水质参数固有光学量

2021-05-15知识

本文结构：

水体固有光学量

水体总吸收系数

悬浮物吸收系数

叶绿素吸收系数

CDOM吸收系数

反射率

设R是由n个光谱通道测得的海水反射率，它是海水中叶绿素、悬浮物和黄色物质等水色要素的函数，可表示为：

R = f(c_{i})

其中 c_{i}（i＝1 ,2 ,3 ）分别为叶绿素、悬浮颗粒和黄色物质的浓度； f（c_{i}）是与海水光学特性有关的函数。

进一步地，海水反射率定义为水中上行辐照度 E_{u}(\lambda) 与下行辐照度 E_{d}(\lambda) 的比值：

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

对于给定的波长 \lambda ,海水反射率又是水体吸收系数 a(\lambda) 和后向散射系数 b_{b}(\lambda) 的函数，其函数形式可由辐射传输理论确定。在考虑水平均匀海水的情况下近似地表示为：

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

水色遥感光学特性一般分为两类：

固有光学特性

表观光学特性

水体固有光学特性

描述光通过水体时被 水体吸收和散射的数量特性 ，是不随入射光场分布与强度变化而变化的物理量，主要包括吸收系数 a(\lambda) 、散射系数 b(\lambda) 、体散射函数 \beta(\lambda,\psi) 、体散射相函数 \tilde{\beta}(\lambda,\psi) 、后向散射系数 b_{b}(\lambda) 、光束衰减系数 c(\lambda) 等。光束衰减系数表示为吸收系数、散射系数的和(c = a+b)。

水体总固有光学特性是由 纯水、悬浮泥沙、黄色物质、叶绿素 等水体各成分固有特性的联合贡献，因此固有光学量可以表示为水体内各成分固有特性的线性函数。

吸收系数

吸收率是光通过水媒介时被吸收的能量比率:

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

吸收系数：

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

水体吸收系数可表示为:

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) 分别为纯水、悬浮泥沙、黄色物质、叶绿素的吸

收系数。 a_{p}(\lambda) 是颗粒物吸收系数包括悬浮泥沙和叶绿素吸收系数。

由于各组分吸收与其浓度有关系,所以可以将吸收系数表示为组分浓度与其单位吸收系数的乘积:

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

X、Y、Z是分别是悬浮泥沙浓度、黄色物质浓度(一般是440或440nm吸收系数衡量）、叶绿素浓度。 a_{s}^{*}(\lambda) 、a_{g}^{*}(\lambda) 、a_{\varphi }^{*}(\lambda) 分别是悬浮泥沙、黄色物质和叶绿素单位吸收系数。

散射系数

散射系数是 光通过微分水厚度时被散射的比率 。

水中物质的散射系数是由该物质的 体散射函数 决定的。

体散射函数 \beta(\lambda,\psi) 描述的是入射光在某一方向单位立体角内被散射的概率。

散射相函数 \tilde{\beta}(\lambda,\psi) 表征体散射函数的形状。

散射系数 b(\lambda) 是被散射的光在全球角度内的积分。

后向散射系数 b(\lambda) 就是 体散射函数在后半球的积分 。各物理量公式如下:

不同成分主导的水体总吸收系数

不同水质成分主导的水体的光学特征有明显区别，以下是长江口的不同水体的总吸收系数

叶绿素主导

叶绿素成分含量高，悬浮泥沙和黄色物质浓度相对少，叶绿素吸收系数贡献占主导，总吸收系数( 此处图中不包含纯水吸收系数 )表现为叶绿素的吸收特征。

图中表现两个吸收峰，第一峰位于波长440nm附近，第二峰位于波长670nm附近，两个吸收峰之间有一吸收谷，第一吸收峰值大于第二吸收峰值。

泥沙或黄色物质主导

叶绿素含量少，叶绿素吸收系数贡献非常小，泥沙或黄色物质占主导，其总吸收系数叠加在微小的叶绿素吸收系数上。

图中吸收峰表现不明显或670nm附近略有小峰，吸收系数最大值位于短波长处，随波长增大吸收系数减小。

悬浮泥沙吸收系数

悬浮泥沙的吸收系数通过现场过滤、室内透射法测量。图是长江口测量的悬浮泥沙吸收系数数据。从光谱曲线上看，短波长400nm吸收最高，长波长吸收低，随波长增大吸收系数明显降低，呈现近似指数的形式下降。随悬浮泥沙浓度的增大，吸收系数也呈现增大特征。短波长随悬浮泥沙浓度的变化吸收系数变幅大，而长波长随泥沙浓度的变化吸收系数变幅小。

悬浮泥沙吸收系数

黄色物质吸收系数

黄色物质也称为有色可溶性有机物(CDOM),( 黄色物质化学成分复杂，其主要是溶解在水中的有机碳(DOC)，有时常用DOC来表示CDOM )主要由腐殖酸和灰黄酸组成，在紫外和可见光短波区有着强烈的光吸收特性。黄色物质的 浓度常用其吸收系数 来表示。黄色物质吸收光谱在可见光短波长吸收高，长波长吸收低。