遼東灣海冰后向光場分布的研究

許占堂，楊躍忠，曹文熙，孫兆華，楊超宇，葉海彬，王國青，李志軍

( 1.中國科學院南海海洋研究所 熱帶海洋環境國家重點實驗室，廣東 廣州 510301; 2.中國科學院研究生院，北京 100039; 3.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連116024)

遼東灣海冰后向光場分布的研究

許占堂1,2，楊躍忠1，曹文熙1，孫兆華1,2，楊超宇1,2，葉海彬1,2，王國青1,2，李志軍3

( 1.中國科學院南海海洋研究所 熱帶海洋環境國家重點實驗室，廣東 廣州 510301; 2.中國科學院研究生院，北京 100039; 3.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連116024)

海冰光場分布特性的研究是冰區大氣—海冰—海洋能量交換和生物特性研究的基礎，通過設計“L”型輻亮度探頭，運用自主研發的海冰高光譜輻射儀器于國內首次現場測量了遼東灣海冰內部光場的分布特性，研究發現海冰表層5 cm至底層在水平方向上光場各向同性，進而認為在所觀測站點的附近，采集冰塊測量光場分布不依賴于海冰側表面的選擇。采集海冰于現場建立的暗房內，研究發現相對輻亮度隨著深度的增加呈漸近性分布減小，多重散射的影響隨光程增加而增強，導致輻亮度對散射角的依賴逐漸減小，說明海冰是一種高散射特的物質。本文建立的海冰光場分布模型，可描述海冰內部任意深度和光傳播方向的相對輻亮度，對海冰輻射傳輸研究具有一定的參考意義。

海冰；光譜；光學模型；光場分布；各向異性

海冰是全球氣候變化的指示器[1,2]，研究海冰內部光場的分布特性有助于了解大氣－海冰－海洋之間的能量交換，從而為氣候變化的研究提供有價值的信息[3,4]。同時，海冰內部和下層的生物生長受到紫外光波段和光合有效區域波段的巨大影響，因此研究海冰內部光場分布特性還有助于冰區生物和初級生產力的研究[5-7]。

海冰是在極端氣候條件下自然產生的物質，它一般有純冰、鹵水泡、空氣泡、晶體鹽和外來的雜質所組成，空氣泡具有很強的散射作用，而純冰、鹵水泡和雜質的存在對海冰的總吸收具有很大的貢獻[8-10]，所以海冰內部的結構決定著光場的分布特性。目前已經有許多學者于實驗室內研究了冰的光場分布特性[8,11,12]。然而，實驗室無法完全模擬現場海冰的生長條件，極小的溫度改變都會引起海冰內部結構的變化，進而改變海冰內部光場的分布特性。因此，現場研究海冰的光場分布特性具有重要的意義。

海冰光場分布包括前向光場分布（前向光場可看作沿著光傳播的前半球面）和后向光場分布（沿著光傳播的后半球面）。光場前向分布特性的研究國際上已有許多報道[11-13]，而現場研究后向光場分布特性的報道則很少，目前國內還沒有這方面的報道。

本文于遼東灣現場建立暗房，采集大塊海冰于暗房內，利用太陽光為光源，設置輻亮度探頭于不同的角度測量海冰的后向分布剖面?？紤]選擇冰塊的不同側面是否會造成光場分布的不同，因此需要在較小地影響光場分布的條件下測量海冰內部光在水平方向上的分布特性。

1 站點信息

2010年1月份在遼東灣鲅魚圈附近（40°21.297’N，122°10.245’E）選取站點A測量海冰的光學特性，包括海冰的反照率、透過率、衰減系數剖面、光水平方向上傳播的各向異性和內部的光場分布等。測量期間天氣晴朗，天空無云，A站點冰厚30 cm，海冰為白色且表面平滑，表層由于白天的融化及晚上的再凝結導致鹵水排泄而包含較多的氣泡。海冰平均鹽度為4.96 ‰，底層海水的鹽度為30.5 ‰。

2 海冰內部光場在水平方向上分布特性的測量

采用自主設計的高光譜輻射測量儀器測量海冰內部光場在水平方向上的分布特性[14]，海冰高光譜輻射測量儀器可實現3個通道的同時測量，光譜儀波長范圍為330～1 000 nm，儀器暗電流采用CCD亞像元較正[15]，并且自動調節3個通道光譜儀的積分時間。儀器搭載“L”型輻亮度探頭（圖1）于垂直冰洞內測量海冰的各向異性，為了減小儀器和所鉆取的冰洞對光場的影響。設計“L”型探頭代替普通的柱狀探頭測量水平方向各向異性可有效減小探頭的體積，探頭最大直徑為3.8 cm，入射窗口采用石英光學玻璃，光透過入射窗口后，經過高反射鏡反射進入光纖。光纖1接光譜儀的通道1，光纖2接光譜儀的通道2，光譜儀的通道3作備用。

圖 1 “L”型輻亮度探頭示意圖Fig.1 Schematic map of the vertical radiance detector

圖2為測量海冰內部光場在水平方向上的分布特性的示意圖，冰洞的直徑為4.5 cm，為了保證探頭于空氣中測量輻亮度值（避免探頭入水后因折射率的變化所帶來的浸沒效應誤差），所鉆的冰洞不能穿透海冰，每次測量時，運用塑料管將冰洞底層的海水抽干。測量過程中，為了監測天空光的變化，需要同步測量天空下行輻照度Es(λ)，“L”型輻亮度探頭所連接的光纖1接高光譜輻射儀器的光纖通道1，天空光所連接的光纖2接高光譜輻射儀器的光纖通道2。測量從冰洞的底層開始，在同一深度位置測量方位角0°、90°、180°和270°的輻亮度值Lv(λ, θ,z)（定義方位角Φ=0°為探頭面對著太陽入射在地面的投影，然后順時針進行轉動依次為90°、180°和270°）。底層測量完成后，按照一定的間隔設置“L”型探頭依次測量不同深度的海冰內部光場在水平方向上的分布特性。

圖 2 海冰垂直剖面各向異性測量示意圖Fig.2 Schematic map of measurement anisotropy profiles within sea ice

圖3為深度3 cm、13.25 cm和26.5 cm位置時所測量方位角0°、90°、180°和270°的相對輻亮度值Lv(λ,Φ,z（)將天空光Es(λ)除以系數r歸一化到1，相對輻亮為L(λ,Φ,z)/r,以此來去除天空光變化所帶來的影響），厚度3 cm時的相對輻亮度值從大到小所對應的方位角依次為Φ=90°、Φ=0°、Φ=270°和Φ=180°，在此推測當探頭靠近洞口時，太陽斜入射進洞口的光部分被Φ=90°時的探頭所記錄（此時太陽的天頂角為63°），而對于Φ=0°時太陽斜入射進洞口的光在此位置形成陰影，探頭所測量的光場完全來源于冰體的散射，從而導致方位角為Φ=90°所對應的相對輻亮度的值最大。當深度為13.25 cm和26.5 cm時，方位角Φ=90°時的相對輻亮度等于Φ=270°時所對應的值，從而認為在深度13.25 cm和26.5 cm位置處，海冰內部光場在水平方向上的分布是各向同性的。對所有實測的數據分析，發現海冰表層5 cm 至底層相對輻亮度在方位角為Φ=90°和Φ=270°處的光譜形狀和大小均具有很好的一致性，因此可以得出結論，海冰表層5 cm至底層海冰內部光場在水平方向上的分布是各向同性的，進而可以認為采集冰塊測量光場分布不依賴于海冰側表面的選擇。

圖 3 在深度為3 cm、13.25 cm和26.5 cm位置時所測量方位角為0°、90°、180°和270°的相對輻亮度值Fig.3 Relative radiance at azimuth of 0° , 90°, 180° and 270° corresponding to the depths of 3, 13.25 and 26.5 cm

3 后向光場分布的測量

在站點A采集大小為60 cm×50 cm×30 cm的海冰冰塊，現場用遮光布建立暗房，設定冰塊表面垂直于太陽入射方向，如圖4為現場作業的示意圖，設置輻亮度探頭于冰塊的側面（由于海冰內部光場在水平方向上的分布是各向同性的，因此側面的選擇是隨機的）成θ=90°、θ=120°和θ=150°夾角（定義θ為探頭中心點和待測點所連接的直線與入射光傳播方向的夾角），分別測量深度為2.5 cm、7.5 cm、12.5 cm、17.5 cm、22.5 cm和27.5 cm的輻亮度剖面（Lv(λ,z)），測量過程中，為了監測天空光的變化，需要同步測量天空下行輻照度Es(λ)，圖5為現場作業的照片。

圖6為θ=150°所測量的相對輻亮度剖面，深度為2.5 cm時，相對輻亮度的峰值約為0.15，在深度為7.5 cm位置時，相對輻亮度的峰值小于0.05，約減少了72 %。相對輻亮度光譜形狀與遼東灣海冰反照率的光譜形狀相似[16]，峰值所對應的波長均在600 nm左右。隨著深度的增加，相對輻亮度減小的相對速度變慢，在長波附近，輻亮度等于零的點所對應的波長隨著深度的增加而減小，如在2.5 cm相對輻亮度衰減至0所對應的波長為930 nm，7.5 cm對應的波長860 nm，12.5 cm對應的波長768 nm，17.5 cm對應的波長752 nm，22.5 cm對應的波長722 nm, 27.5 cm對應的波長714 nm。海冰是強吸收的物質，光場在海冰中一般呈指數衰減的形式，特別是在長波的部分，光場的信號特別微弱，以致光譜儀CCD無法測量到相應的碼值，隨著深度的增加，光譜儀碼值衰減至0所對應的波長向短波方向移動，從而引起相對輻亮度衰減至0所對應的波長向短波方向移動。

圖 4 利用太陽作為光源測量海冰光場后向分布的示意圖Fig.4 Schematic map of in situ measurement backward radiance distribution with solar radiance

圖 5 利用太陽作為光源測量海冰光場后向分布的現場作業照片Fig.5 Photo of in situ measurement backward radiance distribution within sea ice with solar radiance

圖 6 θ=150°時所測量的相對輻亮度剖面Fig.6 Relative radiance profiles at θ=150°

圖 7 600 nm處相同θ角的條件下相對輻亮度隨深度的變化關系 Fig.7 At 600 nm, backward relative radiance profile changing with depth at an identical θ

光場輻亮度峰值所對應的波長出現于600 nm附近，因此討論在波長600 nm處所對應的相對輻亮度值，在θ相等的條件下，相對輻亮度隨深度的變化關系如圖7，當θ角接近于180°時，測量輻亮度剖面受到環境光和海冰側面的平面結構帶來干擾，導致測量值出現異常，因此180°的相對輻亮度剖面采用上行輻射剖面計所測量的數據（即采用Ehn于2008年的測量方法，設置輻照度探頭垂直向下于冰洞內測量輻射剖面[17]）。相對輻亮度對數剖面為漸近性分布，隨著深度的增加，相對輻亮度減小趨勢隨著波長的增加而逐漸變緩。深度2.5 cm處，θ角為90°、120°和150°所對應的相對輻亮度值是相等的，這是由于探頭接近于海冰表層時角度設置比較困難，同時此處環境光比較大，從而導致測量值在2.5 cm處出現了異常，當深度超過5 cm時，測量的相對輻亮度是可以接受的。

4 后向光場分布的光學模型

為了獲得任意深度和θ角條件下的光場分布，需要建立一個光學模型。漸近輻射傳輸理論認為，光場分布在漸近傳輸的條件下，它將以exp(-kz)的形式進行衰減，其中k是輻射衰減系數，z為光傳播的距離[12,18]。因此本文提出以下相對輻亮度傳輸模型：

m(z)為光傳播距離z的函數，n(θ)為θ角的函數，L(180, z)是在θ=180°深度為z位置的相對輻亮度值：

將L(180, z)與實測的值進行擬合，獲得參量L(180, 0)和ku的值分別為0.05864和0.07718，代入方程2和1并且將L(θ,z)與實測的值進行擬合，獲得參量m1(z)和n1(θ)：

利用方程1-4即可描述海冰任意位置處的相對輻亮度。圖8描述了在特定深度位置海冰相對輻亮度光場隨θ角的變化關系。從圖中可以看出在深度為2 cm處，相對輻亮度隨θ角的增大而快速減小，從θ=100°的相對輻亮度0.1658減小到θ=180°的0.052 9，隨著深度的增加，相對輻亮度隨θ角的增加而減小的趨勢逐漸減弱。光的多重散射隨著光傳播的距離增大而增強，從而引起相對輻亮度對θ角的依賴程度逐漸減小，說明了海冰是一種具有高散射特性的物質。這個結果與Maffione所測量的結果相似[8]。

圖 8 模型計算的相對輻亮度在深度2 cm、6 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm隨θ角的變化關系Fig.8 Predicted relative radiance changed with θ at the depths of 2 cm, 6 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm and 25 cm

5 結 論

本文運用自主研發的海冰高光譜輻射監測儀器于國內首次在遼東灣現場利用太陽光源測量了海冰內部光場的分布特性，研究光場水平方向上的數據發現，海冰表層5 cm至底層在水平方向上光場分布是各向同性的，進而認為在所觀測站點的附近，采集冰塊測量光場分布不依賴于海冰側表面的選擇。采集大塊海冰于現場所建立的暗房內測量海冰的后向光場分布，研究發現相對輻亮度呈漸近性分布，多重散射隨著光傳播的距離增大而增強，導致相對輻亮度對θ角的依賴逐漸減小，說明了海冰是一種具有高散射特性的物質。建立了海冰光場分布模型，可描述海冰內部任意深度和θ角位置相對輻亮度的值，通過測量太陽入射輻射能量，利用模型可獲得海冰內部輻亮度的分布。

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In situ studying of the backward radiance distribution within sea ice in Liaodong Bay

XU Zhan-tang1,2, YANG Yue-zhong1, CAO Wen-xi1, SUN Zhao-hua1,2, YANG Chao-yu1,2, YE Hai-bin1,2, WANG Guo-qing1,2, LI Zhi-jun3

(1.State Key Laboratory of Oceanography in Tropics, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, 510301, China; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China; 3.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

In order to research the mass budget during atmosphere-ice-ocean system and the biology in polar regions, it is necessary to research the solar radiance distribution within sea ice.In this study, a self-made hyperspectral radiation instrument of sea ice was used to observe the anisotropy and solar radiance distribution in sea ice for the first time.The results showed that the light distribution was isotropy in horizontal from the depth of 5 cm to ice bottom.Thereby, we can conclude that measurement of solar radiance distribution is independent of choosing ice side.A small dark room was built in situ with gobo.A large ice block was sampled and put into the dark room for observing the solar radiance distribution.The radiance profiles showed an asymptotic radiance distribution in sea ice.The effects of multiple scattering became strong with increasing pathlength, which caused the dependence of solar radiance on scattering angle (θ) became weak with depth.It showed that sea ice was a highly scattering medium.An optical model was brought forward to describe the solar radiance distribution at a random depth and θ.The results had some reference values to study the solar radiance distribution within sea ice.

sea ice; spectrum; optical model; radiance distribution; Anisotropy

P733

A

1001-6932(2011)03-0277-06

2011-01-14；收修改稿日期：2011-03-07

國家863探索性項目(2006AA09Z154)；國家自然科學基金(40876057)；挪威研究理事會挪中合作研究項目AMORA（193592/S30)。

許占堂（1980—），博士研究生。電子郵箱: xujiantang@163.com。

楊躍忠，電子郵箱: wuli@scsio.ac.cn。