风生海中气泡对海洋光学反射比的影响＊

杨 倩，贺明霞

（中国海洋大学海洋遥感研究所，山东青岛266003）

风生海中气泡对海洋光学反射比的影响＊

杨 倩，贺明霞

（中国海洋大学海洋遥感研究所，山东青岛266003）

风浪破碎是海中气泡的主要成因。先前的研究基于理论计算和数值模拟，揭示了海中气泡对光散射和海水反射比有不可忽略的影响。利用海洋光学和海面风速现场观测数据，结合Mie散射理论计算和海中光辐射传递数值模拟，研究风浪破碎产生的海中气泡对海水反射比的影响。现场观测和数值模拟结果表明，在光学性质稳定的I类海水中，不同风速下海洋光学反射比的不同主要源于海中气泡的贡献。

海中气泡；反射比；Mie散射；辐射传递模拟

海中气泡在上层海洋无处不在，主要由风浪破碎产生［1］。当风速超过7m·s－1，频繁的风浪破碎能持续产生海中气泡［2］。风浪破碎产生的较大气泡很快上升到海面破碎形成白帽，较小气泡则在海表面下形成近乎水平均匀的气泡层［3］。已有研究基于Mie散射理论、海中光辐射传递数值模拟指出，海洋上层气泡对光散射和海水反射比有重要贡献［4－9］。这些研究都是针对浮游植物及其衍生物占主导的I类水域，而且，这些研究结果多基于理论计算和数值模拟。一些作者研究了船尾迹气泡对光学的影响［10－12］。

本文利用中国东海海洋光学和海面风速现场观测数据，通过Mie散射理论计算和海中光辐射传递数值模拟，研究了风浪破碎注入的气泡对I类水域海洋光学反射比的影响，解释了不同风速下反射比的不同主要源于海中气泡。

1 海洋光学和海面风速同步现场观测个例分析

本文使用的现场观测数据来自中国海洋大学海洋遥感研究所海洋光学数据库（ORSIO2DB），测量站位W1008是连续站，位于东海黑潮流经区域（见图1），水深720m，测量时间分别是2007年2月5日10：20（W1008－7）和12：27（W1008－8）。测量仪器和参数包括加拿大Satlantic公司的海面高光谱辐射计TSRB（Tethered Spectral Radiometer Buoy）测量水下0.65m处的向上光谱辐亮度Lu（λ，0.65）（μm·cm－2·nm－1·sr－1）和海面向下光谱辐照度Ed（λ，0＋）（μm·cm－2·nm－1）、美国WetLabs公司的高光谱吸收衰减仪ac－s测量吸收系数a（λ，z）（m－1）和衰减系数c（λ，z）（m－1），以及风速计测量海面风速。

图1 中国东海现场实验站位图。Fig.1 Experimental site in the East Sea of China

海面风速观测结果，W1008－7为10m·s－1，W1008－8为6m·s－1。

TSRB测量的水下0.65m处向上辐亮度利用经验算法可推算到海面向上辐亮度Lu（λ，0＋），进而得到遥感反射比Rrs（λ）＝Lu（λ，0＋）／Ed（λ，0＋）（sr－1）。然而，海中气泡影响向上辐亮度的剖面分布，从而给外推估算Lu（λ，0＋）带来误差［6］。因此，本文将直接使用包含近表层气泡贡献的Lu（λ，0.65）数据。考虑到2次测量的入射光强不同，所以本文利用Lu（λ，0.65）与Ed（λ，0＋）的比值来表征海洋光学反射比，比值记为r（λ）（sr－1）。图2显示了W1008－7和W1008－8 2次测量的r（λ）光谱分布。可以看出，2次测量的r（λ）是不同的，风速较大的W1008－7对应的r（λ）大于风速较小的W1008－8对应的r（λ），尤其在波长小于550nm波段。在550～600nm以上波段，由于纯海水吸收的显著增大压制气泡对海洋光学反射比的影响。

图2 W1008－7和W1008－8测量的r（λ）光谱分布Fig.2 The measurements of r（λ）spectra for W1008－7and W1008－8

图3 W1008－7和W1008－8测量的除纯海水外的吸收系数、散射系数光谱分布（6～8m深度内均值）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

与TSRB同步测量的海洋光学参数还包括除纯海水外的吸收系数apg（λ，z）和衰减系数cpg（λ，z）（下标p表示粒子，g表示有色可溶有机物），两者相减可得散射系数bp（λ，z）。在太平洋，海面风速10ms－1时，气泡层平均深度4～5m［13］。因此大风速情况下，水深大于5m的apg（λ，z）、cpg（λ，z）观测值可以看作是不包含气泡的背景海水的固有光学性质。图3为除纯海水外的吸收、散射系数6～8m深度内均值。可以看出，apg（λ）、bp（λ）的数值很小，说明该站位的海水很清洁，甚至接近ac－s的测量精确度。在400～449nm光谱范围内ac－s的测量精确度为±0.015m－1。但这不影响本文的研究，因为本文关心的是W1008－7和W1008－8 2次测量背景海水光学性质的差异。从图3可以看出，2次测量的吸收系数或散射系数的光谱形状相近，数值上的差别小于ac－s的测量精确度，说明2h内W1008站位除气泡外的背景海水的光学性质是稳定的。比较图2和图3，表明不同风速条件下海水反射比r（λ）的差异归因于风浪破碎产生的海中气泡，海中气泡的注入增大了海水反射比。

2 海洋辐射传递模拟结果

为了从海洋辐射传递理论进一步证明W1008－7和W1008－8观测的海水反射比的不同是海中气泡引起的，本文利用Ecolight软件（Sequoia Sci.，Inc）进行海洋辐射传递数值模拟［14］。Ecolight数值模型是Hydrolight辐射传递模拟计算软件的新版本，用于计算方位平均的辐射传递方程。

模拟输入的海水固有光学参数来自3种海水组分的贡献：纯海水、海中气泡和其他组分包括各种悬浮粒子和有色可溶有机物。

纯海水的吸收系数和散射系数分别来自Pope and Fry［15］和Morel［16］。除纯海水和海中气泡外的其他组分的固有光学参数的输入参考风速较小的观测数据W1008－8，其中吸收系数apg（λ）直接采用ac－s的测量数据。粒子散射系数bp（λ）采用Ecolight自带的模型，其参考波段（660nm）的散射系数采用ac－s测量值。粒子散射相函数采用Ecolight自带的Fourier－Forand相函数，其中粒子后向散射比bbp（λ）／bp（λ）设置为波长的函数，采用Ecolight自带的幂函数形式

海中气泡的吸收系数可以忽略不计［4］，散射系数bbub（m－1）可以通过下式计算得到，

其中Qb，bub（r）是单个气泡的无量纲散射效率因子，可以通过Mie散射理论计算得到［19］，气泡相对于水的折射率为0.75。rmin和rmax分别为气泡的最小、最大半径，设为10和300μm，10μm是目前仪器能测量到的海中气泡的最小半径［17］。n（r）（m－3·μm－1）是气泡粒径分布，采用Hall［18］建立的海中气泡粒径分布模型。不同的n（r）对应不同的海中气泡占空比VF（void fraction），VF由下式定义，

Terrill et al.［5］给出水深0.7m处海中气泡占空比与海面风速的关系（见图4）。海面风速约10m·s－1时，水深0.7m处海中气泡占空比10－5。将VF＝10－5对应的气泡粒径分布代入公式（1）计算了气泡散射系数bbub。气泡体积散射函数βbub（ψ）（m－1·sr－1）由下式计算

图4 水深0.7m的气泡占空比VF0.7m测量均值随海面10m处风速U10的变化Fig.4 Dependence of the mean void fraction measured at 0.7m depth versus 10mwind speed

模拟中输入的边界条件如太阳天顶角、云覆盖比例、海面风速等参考W1008－8站位信息，考虑到站位水深远大于光穿透深度，因此水体设为无限深。模拟的光谱范围为400～750nm，光谱分辨率4nm。

首先，Ecolight辐射传递模拟得到一组不含气泡的海水的r（λ）光谱分布，如图5虚线所示；然后，在此模拟基础上，加入另一种组分——海中气泡，再次模拟得到一组r（λ）光谱，如图5实线所示。比较图5与图2可以看出，W1008－7和W1008－8 2次测量的r（λ）的差异与风速10m·s－1情况下海中气泡引起的r（λ）的差异相近，图5从海洋辐射传递理论上证明了图2的结果。由此证明了光学性质稳定的I类水域，不同风速下海洋光学反射比的不同主要源于海中气泡的贡献，这与Zhang［20］海洋辐射传递数值模拟结果一致。图5数值模拟的r（λ）与图2现场测量的r（λ）在数值上的差别是模拟和测量误差引起的。本文利用同步现场观测数据再次证明了前人基于数值模拟所揭示的海中气泡对大洋中海水反射比不可忽略的贡献［6，8］，海中气泡是海洋光学中长期被忽略的后向散射源。

图5 模拟的不含气泡（虚线）和含气泡（风速10m·s－1，实线）的r（λ）光谱分布Fig.5 The simulated r（λ）spectra for waters without bubbles（dashed line）and with bubbles（wind speed 10m·s－1，solid line）

3 结语

本文利用海洋光学和海面风速现场观测数据，结合Mie散射理论计算和海中光辐射传递数值模拟，研究了风浪破碎产生的海中气泡对海洋光学反射比的影响。再次证明了前人基于数值模拟所揭示的海中气泡对大洋中海水光学反射比不可忽略的贡献。本文仅是1个初步的个例研究结果。

海中气泡对海洋光学和卫星海色遥感的影响，以及在光学性质复杂的近岸海域的贡献有待进一步的文章发表。

致谢：感谢中国海洋大学海洋遥感研究所海洋光学数据库提供的现场测量数据。

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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

国家自然科学基金重点项目（60638020）资助

2011－04－25；

2011－08－10

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

责任编辑 陈呈超