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風(fēng)生海中氣泡對(duì)海洋光學(xué)反射比的影響*

2012-01-08 08:11:06賀明霞
關(guān)鍵詞:散射系數(shù)海面氣泡

楊 倩,賀明霞

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋遙感研究所,山東青島266003)

風(fēng)生海中氣泡對(duì)海洋光學(xué)反射比的影響*

楊 倩,賀明霞

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋遙感研究所,山東青島266003)

風(fēng)浪破碎是海中氣泡的主要成因。先前的研究基于理論計(jì)算和數(shù)值模擬,揭示了海中氣泡對(duì)光散射和海水反射比有不可忽略的影響。利用海洋光學(xué)和海面風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合Mie散射理論計(jì)算和海中光輻射傳遞數(shù)值模擬,研究風(fēng)浪破碎產(chǎn)生的海中氣泡對(duì)海水反射比的影響?,F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果表明,在光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的I類海水中,不同風(fēng)速下海洋光學(xué)反射比的不同主要源于海中氣泡的貢獻(xiàn)。

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(wú)處不在,主要由風(fēng)浪破碎產(chǎn)生[1]。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)7m·s-1,頻繁的風(fēng)浪破碎能持續(xù)產(chǎn)生海中氣泡[2]。風(fēng)浪破碎產(chǎn)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(shù)值模擬指出,海洋上層氣泡對(duì)光散射和海水反射比有重要貢獻(xiàn)[4-9]。這些研究都是針對(duì)浮游植物及其衍生物占主導(dǎo)的I類水域,而且,這些研究結(jié)果多基于理論計(jì)算和數(shù)值模擬。一些作者研究了船尾跡氣泡對(duì)光學(xué)的影響[10-12]。

本文利用中國(guó)東海海洋光學(xué)和海面風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)Mie散射理論計(jì)算和海中光輻射傳遞數(shù)值模擬,研究了風(fēng)浪破碎注入的氣泡對(duì)I類水域海洋光學(xué)反射比的影響,解釋了不同風(fēng)速下反射比的不同主要源于海中氣泡。

1 海洋光學(xué)和海面風(fēng)速同步現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)個(gè)例分析

本文使用的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)海洋大學(xué)海洋遙感研究所海洋光學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)(ORSIO2DB),測(cè)量站位W1008是連續(xù)站,位于東海黑潮流經(jīng)區(qū)域(見(jiàn)圖1),水深720m,測(cè)量時(shí)間分別是2007年2月5日10:20(W1008-7)和12:27(W1008-8)。測(cè)量?jī)x器和參數(shù)包括加拿大Satlantic公司的海面高光譜輻射計(jì)TSRB(Tethered Spectral Radiometer Buoy)測(cè)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(guó)WetLabs公司的高光譜吸收衰減儀ac-s測(cè)量吸收系數(shù)a(λ,z)(m-1)和衰減系數(shù)c(λ,z)(m-1),以及風(fēng)速計(jì)測(cè)量海面風(fēng)速。

圖1 中國(guó)東?,F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)站位圖。Fig.1 Experimental site in the East Sea of China

海面風(fēng)速觀測(cè)結(jié)果,W1008-7為10m·s-1,W1008-8為6m·s-1。

TSRB測(cè)量的水下0.65m處向上輻亮度利用經(jīng)驗(yàn)算法可推算到海面向上輻亮度Lu(λ,0+),進(jìn)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(lái)誤差[6]。因此,本文將直接使用包含近表層氣泡貢獻(xiàn)的Lu(λ,0.65)數(shù)據(jù)??紤]到2次測(cè)量的入射光強(qiáng)不同,所以本文利用Lu(λ,0.65)與Ed(λ,0+)的比值來(lái)表征海洋光學(xué)反射比,比值記為r(λ)(sr-1)。圖2顯示了W1008-7和W1008-8 2次測(cè)量的r(λ)光譜分布??梢钥闯?,2次測(cè)量的r(λ)是不同的,風(fēng)速較大的W1008-7對(duì)應(yīng)的r(λ)大于風(fēng)速較小的W1008-8對(duì)應(yīng)的r(λ),尤其在波長(zhǎng)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(duì)海洋光學(xué)反射比的影響。

圖2 W1008-7和W1008-8測(cè)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(cè)量的除純海水外的吸收系數(shù)、散射系數(shù)光譜分布(6~8m深度內(nèi)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(cè)量的海洋光學(xué)參數(shù)還包括除純海水外的吸收系數(shù)apg(λ,z)和衰減系數(shù)cpg(λ,z)(下標(biāo)p表示粒子,g表示有色可溶有機(jī)物),兩者相減可得散射系數(shù)bp(λ,z)。在太平洋,海面風(fēng)速10ms-1時(shí),氣泡層平均深度4~5m[13]。因此大風(fēng)速情況下,水深大于5m的apg(λ,z)、cpg(λ,z)觀測(cè)值可以看作是不包含氣泡的背景海水的固有光學(xué)性質(zhì)。圖3為除純海水外的吸收、散射系數(shù)6~8m深度內(nèi)均值??梢钥闯?,apg(λ)、bp(λ)的數(shù)值很小,說(shuō)明該站位的海水很清潔,甚至接近ac-s的測(cè)量精確度。在400~449nm光譜范圍內(nèi)ac-s的測(cè)量精確度為±0.015m-1。但這不影響本文的研究,因?yàn)楸疚年P(guān)心的是W1008-7和W1008-8 2次測(cè)量背景海水光學(xué)性質(zhì)的差異。從圖3可以看出,2次測(cè)量的吸收系數(shù)或散射系數(shù)的光譜形狀相近,數(shù)值上的差別小于ac-s的測(cè)量精確度,說(shuō)明2h內(nèi)W1008站位除氣泡外的背景海水的光學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的。比較圖2和圖3,表明不同風(fēng)速條件下海水反射比r(λ)的差異歸因于風(fēng)浪破碎產(chǎn)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(jié)果

為了從海洋輻射傳遞理論進(jìn)一步證明W1008-7和W1008-8觀測(cè)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(jìn)行海洋輻射傳遞數(shù)值模擬[14]。Ecolight數(shù)值模型是Hydrolight輻射傳遞模擬計(jì)算軟件的新版本,用于計(jì)算方位平均的輻射傳遞方程。

模擬輸入的海水固有光學(xué)參數(shù)來(lái)自3種海水組分的貢獻(xiàn):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(jī)物。

純海水的吸收系數(shù)和散射系數(shù)分別來(lái)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(xué)參數(shù)的輸入?yún)⒖硷L(fēng)速較小的觀測(cè)數(shù)據(jù)W1008-8,其中吸收系數(shù)apg(λ)直接采用ac-s的測(cè)量數(shù)據(jù)。粒子散射系數(shù)bp(λ)采用Ecolight自帶的模型,其參考波段(660nm)的散射系數(shù)采用ac-s測(cè)量值。粒子散射相函數(shù)采用Ecolight自帶的Fourier-Forand相函數(shù),其中粒子后向散射比bbp(λ)/bp(λ)設(shè)置為波長(zhǎng)的函數(shù),采用Ecolight自帶的冪函數(shù)形式

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

其中Qb,bub(r)是單個(gè)氣泡的無(wú)量綱散射效率因子,可以通過(guò)Mie散射理論計(jì)算得到[19],氣泡相對(duì)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(shè)為10和300μm,10μm是目前儀器能測(cè)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(duì)應(yīng)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(fēng)速的關(guān)系(見(jiàn)圖4)。海面風(fēng)速約10m·s-1時(shí),水深0.7m處海中氣泡占空比10-5。將VF=10-5對(duì)應(yīng)的氣泡粒徑分布代入公式(1)計(jì)算了氣泡散射系數(shù)bbub。氣泡體積散射函數(shù)βbub(ψ)(m-1·sr-1)由下式計(jì)算

圖4 水深0.7m的氣泡占空比VF0.7m測(cè)量均值隨海面10m處風(fēng)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(yáng)天頂角、云覆蓋比例、海面風(fēng)速等參考W1008-8站位信息,考慮到站位水深遠(yuǎn)大于光穿透深度,因此水體設(shè)為無(wú)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(chǔ)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(shí)線所示。比較圖5與圖2可以看出,W1008-7和W1008-8 2次測(cè)量的r(λ)的差異與風(fēng)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(jié)果。由此證明了光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的I類水域,不同風(fēng)速下海洋光學(xué)反射比的不同主要源于海中氣泡的貢獻(xiàn),這與Zhang[20]海洋輻射傳遞數(shù)值模擬結(jié)果一致。圖5數(shù)值模擬的r(λ)與圖2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的r(λ)在數(shù)值上的差別是模擬和測(cè)量誤差引起的。本文利用同步現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)再次證明了前人基于數(shù)值模擬所揭示的海中氣泡對(duì)大洋中海水反射比不可忽略的貢獻(xiàn)[6,8],海中氣泡是海洋光學(xué)中長(zhǎng)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(fēng)速10m·s-1,實(shí)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(jié)語(yǔ)

本文利用海洋光學(xué)和海面風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合Mie散射理論計(jì)算和海中光輻射傳遞數(shù)值模擬,研究了風(fēng)浪破碎產(chǎn)生的海中氣泡對(duì)海洋光學(xué)反射比的影響。再次證明了前人基于數(shù)值模擬所揭示的海中氣泡對(duì)大洋中海水光學(xué)反射比不可忽略的貢獻(xiàn)。本文僅是1個(gè)初步的個(gè)例研究結(jié)果。

海中氣泡對(duì)海洋光學(xué)和衛(wèi)星海色遙感的影響,以及在光學(xué)性質(zhì)復(fù)雜的近岸海域的貢獻(xiàn)有待進(jìn)一步的文章發(fā)表。

致謝:感謝中國(guó)海洋大學(xué)海洋遙感研究所海洋光學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)提供的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。

[1] Pumphrey H C,Elmore P A.The entrainment of bubbles by drop impacts[J].Journal of Fluid Mechanics,1990(220):539-567.

[2] Thorpe S A.On the clouds of bubbles formed by breaking wind waves in deep water,and their role in air-sea transfer[J].Philosophical Transactions of the Royal Society of London A,1982(304):155-210.

[3] Johnson B D.Bubble populations:Background and breaking waves[M].Monahan E C,Miocail G M.Oceanic Whitecaps and their role in air-sea exchange processes,Holland:D Reidel Dordrecht,1986:69-73.

[4] Zhang X,Lewis M R,Johnson B D.Influence of bubbles on scattering of light in the ocean[J].Applied Optics,1998(37):6525-6536.

[5] Terrill E J,Melville W K,Stramski D.Bubble entrainment by breaking waves and their influence on optical scattering in the upper ocean[J].Journal of Geophysical Research,2001(106):16815-16823.

[6] Stramski D,Tegowski J.Effects of intermittent entrainment of air bubbles by breaking wind waves on ocean reflectance and underwater light field[J].Journal of Geophysical Research,2001(106):31345-31360.

[7] Zhang X,Lewis M R.The volume scattering function of natural bubble populations[J].Limnology and Oceanography,2002(47):1273-1282.

[8] Zhang X,HE M-X,Yang Q,et al.Effects of winds on ocean color[C].America:Proceedings of the 2006International Geosicence and Remote Sensing Symposium(IGARSS'06),2006:4056-4060.

[9] Piskozub J,Stramski D,Terrill E,et al.Small-scale effects of underwater bubble clouds on ocean reflectance:3-D modeling results[J].Optics Express,2009(17):11747-11752.

[10] Zhang X,Lewis M R,Bissett W P,et al.Optical influence of ship wakes[J].Applied Optics,2004,43:3122-3132.

[11] 張宇,張永剛,王華.西沙群島附近海域船舶尾跡水體遙感反射率特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和分析[J].熱帶海洋學(xué)報(bào),2007(26):22-25.

[12] 張宇,張永剛,王華,等.二類水體中船舶含氣泡尾跡海水表觀光學(xué)特性的測(cè)量與分析[J].遙感學(xué)報(bào),2008(12):15-22.

[13] Farmer D M,Vagle S.Waveguide propagation of ambient sound in the ocean-surface bubble layer[J].Journal of the Acoustical Society of America,1989(86):1897-1908.

[14] Mobley C D,Sundman L K.Hydrolight 5Ecolight 5Technical Documentation[M].Washington:Sequoia Scientific Inc,2008:100.

[15] Pope R M,F(xiàn)ry E S.Absorption spectrum(380-700nm)of pure water.Ⅱ.Integrating cavity measurements[J].Applied Optics,1997(36):8710-8723.

[16] Morel A.Optical properties of pure water and pure sea water[M].Optical Aspects of Oceanography,New York:N G Jerlov and E S Nielsen,1974:1-24.

[17] O'Hern T J,D'Agostino L,Acosta A J.Comparison of holographic and Coulter counter measurement of cavitation nuclei in the ocean[J].Journal of Fluids Engineering,1998(110):200-207.

[18] Hall M.A comprehensive model of wind-generated bubbles in the ocean and predictions of the effects on sound propagation at frequencies up to 40kHz[J].Journal of the Acoustical Society of America,1989(86):1103-1117.

[19] Bohren C F,Huffman D R.Absorption and scattering of light by small particles[M].New York:Wiley,1983:541.

[20] Zhang X.Influence of bubbles on water-leaving reflectance[D].Dalhousie:Dalhousie University,2001.

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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(60638020)資助

2011-04-25;

2011-08-10

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

責(zé)任編輯 陳呈超

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