[发明专利]应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法

摘要

本发明公开了一种应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法，考虑了实际海洋大气条件下太阳入射角度、海面风速、叶绿素浓度、海表面粗糙度、大气浑浊度以及折射率的波长依赖性等多维元素的复合影响，同时考虑了实际海洋环境下白帽和飞沫对海表反照率的影响效应。基于海洋‑大气耦合辐射传输理论和实际海洋多光学平台观测数据，对海表反照率实现了多维元素的参数化，实现了0.2‑14.3微米波谱区间全谱段海表反照率的计算，结果精度和计算效率均可满足气候、遥感及海洋空间光电工程的应用需求。

主权项

应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法，其特征在于：基于海洋‑大气耦合辐射传输理论，考虑不同海水折射率、不同太阳入射角度、不同海洋环境对海表反照率的贡献，并结合实际海洋多光学平台观测数据，对海表反照率进行多维元素的参数化，实现了0.2‑14.3微米波谱区间全谱段海表反照率的计算，具体过程如下：对于无白帽和飞沫的海洋环境，其海表反照率计算方法如公式(1)：α_{λ，foam_free}＝f_λ,diffα_λ,diff+(1‑f_λ,diff)α_λ,dir         (1)公式(1)中，α_{λ，foam_free}表示波长λ处，无海洋飞沫和白帽发生的海表面光谱反照率，f_λ,diff表示入射辐射场中漫射成分比例，α_λ,diff表示包括发生在海表面处的漫反射部分以及光子在水下散射后逸至海表面处的漫射出射部分的散射反照率，α_λ,dir表示包括海表面对直射辐射的反射部分和海水内部体散射贡献的直射反照率，公式(1)中，α_λ,dir用公式(2)计算：${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{ow}---\left(2\right),$公式(2)中，用下式计算：${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os}(n_w,{\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\σ})=\frac{{\mathrm{\ρ}}_F(n_w,{\mathrm{\θ}}_s)}{{\mathrm{\ρ}}_F(1.341,{\mathrm{\θ}}_s)}\[{\mathrm{\ρ}}_F(1.341,{\mathrm{\θ}}_s)-\mathrm{\η}({\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\σ})\]---\left(3\right),$其中ρ_F可用菲涅尔反射公式计算如下：${\mathrm{\ρ}}_F(n_w,{\mathrm{\θ}}_s)=\frac{1}{2}\[{\left(\frac{{\mathrm{cos\θ}}_s-\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}{{\mathrm{cos\θ}}_s+\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}\right)}^2+{\left(\frac{n_w^2{\mathrm{cos\θ}}_s-\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}{n_w^2{\mathrm{cos\θ}}_s+\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}\right)}^2\]---\left(4\right),$公式(3)和(4)中，n_w表示不同海水的折射率，σ表示海面粗糙度，θ_s表示太阳天顶角；η(θ_s,σ)是利用多元回归技术得到的回归函数；公式(2)中，用下式计算：${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{ow}=\frac{0.52R_{\mathrm{\λ},w}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os})}{1-0.48R_{\mathrm{\λ},w}}---\left(5\right)$公式(5)中，贴水层下表面辐照度反射率R_λ,w利用下式获得：$R_{\mathrm{\λ},w}=0.33\frac{b_{\mathrm{\λ},b}}{a_{\mathrm{\λ}}}---\left(6\right)$其中，b_λ,b为不同类型水体的综合后向散射系数，a_λ表示不同类型水体的吸收系数；对于有白帽和飞沫的海洋环境，白帽和飞沫对太阳直射海表面时的反照率的贡献需要考虑，考虑到白帽覆盖率在足够持续的海风情况下是随风速的立方变化的，所以对于实际海洋环境，通过基于不同风速下海表面飞沫和白帽覆盖率C_foam的有效计算，可得到海洋飞沫和白帽影响下的随机起伏海面光谱反照率α_λ：α_λ＝(1‑C_foam)α_{λ，foam_free}+C_foamα_λ，foam    (7)α_{λ，foam_free}表示波长λ处，有海洋飞沫和白帽发生的海表面光谱反照率，其中，海表面飞沫和白帽覆盖率C_foam用下式计算：$C_{foam}=2.951\×{10}^{-6}{U}_{10}^{3.52}---\left(8\right)$公式(8)中，U₁₀为距离海表面10米高度处的海风风速，至此便实现了高精度随机起伏海表面可见‑近红外光谱反照率的理论计算；对于0.2‑14.3微米谱段的海表反照率α_λ，结合实际海洋多光学平台实测海洋飞沫和白帽反照率α_λ,foam和海水反照率α_λ,seawater观测数据，通过下式计算：α_λ＝(1‑C_foam)α_{λ，seawater}+C_foamα_λ，foam    (9)通过光谱插值运算，可获取0.2‑14.3微米波段任意波长处海表反照率的计算。