海洋辐射传递

辐射在海洋中迭次受到散射和吸收所导致的海中辐射场的变化

辐射在海洋中迭次受到散射和吸收所导致的海中辐射场的变化。海洋辐射传递理论用于定量地研究海洋水体中辐射能的传递问题，它是水中能见度、窄光束或漫发光体的辐射在水中传输、海面向上的光谱辐射、海洋光学测量等在应用方面的理论基础，是海洋光学的核心理论问题。

研究简况

从20世纪40年代以来，有不少关于海洋辐射传递的实验研究和理论研究：①实验方面，主要是测量现场的辐射场分布。为了获得理想条件下的实测数据，美国斯克里普斯海洋研究所在水体十分均匀的湖中，精确测量了水中不同深度的辐射场分布，得到较理想的结果。

②理论方面，主要从海洋辐射传递方程出发，计算水中不同深度的辐射场分布。至60年代，已建立了较完整的理论模型，这种理论研究和实验测量有比较一致的结果。在此基础上，形成了较完整的海洋辐射传递理论和一套近似的数值计算方法。用它们分析海洋光学性质之间的关系，并导出了水中能见度理论的对比度传输方程。自70年代以来，随着激光与遥感、水中图象传输等应用研究的开展，窄光束的辐射传递和海－气系统的辐射传递，显得尤为重要。由于海洋辐射问题的重要性和复杂性，它至今仍然处在不断研究之中，不少理论和应用方面的问题，有待于人们去解决。

传递方程

按照海洋辐射传递的辐亮度模型，光从水深为z0的M处沿路径MN传输至水深为z的N处的光辐射,通过了距离为Δr的路径时，在θ 方向受海水的散射而损失的能量，同海水的总散射系数b成正比;由于海水的吸收而损失的能量，同海水吸收系数α 成正比。路径Δr周围的辐射场，受到水体散射而转换为θ方向的辐亮度增量,与海水的体积散射函数β和Δr周围的辐亮度L成正比,用L*表示。所以，沿路径Δr的辐亮度变化ΔL，等于沿Δr辐亮度的衰减[-(α+b)L·Δr]加上沿Δr 的辐亮度增量L*。当Δr→0时，即得辐射传递方程式中μ=α+b为海水的线性衰减系数;L*是β和L的乘积沿空间4π立体角的积分。因此,辐射传递方程是一种微分积分方程，一般难以解析求解，求其数值解的运算量也很大，必须采用大容量的电子计算机。最有效的数值求解方法是蒙特卡罗方法。另一种有效的方法为分离坐标法，即将体积散射函数β按勒让德多项式展开，使方程的求解转化为N个易于求解的微分积分方程。

经典问题

已知海中各点的固有光学性质和其边界的辐射场，求海中各处的辐射场。斯克里普斯海洋研究所在均匀水体中测得各深度的辐亮度分布,结果表明:到达一定深度以后,辐射场分布的形状相同，为一椭球,它仅仅决定于海水固有的光学性质，而与表层辐射场没有关系。椭球的离心率决定于线性衰减系数μ和总散射系数b。

逆问题

与经典问题相反，已知辐射场在海中的分布，求解海水的固有光学性质。其方法是将辐射场分布L和体积散射函数β表示成勒让德函数序列,代入辐射传递方程后，求解β和μ。这为遥感探测海洋表层光学参数奠定了理论基础，是光学遥感测定海中悬浮物质和溶解物质的重要依据。

窄光束的辐射传递　由于激光的发展和激光雷达、激光水下－空中通讯等在海洋中的应用，已对高方向性窄光束的海洋辐射传递问题进行了不少研究，为激光雷达由光束在海洋中往返传播的计算,提供了理论依据,又为确定海水的光学传递函数奠定基础。当高方向性的光束通过海水时，受到散射而使方向的特征模糊化，如同尖脉冲的信号通过电信系统后脉宽扩展那样。这种展宽信号称为系统的脉冲响应，其傅里叶变换函数称为系统的传递函数。因为光束通过海水介质的过程，和信号通过电讯系统的过程相类似，所以引入海水光学传递函数这一重要的概念，从通信系统的理论中获得研究海洋辐射传递的重要方法。这样一来，水中图象的传输理论即可归结为海水光学传递函数问题。因海水散射而导致水中图象模糊的现象，即对应于海水光学传递函数所导出的信息量损失。

海－气系统的辐射传递,空间遥感所接收到的海洋向上光谱辐射,必然受到大气的作用和影响。因此海-气系统的辐射传递问题，在70年代后已成为海洋光学的重要研究内容。典型的海-气系统的辐射传递模型是,将空间遥感传感器所接收到的辐射，看作 3种来源的辐射的叠加：①大气散射光，②海面反射光，③海洋水体的向上辐射。因为后者是海洋遥感所关心的信息，所以必须从传感器接收到的信号中消除大气散射光和海面反射光的影响，这称为大气校正。一种有效的方法是利用传感器接收到的多光谱信号代入光谱辐射传递方程，解方程求出海洋水体向上的辐射。如果选取不同的海水体积散射函数β(θ，λ)的模型，用蒙特卡罗方法可建立海洋水体向上的辐射和β(θ，λ)之间的关系。因此可由海洋水体的向上光谱辐射，估算出海洋水体悬浮物和溶解物的含量。这种方法已成功地用来处理“雨云-7”号卫星的海岸带海色扫描仪(CZCS)的多光谱信息。

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