基于反照率的海冰内部颗粒物和黄色物质的定量研究

The particulate matter (PM) and Chromophoric dissolved organic matter (CDOM) occurred within sea ice, which is resulted by the impaction of suspended sediment within seawater, atmospheric deposition on the ice surface and biological growth activities within sea ice. The presence of PM and CDOM within sea ice would influence the absorption and scattering of solar irradiance, and then, it would result in some errors for the remote sensing, change the mass budget in polar region, and influence the growth activities of biology in seawater underlying the sea ice. Thereby, it is important to find a way to determine the concentration of PM and CDOM within sea ice..There is little discrepancy of absorption spectrum between PM and CDOM.A method of sub-band will be adopted in this project to obtain the concentration of PM and CDOM within sea ice. At the long wavelength, a semi-analytical optic model will be established to make a relationship between the concentration of PM and sea ice albedo, then, the concentration of PM could be inferred with the albedo. Furthermore, the absorption of PM could be derived from the albedo, with an empirical model established to connect the absorption and concentration of PM. At the short wavelength, the albedo will be corrected by removing the effects of PM. A relationship can be gotten between the corrected albedo and the absorption of CDOM. At the short wavelength, at last, the concentration of CDOM could be derived from the albedo, with the semi-analytical optic model of the concentration of PM and albedo, and the empirical model of the absorption and concentration of PM.

受到海水悬浮泥沙、大气沉降及生物生长活动等的影响，导致了颗粒物（PM）和有色溶解有机物（CDOM）存在于海冰之中。海冰中PM和CDOM的存在影响了太阳辐射在海冰中的吸收和散射,进而影响了遥感数据的反演、冰区的能量收支、以及海冰下层生物的生长等，因此研究海冰中PM和CDOM的含量具有重要的意义。. 鉴于PM和CDOM具有相似的吸收特性，本项目将采用分波段法提取海冰中PM和CDOM的含量。在长波波段建立PM浓度与海冰反照率的半分析模型，实现反照率反演海冰内部PM的浓度；再建立PM浓度与吸收的经验模型，实现海冰反照率可进一步地反演PM的吸收；在短波波段将海冰反照率扣除PM吸收的影响，建立其与海冰CDOM吸收的相关关系，从而实现在短波波段利用实测的海冰反照率，结合PM浓度与反照率的半分析模型，以及PM浓度与吸收的经验模型，实现CDOM含量的反演。

海冰“杂质”在大尺度空间上的分布，降低了冰区的反照率，增大海冰的热吸收，从而加速海冰的融化，海冰的融化又进一步地降低了海冰的反照率，这属于海冰反照率的自反馈过程，因此海冰“杂质”的存在影响了冰区的能量平衡，影响了全球的气候变化，同时也在一定程度上加速了海平面的上涨；海冰“杂质”的存在影响了海冰下层太阳光场的分布，不仅减小了紫外光波段对生物的破坏作用，同时还减小了光合有效波段的辐射，影响了生物的光合作用，因此海冰“杂质”的存在改变了冰区下层的种群结构，在一定程度上影响了冰区的生态环境；浮冰携带的“杂质”增强了海区间的物质交换，从而对海洋地质沉积物的类型分布产生了一定的影响。随着全球大气污染日益严重，利用反照率对海冰表层“杂质”含量的定量反演，可以获得冰区海冰表层“杂质”在时间上的增量，进而为冰区大气沉降的监测提供一个新的方法。.颗粒物的存在，降低了海冰短波波段的反照率，本文通过辐射传输模型模拟纯海冰的反照率，然后与含有颗粒物的海冰反照率进行比较，选取两个短波波段的纯海冰和含颗粒海冰的反照率差异的比值，来描述海冰内部颗粒物浓度；通过现场和实验室测量，寻找反照率差异的比值和颗粒物浓度的关系，实现反照率对海冰内部颗粒物的估算。现场和实验室测量如：a.辽东湾现场选取具有相似表面类型但颗粒物含量具有一定差异的海冰，测量其反照率；b.鉴于现场站点的局限性，又于实验室人工制作海冰，在控制实验的前提下，达到海冰表层颗粒物浓度阶梯变化的要求，然后通过实验室卤钨灯作为稳定光源照射海冰，利用海冰高光谱辐射系统测量人工海冰的反照率，最终实验室数据的获取； .将获得的模型用于MODIS卫星来估算辽东湾海冰表层的颗粒物，通过与现场实测的结果验证发现，其平均估算误差为31.2%。估算2005年至2010年所有1月份海冰的平均颗粒含量为0.025 g/L；经过一个月的大气颗粒沉降之后其平均颗粒含量为0.038 g/L。最终利用颗粒物的时间差所产生的增量，获取大气的颗粒沉降约为2.50 t/km2/month。这个值与前人现场所测量的结果2.20 t/km2/month具有较好的吻合，通过研究颗粒沉降随时间的变化与附近城市的年变化进行对比，其趋势具有一致性，因此本文所研究的海冰颗粒物半经验模型可有效估算辽东湾海冰的颗粒含量，进而有效地实现大气颗粒沉降的估算.