隨葉綠素質(zhì)量濃度的增加而顯著增長(zhǎng),但吸收系數(shù)僅在0.35～0.60 μm波段內(nèi)有明顯增加。

4)對(duì)于含泡沫粗糙海面結(jié)構(gòu)體和含破碎波粗糙海面結(jié)構(gòu)體,結(jié)構(gòu)體的FBRD隨出射天頂角的增大逐漸增加。當(dāng)風(fēng)速一定時(shí),4種風(fēng)速對(duì)應(yīng)的FBRD分別隨波長(zhǎng)的增大而減小。當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí),兩種結(jié)構(gòu)體的FBRD隨風(fēng)速的增大而增大。

5)太陽(yáng)斜入射時(shí),FBRD取值在不同觀測(cè)角度下有較大差異。當(dāng)入射天頂角為0°時(shí),結(jié)構(gòu)體FBRD不隨方位角變化。而隨著入射天頂角增大,FBRD取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的方位角逐漸偏轉(zhuǎn)到θr=90°和φr=0°。

利用本研究可以實(shí)現(xiàn)不同海況條件下海面輻射特性的快速建模仿真,為大尺度海面輻射特征提取工作提供依據(jù)。在今后工作中,將進(jìn)一步開展不同海況下大尺度海表結(jié)構(gòu)建模、海-氣耦合輻射傳輸計(jì)算等工作,實(shí)現(xiàn)大尺度海面輻射特征仿真工作。