海洋氣溶膠多光譜偏振特性研究

楊 斌，顏昌翔

1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033 2.中國科學院大學，北京 100049

海洋氣溶膠多光譜偏振特性研究

楊 斌1，2，顏昌翔1*

1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033 2.中國科學院大學，北京 100049

為提高海洋氣溶膠的反演精度，定量研究了氣溶膠在可見近紅外波段的多光譜偏振輻射特性。首先建立了合理的海洋氣溶膠及海面模型，基于逐次散射法準確模擬了光在氣溶膠中及大氣—海洋交界面處的矢量輻射傳輸過程，接著從光譜角度定量分析了典型波段處的反射率和偏振反射率，在此基礎上提出了海洋氣溶膠偏振輻射的光譜分布模型，并用衛星數據對模型進行驗證，最后研究了氣溶膠光學厚度、觀測角度、海水葉綠素a濃度和海面風速對氣溶膠多光譜偏振輻射的影響。研究表明，在可見近紅外波段不考慮大氣吸收和耀斑效應時，氣溶膠偏振輻射的光譜變化符合冪函數模型；在不同波段處，海洋氣溶膠的偏振輻射受海水葉綠素a濃度和海面風速的影響不同；海洋氣溶膠的多光譜偏振輻射信息有效體現了氣溶膠的自身特性，且與反射率相比，偏振反射率隨各因素的變化存在更明顯的譜段差異性。因此，可以運用氣溶膠的多光譜偏振信息反演海洋氣溶膠參數，多光譜探測的加入對提高氣溶膠反演精度具有重要意義。

海洋氣溶膠；多光譜；矢量輻射傳輸方程；偏振

引 言

氣溶膠是指懸浮于大氣中直徑為10-3～10 μm的微粒，是大氣重要組成部分[1]。氣溶膠通過散射、吸收地球長波與太陽短波輻射對氣候產生直接影響，又與云相互作用間接影響氣候[2-4]。氣溶膠與光、其他物質之間的相互作用，取決于其自身性質，而氣溶膠的自身特性均包含于其輻射的光譜、偏振信息中，因此對氣溶膠光譜、偏振特性的研究逐漸成為重要課題[5]。

目前多角度偏振探測可以獲取氣溶膠輻射的矢量信息，這對提高氣溶膠遙感能力具有重要意義[6-8]。同時，氣溶膠輻射的光譜變化也與氣溶膠粒徑、復折射率等參量緊密相關，在偏振遙感的基礎上加入多光譜探測，能更準確的反演氣溶膠參數。為充分利用獲取的多光譜偏振信息，首先應明確氣溶膠在不同譜段的偏振輻射特性及其影響因素，但關于氣溶膠多光譜偏振特性的研究未見報道。

本文主要從光譜角度，研究了海洋氣溶膠的偏振輻射特性。通過求解矢量輻射傳輸方程，定量分析了含氣溶膠層的總反射率和偏振反射率，并給出了氣溶膠偏振輻射的光譜分布模型；同時重點分析了氣溶膠在各譜段偏振輻射對主要因素的敏感性，為運用多光譜偏振信息反演氣溶膠參數提供了一定的理論基礎。

1 氣溶膠模型及海面模型

1.1 氣溶膠模型

建立合理的氣溶膠模型是分析海洋氣溶膠偏振輻射特性的關鍵。本文運用雙對數正態譜描述海洋氣溶膠的雙峰分布[9]，其定義式為

(1)

式中ci為數密度比例，rm, i為粒子平均半徑，σi為模態分布標準差。分析海洋氣溶膠的組成，確定各模態的參數及其數密度比例，建立氣溶膠模型如表1所示。

圖1為兩種模態及其組成的海洋氣溶膠的尺度譜分布。在海洋氣溶膠中，細模態成分占主導地位，由圖可知，當粒子半徑小于50 nm時，海洋氣溶膠的尺度譜與細模態粒子譜分布幾乎一致，此時只需用單一細模態粒子描述其尺度譜分布。

表1 海洋氣溶膠模型參數

圖1 兩種模態及海洋氣溶膠的尺度譜

1.2 海面模型

海洋氣溶膠的偏振特性易受海面反射影響，海面建模是分析海洋氣溶膠多光譜偏振特性的另一關鍵環節。本文結合cox[10]和koepke[11]等模型，充分考慮太陽耀斑、海洋白冠效應及水體反射，將海面反射率ρos用三部分組合表示

ρos(θs,θv,φ,λ)={1-W}ρgl(θs,θv,φ,λ)+

ρwc(λ)+{1-ρwc(λ)}ρsw(θs,θv,φ,λ)

(2)

式中θs和θv分別為太陽天頂角和衛星天頂角，φ為相對方位角，ρgl為耀斑反射率，ρwc為白冠反射率，ρsw為海洋水體反射率[10-11]。其中，

(3)

(4)

ρwc(λ)=W·ρef(λ)

(5)

2 多光譜偏振特性

2.1 矢量輻射傳輸方程

本文用矢量輻射傳輸方程描述電磁波在大氣氣溶膠中的傳輸[12]，其形式為

(6)

其中I為斯托克斯矢量，μ為極角余弦，φ為方位角，τ為光學厚度，w為單次散射反照率，M為散射相矩陣，即米勒矩陣，F0為大氣頂太陽入射輻通量，μ0為太陽天頂角余弦，φ0為太陽方位角。

矢量輻射傳輸方程為高度非線性微積分方程，需進行數值求解。本文運用逐次散射法(SOS)進行矢量輻射傳輸計算，計算過程中用總反射率R和偏振反射率Rp表征偏振遙感中的總輻射和偏振輻射信號，其定義式為

(7)

(8)

2.2 海洋氣溶膠的輻射特性

由式(6)可知，總反射率R和偏振反射率Rp是氣溶膠散射特性的函數，可用于表征氣溶膠的輻射特性。在研究大氣窗口的基礎上，選取分布在可見近紅外波段的14個典型譜段進行模擬實驗，模擬時剔除海面影響，氣溶膠光學厚度取0.1。

為驗證矢量輻射傳輸模擬得出的反射率和偏振反射率，將模擬值和衛星觀測值進行對比，所用衛星數據為POLDER 490，670和865 nm通道的8組偏振數據。圖2為模擬得出的反射率、偏振反射率以及POLDER觀測值隨波長的變化。

圖2 模擬值和POLDER觀測值隨波長的變化

由圖2可知，在三個譜段POLDER觀測值和模擬得出的反射率和偏振反射率的最大偏差均小于5%，這一定程度上驗證了本文基于SOS算法求解矢量輻射傳輸方程中所建模型的合理性。

在可見光波段，反射率和偏振反射率隨波長增大迅速減??；在近紅外波段，反射率和偏振反射率仍隨波長增大而減小，但變化幅度越來越小。對反射率和偏振反射率的光譜變化進行擬合，得出最佳模型表達式分別為

R′=4.765 8×105λ-2.537 7

(9)

(10)

由式(9)和式(10)可知，反射率和偏振反射率的光譜分布符合冪函數模型，且偏振反射率對波長更敏感。分析認為反射率和偏振反射率隨波長的變化是瑞利散射和米散射共同作用的結果，由于瑞利散射強度與波長四次方成反比，在較短波段大氣分子瑞利散射在總反射率和偏振反射率中占據的比重更大。因此在氣溶膠遙感中, 可適當選用中心波長較大的探測波段。

3 輻射矢量的敏感性分析

以550，670，865和1 020nm為例，分析了海洋氣溶膠多光譜偏振特性對氣溶膠光學厚度、探測角度、海水葉綠素a濃度和海面風速的敏感性。

圖3 總反射率和偏振反射率隨氣溶膠光學厚度的變化

3.1 氣溶膠光學厚度對偏振特性的影響

氣溶膠光學厚度是表征氣溶膠光學特性的重要參數。本文在氣溶膠類型恒定的情況下，模擬分析了其光學厚度對偏振特性的影響，模擬時太陽天頂角為20°，衛星天頂角為45°，相對方位角為150°，模擬實驗結果如圖3所示。

由圖3(a)可知，當氣溶膠光學厚度增至2.0時，各波段反射率增幅均大于0.13，即總反射率可以有效體現氣溶膠厚度信息；各波段反射率變化曲線的斜率接近，表明氣溶膠光學厚度對反射率的影響隨波長的變化很小，即對于相鄰譜段，不考慮大氣吸收時可認為反射率隨氣溶膠厚度的變化相同。

由圖3(b)可知，氣溶膠光學厚度對偏振反射率的影響存在明顯的譜段差異性。當氣溶膠厚度增至1.3時，各波段偏振反射率變化幅度約為0.007，且退偏強度隨波長增大而增大；當厚度繼續增大時，偏振信息不能穿透氣溶膠層，此時偏振反射率對氣溶膠總厚度的變化不敏感。對550 nm波段，氣溶膠光學厚度大于臨界值1.5時，偏振反射率幾乎不再變化，而1 020 nm的臨界值僅為1.0，表明各波段偏振信息在氣溶膠中穿透能力不同，穿透能力隨著波長的增大而減弱。

3.2 觀測角度對偏振特性的影響

多角度觀測是氣溶膠多光譜偏振遙感的重要手段。本文模擬分析了不同觀測角度下各波段的反射率和偏振反射率，模擬時太陽天頂角為20°，太陽方位角為180°，氣溶膠光學厚度為0.1，模擬實驗結果如圖4所示。

圖4 總反射率和偏振反射率隨觀測角度的變化

由圖4(a)和圖4(b)可知，由于太陽耀斑效應，各波段反射率增幅超過0.1，偏振反射率增幅超過0.03，且不同波段反射率以及偏振反射率差異很小。因此受太陽耀斑效應影響嚴重的區域，總反射率和偏振反射率主要為太陽耀斑貢獻，不能反映氣溶膠信息，在氣溶膠遙感中應避開此區域。

由圖4(c)和圖4(d)可知，觀測角度偏離鏡面方向時，隨衛星天頂角改變，各波段反射率變化幅度均超過0.02，表明反射率存在明顯的多角度效應；但各波段反射率隨角度變化規律一致，而偏振反射率隨角度的變化存在明顯的譜段差異性，波長越小，偏振反射率隨角度的變化越大。因此在氣溶膠的多光譜、多角度偏振遙感中，應注重偏振反射率隨觀測角度變化的光譜差異。

3.3 葉綠素a濃度對偏振特性的影響

影響海洋水體反射光譜分布的主要因素為浮游植物，可用葉綠素a濃度表征。本文模擬分析葉綠素a的影響時太陽天頂角為20°，衛星天頂角為45°，相對方位角為150°，氣溶膠光學厚度為0.1，模擬實驗結果如圖5所示。

由圖5(a)可知，當葉綠素a濃度增至3.0 mg·m-3時，550和670 nm處反射率增幅均大于2×10-3，865和1 020 nm處的反射率不隨葉綠素a濃度變化。表明在可見光波段，葉綠色素a濃度引起的反射率變化不可忽略；但在近紅外波段，反射率對葉綠素a濃度不敏感。

由圖5(b)可知，當葉綠素a濃度增至3.0 mg·m-3時，各波段偏振反射率的變化值均遠小于8×10-4，此時可以忽略，即可見近紅外波段的偏振反射率對葉綠素a濃度不敏感。因此運用大氣頂的多光譜偏振反射率反演海洋氣溶膠參數時，無需考慮海洋水體反射的影響。

圖5 總反射率和偏振反射率隨葉綠素a濃度的變化

3.4 海面風速對偏振特性的影響

海面風速是氣溶膠偏振遙感及反演中需重點考慮的因素。本文定量分析了不同風速下的反射率和偏振反射率，模擬時氣溶膠光學厚度為0.1，太陽天頂角為20°，衛星天頂角為45°，相對方位角為90°，模擬實驗結果如圖6所示。

圖6 總反射率和偏振反射率隨風速的變化

在偏離海面鏡面方向的區域，各波段反射率和偏振反射率均隨風速增大而增大，但增幅因波段而異。分析認為這是海洋白冠效應隨風速變化的結果，其中各波段反射率增幅均超過0.03，偏振反射率增幅均超過0.01，所以在氣溶膠偏振

遙感中即使避開受太陽耀斑影響的區域，也需考慮風速對總反射率和偏振反射率的影響，且不能忽略海洋白冠反射隨波長改變的問題。

4 結 論

通過求解矢量輻射傳輸方程，從光譜角度定量分析了海洋氣溶膠的偏振輻射特性。研究表明：(1)在可見近紅外波段，不考慮大氣吸收時可認為偏振輻射的光譜分布符合冪函數模型；(2)氣溶膠光學厚度引起各波段反射率的變化超過0.13，避開太陽耀斑影響時觀測角度引起的反射率變化為0.02，海水葉綠素a濃度引起的變化為0.002, 風速引起的變化為0.03，表明總反射率中主要包含氣溶膠光學厚度的信息，可用反射率反演氣溶膠厚度，但反演過程中需考慮觀測角度、下墊面反射和風速的影響；(3)海洋氣溶膠下墊面反射對偏振反射率的影響可以忽略；(4)不同波段的反射率隨氣溶膠厚度、觀測角度的變化一致，但偏振反射率隨各因素的變化存在明顯的譜段差異性，這證明了在氣溶膠偏振遙感中加入多光譜探測的必要性和優越性。因此，海洋氣溶膠的多光譜偏振信息能有效體現氣溶膠的自身特性，多光譜信息的加入有助于提高海洋氣溶膠的反演精度。

[1] Eck T F, Holben B N, Reid J S, et al.Journal of Geophysical Research, 1999, 104(D24): 31333.

[2] Hansen J, Sato M, Rud R.Journal of Geophysical Research, 1997, 102(D6): 6831.

[3] Coakley J A, Cess D, Yurevich F B.Jourenal of the Atmospheric Sciences, 1983, 40: 116.

[4] Hansen J, Nazarenko L, Ruedy R, et al.Science, 2005, 308: 1431.

[5] King M D, Kaufman Y J, Tanre D, et al.Bulletin of the American Meteorological Society, 1999, 80(11): 2229.

[6] Chowdhary J, Cairns B, Travis L D, et al.Journal of Atmospheric Sciences, 2003, 59(3): 383.

[7] HU Ya-dong, HU Qiao-yun, SUN Bin, et al(胡亞東，胡巧云，孫 斌，等).Optics and Precision Engineering(光學精密工程), 2015, 23(3): 652.

[8] GUO Hong, GU Xing-fa, XIE Dong-hai, et al(郭 紅，顧行發，謝東海，等).Spectroscopy and Spectral Analysis(光譜學與光譜分析), 2014, 34(7): 1873.

[9] CHEN Liang-fu, LI Shen-shen, TAO Jin-hua, et al(陳良富，李莘莘，陶金花，等).The Reasearch and Application of Aerosol Quantitative Remote Sensing Inversion (氣溶膠遙感定量反演研究與應用).Beijing：Science Press(北京：科學出版社), 2011.9.

[10] Cox C, Munk W.Journal of the Optical Society of America，1954, 44(11): 838.

[11] Koepke P.Applied Optics, 1984, 23(11): 1816.

[12] CHENG Tian-hai, GU Xing-fa, CHEN Liang-fu, et al(程天海，顧行發，陳良富, 等).Acta Physica Sinica(物理學報), 2008, 57(8): 5323.

(Received Mar.23, 2015; accepted Jul.19, 2015)

*Corresponding author

Multi-Spectral Polarized Properties of Ocean Aerosol

YANG Bin1, 2, YAN Chang-xiang1*

1.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

In order to improve the retrieval accuracy of ocean aerosol , quantitative study was carried out in terms of the multi-spectral polarized properties of the aerosol in visible and near-infrared wavebands.Firstly, an aerosol model and a sea surface model were built.And the vector radiative transfer procedure of light in aerosol and atmosphere-ocean interface was simulated accurately based on the successive order of scattering method.Then from the perspective of the spectrum, the reflectance and polarized reflectance at the top of atmosphere in typical wavebands were quantitatively analyzed.Based on this, the spectrum distribution model of ocean aerosol polarized radiation was presented.And the model was validated with satellite data.Lastly, the influences of aerosol optical depth, viewing angle, chlorophyll a concentration and wind speed on multi-spectral polarized radiation of ocean aerosol were studied.The study shows that the changes of aerosol multi-spectral polarized radiation with wavelength can be best described with power function model when ignoring the absorbtion of atmosphere and solar flare effect in visible and near-infrared wavebands.This phenomenon can be caused by Rayleigh scattering and Mie scattering.The influences of chlorophyll a concentration and wind speed on multi-spectral polarized radiation of ocean aerosol emerge as very different in different wavebands.Specifically, the influences of chlorophyll a concentration on reflectance and polarized reflectance both can be neglected in near-infrared waveband.But in visible waveband, the influence on the reflectance must not be neglected any longer.Due to the increasement of the wind speed, the reflectance and the polarized reflectance increased significantly.But there are differences in the increases in different wavebands.The multi-spectral polarized radiative information of ocean aerosol can embody its own charactersitics effectively.And furthermore, the change of polarized reflectance with each factor has more obvious differences in different wavebands compared with reflectance.As a result, the multi-spectral polarized information of ocean aerosol can be used to retrieve the parameters of the aerosol over the ocean.The achievement of multi-spectral information has great significance for improving the retrieval accuracy of the ocean aerosol.

Ocean aerosol；Multi-spectral；Vector radiative transfer equation；Polarization

2015-03-23，

2015-07-19

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2011AA12A103)資助

楊 斌，1990年生，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所碩士研究生 e-mail：yangbin8086@163.com *通訊聯系人 e-mail: yancx@ciomp.ac.cn

P236

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2736-06