風生海中氣泡對海洋光學反射比的影響＊

楊 倩，賀明霞

（中國海洋大學海洋遙感研究所，山東青島266003）

風生海中氣泡對海洋光學反射比的影響＊

楊 倩，賀明霞

（中國海洋大學海洋遙感研究所，山東青島266003）

風浪破碎是海中氣泡的主要成因。先前的研究基于理論計算和數值模擬，揭示了海中氣泡對光散射和海水反射比有不可忽略的影響。利用海洋光學和海面風速現場觀測數據，結合Mie散射理論計算和海中光輻射傳遞數值模擬，研究風浪破碎產生的海中氣泡對海水反射比的影響?，F場觀測和數值模擬結果表明，在光學性質穩定的I類海水中，不同風速下海洋光學反射比的不同主要源于海中氣泡的貢獻。

海中氣泡；反射比；Mie散射；輻射傳遞模擬

海中氣泡在上層海洋無處不在，主要由風浪破碎產生［1］。當風速超過7m·s－1，頻繁的風浪破碎能持續產生海中氣泡［2］。風浪破碎產生的較大氣泡很快上升到海面破碎形成白帽，較小氣泡則在海表面下形成近乎水平均勻的氣泡層［3］。已有研究基于Mie散射理論、海中光輻射傳遞數值模擬指出，海洋上層氣泡對光散射和海水反射比有重要貢獻［4－9］。這些研究都是針對浮游植物及其衍生物占主導的I類水域，而且，這些研究結果多基于理論計算和數值模擬。一些作者研究了船尾跡氣泡對光學的影響［10－12］。

本文利用中國東海海洋光學和海面風速現場觀測數據，通過Mie散射理論計算和海中光輻射傳遞數值模擬，研究了風浪破碎注入的氣泡對I類水域海洋光學反射比的影響，解釋了不同風速下反射比的不同主要源于海中氣泡。

1 海洋光學和海面風速同步現場觀測個例分析

本文使用的現場觀測數據來自中國海洋大學海洋遙感研究所海洋光學數據庫（ORSIO2DB），測量站位W1008是連續站，位于東海黑潮流經區域（見圖1），水深720m，測量時間分別是2007年2月5日10：20（W1008－7）和12：27（W1008－8）。測量儀器和參數包括加拿大Satlantic公司的海面高光譜輻射計TSRB（Tethered Spectral Radiometer Buoy）測量水下0.65m處的向上光譜輻亮度Lu（λ，0.65）（μm·cm－2·nm－1·sr－1）和海面向下光譜輻照度Ed（λ，0＋）（μm·cm－2·nm－1）、美國WetLabs公司的高光譜吸收衰減儀ac－s測量吸收系數a（λ，z）（m－1）和衰減系數c（λ，z）（m－1），以及風速計測量海面風速。

圖1 中國東?，F場實驗站位圖。Fig.1 Experimental site in the East Sea of China

海面風速觀測結果，W1008－7為10m·s－1，W1008－8為6m·s－1。

TSRB測量的水下0.65m處向上輻亮度利用經驗算法可推算到海面向上輻亮度Lu（λ，0＋），進而得到遙感反射比Rrs（λ）＝Lu（λ，0＋）／Ed（λ，0＋）（sr－1）。然而，海中氣泡影響向上輻亮度的剖面分布，從而給外推估算Lu（λ，0＋）帶來誤差［6］。因此，本文將直接使用包含近表層氣泡貢獻的Lu（λ，0.65）數據?？紤]到2次測量的入射光強不同，所以本文利用Lu（λ，0.65）與Ed（λ，0＋）的比值來表征海洋光學反射比，比值記為r（λ）（sr－1）。圖2顯示了W1008－7和W1008－8 2次測量的r（λ）光譜分布?？梢钥闯?，2次測量的r（λ）是不同的，風速較大的W1008－7對應的r（λ）大于風速較小的W1008－8對應的r（λ），尤其在波長小于550nm波段。在550～600nm以上波段，由于純海水吸收的顯著增大壓制氣泡對海洋光學反射比的影響。

圖2 W1008－7和W1008－8測量的r（λ）光譜分布Fig.2 The measurements of r（λ）spectra for W1008－7and W1008－8

圖3 W1008－7和W1008－8測量的除純海水外的吸收系數、散射系數光譜分布（6～8m深度內均值）Fig.3 The field measurements of spectral absorption and scattering coefficients except pure sea water（mean value within 6～8m）for W1008－7and W1008－8

與TSRB同步測量的海洋光學參數還包括除純海水外的吸收系數apg（λ，z）和衰減系數cpg（λ，z）（下標p表示粒子，g表示有色可溶有機物），兩者相減可得散射系數bp（λ，z）。在太平洋，海面風速10ms－1時，氣泡層平均深度4～5m［13］。因此大風速情況下，水深大于5m的apg（λ，z）、cpg（λ，z）觀測值可以看作是不包含氣泡的背景海水的固有光學性質。圖3為除純海水外的吸收、散射系數6～8m深度內均值?？梢钥闯?，apg（λ）、bp（λ）的數值很小，說明該站位的海水很清潔，甚至接近ac－s的測量精確度。在400～449nm光譜范圍內ac－s的測量精確度為±0.015m－1。但這不影響本文的研究，因為本文關心的是W1008－7和W1008－8 2次測量背景海水光學性質的差異。從圖3可以看出，2次測量的吸收系數或散射系數的光譜形狀相近，數值上的差別小于ac－s的測量精確度，說明2h內W1008站位除氣泡外的背景海水的光學性質是穩定的。比較圖2和圖3，表明不同風速條件下海水反射比r（λ）的差異歸因于風浪破碎產生的海中氣泡，海中氣泡的注入增大了海水反射比。

2 海洋輻射傳遞模擬結果

為了從海洋輻射傳遞理論進一步證明W1008－7和W1008－8觀測的海水反射比的不同是海中氣泡引起的，本文利用Ecolight軟件（Sequoia Sci.，Inc）進行海洋輻射傳遞數值模擬［14］。Ecolight數值模型是Hydrolight輻射傳遞模擬計算軟件的新版本，用于計算方位平均的輻射傳遞方程。

模擬輸入的海水固有光學參數來自3種海水組分的貢獻：純海水、海中氣泡和其他組分包括各種懸浮粒子和有色可溶有機物。

純海水的吸收系數和散射系數分別來自Pope and Fry［15］和Morel［16］。除純海水和海中氣泡外的其他組分的固有光學參數的輸入參考風速較小的觀測數據W1008－8，其中吸收系數apg（λ）直接采用ac－s的測量數據。粒子散射系數bp（λ）采用Ecolight自帶的模型，其參考波段（660nm）的散射系數采用ac－s測量值。粒子散射相函數采用Ecolight自帶的Fourier－Forand相函數，其中粒子后向散射比bbp（λ）／bp（λ）設置為波長的函數，采用Ecolight自帶的冪函數形式

海中氣泡的吸收系數可以忽略不計［4］，散射系數bbub（m－1）可以通過下式計算得到，

其中Qb，bub（r）是單個氣泡的無量綱散射效率因子，可以通過Mie散射理論計算得到［19］，氣泡相對于水的折射率為0.75。rmin和rmax分別為氣泡的最小、最大半徑，設為10和300μm，10μm是目前儀器能測量到的海中氣泡的最小半徑［17］。n（r）（m－3·μm－1）是氣泡粒徑分布，采用Hall［18］建立的海中氣泡粒徑分布模型。不同的n（r）對應不同的海中氣泡占空比VF（void fraction），VF由下式定義，

Terrill et al.［5］給出水深0.7m處海中氣泡占空比與海面風速的關系（見圖4）。海面風速約10m·s－1時，水深0.7m處海中氣泡占空比10－5。將VF＝10－5對應的氣泡粒徑分布代入公式（1）計算了氣泡散射系數bbub。氣泡體積散射函數βbub（ψ）（m－1·sr－1）由下式計算

圖4 水深0.7m的氣泡占空比VF0.7m測量均值隨海面10m處風速U10的變化Fig.4 Dependence of the mean void fraction measured at 0.7m depth versus 10mwind speed

模擬中輸入的邊界條件如太陽天頂角、云覆蓋比例、海面風速等參考W1008－8站位信息，考慮到站位水深遠大于光穿透深度，因此水體設為無限深。模擬的光譜范圍為400～750nm，光譜分辨率4nm。

首先，Ecolight輻射傳遞模擬得到一組不含氣泡的海水的r（λ）光譜分布，如圖5虛線所示；然后，在此模擬基礎上，加入另一種組分——海中氣泡，再次模擬得到一組r（λ）光譜，如圖5實線所示。比較圖5與圖2可以看出，W1008－7和W1008－8 2次測量的r（λ）的差異與風速10m·s－1情況下海中氣泡引起的r（λ）的差異相近，圖5從海洋輻射傳遞理論上證明了圖2的結果。由此證明了光學性質穩定的I類水域，不同風速下海洋光學反射比的不同主要源于海中氣泡的貢獻，這與Zhang［20］海洋輻射傳遞數值模擬結果一致。圖5數值模擬的r（λ）與圖2現場測量的r（λ）在數值上的差別是模擬和測量誤差引起的。本文利用同步現場觀測數據再次證明了前人基于數值模擬所揭示的海中氣泡對大洋中海水反射比不可忽略的貢獻［6，8］，海中氣泡是海洋光學中長期被忽略的后向散射源。

圖5 模擬的不含氣泡（虛線）和含氣泡（風速10m·s－1，實線）的r（λ）光譜分布Fig.5 The simulated r（λ）spectra for waters without bubbles（dashed line）and with bubbles（wind speed 10m·s－1，solid line）

3 結語

本文利用海洋光學和海面風速現場觀測數據，結合Mie散射理論計算和海中光輻射傳遞數值模擬，研究了風浪破碎產生的海中氣泡對海洋光學反射比的影響。再次證明了前人基于數值模擬所揭示的海中氣泡對大洋中海水光學反射比不可忽略的貢獻。本文僅是1個初步的個例研究結果。

海中氣泡對海洋光學和衛星海色遙感的影響，以及在光學性質復雜的近岸海域的貢獻有待進一步的文章發表。

致謝：感謝中國海洋大學海洋遙感研究所海洋光學數據庫提供的現場測量數據。

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Effects of Wind－Generated Bubbles on Ocean Reflectance

YANG Qian，HE Ming－Xia
（Ocean Remote Sensing Institute，Ocean University of China，Qingdao 266003，China）

Bubbles in the upper ocean are primarily produced by breaking waves.Previous studies based on theoretical computations and numerical simulations revealed that bubbles have a non－negligible effect on light scattering as well as ocean reflectance.In this paper the effect of bubbles generated by breaking waves on ocean reflectance was investigated by using the field measurements of ocean optics parameters and wind speed，and Mie theory and radiative transfer modeling.The results from field observations and numerical simulations suggested that for optically stable case I water differences in ocean reflectance under different wind conditions were resulted from contributions of bubbles.

bubbles；reflectance；Mie theory；radiative transfer modeling

P733.3

A

1672－5174（2012）1－2－153－04

國家自然科學基金重點項目（60638020）資助

2011－04－25；

2011－08－10

楊 倩（1980－），女，碩士生。E－mail：qian.yang＠ymail.com

責任編輯 陳呈超