海洋背景下气溶胶的偏振光散射与遥感技术研究

The interaction of the coupled ocean-atmosphere system is a major influence to global climate and water cycling.The mentioned topic for study is aimed at the construction of a practical polarized light radiative transfer model, based on which to study the scattering characteristics of aerosols over the ocean for sunlight together with vector radiative transfer theory, the effects of multiple scattering in coupled ocean-atmosphere scattering, and the technique of satellite remoter sensing for aerosols over the ocean using scattered polarized light.The study consists of: (1) constructing the radiation model of the ocean with various influencing factors of radiation of ocean in consideration; affirming the functions between backscattering ratio and wind speed, observation angles, and polarization parameters, studying the radiation and scattering of ocean with rough surface, whitecap, bubble, chlorophyll, suspended matter and soluble organic in consideration; (2) studying the multiple scattering characteristics of unevenly distributed aerosols over the ocean; (3) studying the mutual feedback of coupled ocean-atmosphere radiation, analyzing the influence of aerosols microphysical property to the radiation characteristics of the system; (4) using radiative transfer theory to calculate the BPRF of the system, conducting theoretical study for passive remoter sensing using multi-wavelength, multi-angle and light polarization parameters on the basis of numerical experiment.

海洋-大气系统的相互作用对全球气候以及水循环具有重要的影响。本课题旨在建立一种切合实际的海洋-大气偏振辐射传输模型，根据所建立模型，结合矢量辐射传输理论研究海洋背景下气溶胶对太阳光的散射特性，分析多次散射在海洋-大气耦合散射中的作用和影响，并探索利用散射的偏振光对海洋气溶胶进行卫星遥感的技术。主要研究工作包括：(1) 建立海洋体的辐射模型，并充分考虑各种影响海洋辐射的因素；研究海洋粗糙表面、白冠、气泡、以及海洋中叶绿素、悬浮物、可溶解有机物等的辐射和散射；确定海洋后向反射率与风速、观测角度、偏振参量等之间的定量关系。(2)研究非均匀分布海洋型气溶胶的多次散射特性。(3)研究海-气系统耦合辐射的互反馈，分析气溶胶的微物理特性对整个系统辐射特性的影响。(4)利用辐射传输理论计算整个系统的双向偏振反射函数（BPRF），通过数值试验，理论研究利用多波长、多角度、光偏振参量进行被动遥感的方法。

海洋占了地球总面积的71%，由海洋产生的海盐气溶胶是大气气溶胶的主要来源之一，因此研究以海洋为下垫面的气溶胶光散射特性和遥感技术具有重要的意义。课题重点进行了两个方面的研究，一是以太阳光为光源的大气-海洋耦合系统的矢量辐射传输计算，二是利用开发的矢量辐射传输算法，研究了利用大气层顶反射太阳光的偏振信息反演气溶胶层微物理特性的可行性，另外，作为项目研究的拓展，研究了偏振激光雷达去偏振率与气溶胶微物理特性的关系。.利用矩阵算法研究了海洋-大气耦合系统中，海雾气溶胶对太阳光的偏振散射特性。整个大气层垂直方向分为若干平面平行层，考虑了大气分子、云层以及气溶胶的垂直分布，海洋表面按照风驱随机粗糙海面进行分析，考虑了海洋波斜率分布和遮蔽效应，海洋体也由若干平面平行层构成，考虑了海水以及叶绿素的吸收和散射影响，大气和海洋体每层的反射矩阵和透射矩阵以及源函数由离散坐标方法计算，整个海-气系统的散射特性由矩阵方法通过耦合层与层之间相互辐射得到。研究了整个海-气系统反射的太阳辐射以及偏振度对太阳光的波长、入射天顶角、观测角度、海洋表面风速、云和气溶胶的光学厚度，以及气体吸收等的敏感性，计算结果表明，多波长多角度偏振度信息随海洋表面和大气环境变化敏感，利用光的偏振信息能够很好的反演气溶胶的光学厚度和有效半径，而仅利用单一波长的反射强度无法进行准确的反演。.激光雷达可以很好的探测气溶胶微物理特性的垂直分布，但是当气溶胶层的浓度太大或者含有非球形粒子时，雷达回波中会出现去偏振信息，这是因为当浓度太大时激光在气溶胶中传输时会出现多次散射。现在很多激光雷达都配备了偏振通道，但是去偏振信息一直没有得到很好的应用，本项目研究了利用蒙特卡罗方法模拟偏振激光雷达后向散射去极化率的详细过程，考虑了气溶胶层垂直方向的不均匀性，研究了去极化率和极化率随不同激光雷达接收视场角、穿透深度以及粒子尺寸等因素的变化。