水質參數固有光學量

2021-05-15知識

本文結構：

水體固有光學量

水體總吸收系數

懸浮物吸收系數

葉綠素吸收系數

CDOM吸收系數

反射率

設R是由n個光譜通道測得的海水反射率，它是海水中葉綠素、懸浮物和黃色物質等水色要素的函式，可表示為：

R = f(c_{i})

其中 c_{i}（i＝1 ,2 ,3 ）分別為葉綠素、懸浮顆粒和黃色物質的濃度； f（c_{i}）是與海水光學特性有關的函式。

進一步地，海水反射率定義為水中上行輻照度 E_{u}(\lambda) 與下行輻照度 E_{d}(\lambda) 的比值：

R(\lambda) = \frac{E_{u}(\lambda)}{E_{d}(\lambda)}

對於給定的波長 \lambda ,海水反射率又是水體吸收系數 a(\lambda) 和後向散射系數 b_{b}(\lambda) 的函式，其函式形式可由放射線傳輸理論確定。在考慮水平均勻海水的情況下近似地表示為：

R(\lambda) = 0.33 \frac{b_{b}(\lambda)}{a(\lambda)}

水色遙感光學特性一般分為兩類：

固有光學特性

表觀光學特性

水體固有光學特性

描述光透過水體時被 水體吸收和散射的數量特性 ，是不隨入射光場分布與強度變化而變化的物理量，主要包括吸收系數 a(\lambda) 、散射系數 b(\lambda) 、體散射函式 \beta(\lambda,\psi) 、體散射相函式 \tilde{\beta}(\lambda,\psi) 、後向散射系數 b_{b}(\lambda) 、光束衰減系數 c(\lambda) 等。光束衰減系數表示為吸收系數、散射系數的和(c = a+b)。

水體總固有光學特性是由 純水、懸浮泥沙、黃色物質、葉綠素 等水體各成分固有特性的聯合貢獻，因此固有光學量可以表示為水體內各成分固有特性的線性函式。

吸收系數

吸收率是光透過水媒介時被吸收的能量比率:

A(\lambda) = \frac{\Phi_{a}(\lambda)}{\Phi_{i}(\lambda)}

吸收系數：

a(\lambda) = \lim_{\Delta r \rightarrow 0} \frac{A(\lambda)}{\Delta r}

水體吸收系數可表示為:

a(\lambda) = a_{w}(\lambda) + a_{s}(\lambda) +a_{g}(\lambda) + a_{\varphi }(\lambda) = a_{w}(\lambda) + a_{p}(\lambda) + a_{g}(\lambda)

a_{w}(\lambda)、a_{s}(\lambda)、a_{g}(\lambda)、a_{\varphi}(\lambda) 分別為純水、懸浮泥沙、黃色物質、葉綠素的吸

收系數。 a_{p}(\lambda) 是顆粒物吸收系數包括懸浮泥沙和葉綠素吸收系數。

由於各組分吸收與其濃度有關系,所以可以將吸收系數表示為組分濃度與其單位吸收系數的乘積:

a(\lambda) = a_{w}(\lambda) + Xa_{s}^{*}(\lambda) +Ya_{g}^{*}(\lambda) + Ca_{\varphi }^{*}(\lambda)

X、Y、Z是分別是懸浮泥沙濃度、黃色物質濃度(一般是440或440nm吸收系數衡量）、葉綠素濃度。 a_{s}^{*}(\lambda) 、a_{g}^{*}(\lambda) 、a_{\varphi }^{*}(\lambda) 分別是懸浮泥沙、黃色物質和葉綠素單位吸收系數。

散射系數

散射系數是 光透過微分水厚度時被散射的比率 。

水中物質的散射系數是由該物質的 體散射函式 決定的。

體散射函式 \beta(\lambda,\psi) 描述的是入射光在某一方向單位立體角內被散射的機率。

散射相函式 \tilde{\beta}(\lambda,\psi) 表征體散射函式的形狀。

散射系數 b(\lambda) 是被散射的光在全球角度內的積分。

後向散射系數 b(\lambda) 就是 體散射函式在後半球的積分 。各物理量公式如下:

不同成分主導的水體總吸收系數

不同水質成分主導的水體的光學特征有明顯區別，以下是長江口的不同水體的總吸收系數

葉綠素主導

葉綠素成分含量高，懸浮泥沙和黃色物質濃度相對少，葉綠素吸收系數貢獻占主導，總吸收系數( 此處圖中不包含純水吸收系數 )表現為葉綠素的吸收特征。

圖中表現兩個吸收峰，第一峰位於波長440nm附近，第二峰位於波長670nm附近，兩個吸收峰之間有一吸收谷，第一吸收峰值大於第二吸收峰值。

泥沙或黃色物質主導

葉綠素含量少，葉綠素吸收系數貢獻非常小，泥沙或黃色物質占主導，其總吸收系數疊加在微小的葉綠素吸收系數上。

圖中吸收峰表現不明顯或670nm附近略有小峰，吸收系數最大值位於短波長處，隨波長增大吸收系數減小。

懸浮泥沙吸收系數

懸浮泥沙的吸收系數透過現場過濾、室內透射法測量。圖是長江口測量的懸浮泥沙吸收系數數據。從光譜曲線上看，短波長400nm吸收最高，長波長吸收低，隨波長增大吸收系數明顯降低，呈現近似指數的形式下降。隨懸浮泥沙濃度的增大，吸收系數也呈現增大特征。短波長隨懸浮泥沙濃度的變化吸收系數變幅大，而長波長隨泥沙濃度的變化吸收系數變幅小。

懸浮泥沙吸收系數

黃色物質吸收系數

黃色物質也稱為有色可溶性有機物(CDOM),( 黃色物質化學成分復雜，其主要是溶解在水中的有機碳(DOC)，有時常用DOC來表示CDOM )主要由腐殖酸和灰黃酸組成，在紫外和可見光短波區有著強烈的光吸收特性。黃色物質的 濃度常用其吸收系數 來表示。黃色物質吸收光譜在可見光短波長吸收高，長波長吸收低。