基于水下辐射传输模拟的中国近岸水体固有光学特性IOPs反演

水体固有光学特性IOPs只与水体成分的生化特性相关，不随入射光场分布的变化而改变。IOPs与入射光场共同决定海洋水色，叶绿素浓度仅是决定IOPs的主要因素之一。因此，反演叶绿素浓度比IOPs具有更大的不确定性。本课题基于研究海区（黄东海）的现场测量，建立优化后的IOPs光谱模型，包括黄色物质及非色素颗粒物吸收、浮游植物色素吸收、颗粒物后向散射等。为避免色素吸收光谱参数化引起的误差，利用基于现场测量的吸收光谱数据库，随机选取，作为水下辐射传输软件Hydrolight的输入，以提高水体光谱信息的模拟精度。利用上述模拟数据，根据简化的辐射传输方程，采用LMI（线性矩阵反演）算法反演水体吸收和后向散射系数。采用LMI监督算法，针对典型个例，对反演模型的不确定度进行定量分析。该方法实现了对单个光谱反演结果的不确定度分析，对以IOPs作为输入参数的海洋水色应用产品的模型误差评估提供了可能的参考依据。

水体固有光学特性IOPs只与水体组分的生化特性相关，不随入射光场分布的变化而改变。海洋水色由IOPs和入射光场共同决定，叶绿素浓度仅是决定IOPs的主要因素之一。因此，反演叶绿素浓度比反演水体IOPs具有大的不确定性。本课题的主要研究内容是在现场测量水体固有光学特性IOPs的基础上，包括水体各组分吸收系数光谱、颗粒物后向散射系数等，建立相应的IOPs光谱模型；在此基础上，通过简化的水下辐射传输方程近似得到的半分析模型（即水体反射率与IOPs关系模型），利用高精度水下辐射传输模拟软件Hydrolight获取的表观光学参数AOPs，建立IOPs反演模型，反演参数主要包括水体总吸收和后向散射系数等。. 本课题通过在研究海区黄东海获取的大量高质量现场观测数据，包括课题承担单位积累的历史观测数据和通过国家自然科学基金委搭载试验获取的新增试验数据（共计184个有效站位数据），分别建立了研究海区的IOPs光谱模型，包括浮游植物叶绿素单位吸收系数模型、黄色物质CDOM吸收光谱模型、总悬浮物吸收光谱模型以及颗粒物后向散射模型等。对上述模型的检验结果表明，其在研究海区黄东海具有一定的可靠性和应用价值。以上述IOPs经验模型作为输入，其中叶绿素单位吸收系数采用从184个吸收系数光谱库中随机选取的方法；利用水下辐射传输模拟软件Hydrolight模拟水体表观光谱，获得相应的水体光谱信息。相比直接获取的现场观测水体光谱，该光谱数据具有更好的稳定性与一致性。通过对不同站位数据的分析表明，该模拟光谱与现场实测水体光谱吻合较好，进一步表明本研究建立的IOPs光谱模型可用性较强。基于水下辐射传输模拟获得的的水体光谱信息，结合现场实测IOPs数据，分别通过半分析模型和优化算法，建立各水体组分的吸收和后向散射系数遥感反演模型，并同时建立水体总吸收系数反演模型。利用其他来源现场观测数据，对反演模型精度进行评估。结果表明，半分析反演模型的平均相对误差优于25%，优化算法获得的反演结果均方根误差优于30%，均具有较高可用性。. 本研究对中国黄东海区大面积水体固有光学特性进行深入分析，建立具有较高可用性的IOPs光谱模型和IOPs参数遥感反演模型，是国内首次获得针对中国近海大面积浑浊水体的固有光学模型，将进一步提高浑浊水体水色遥感产品精度并对中国近海的水色遥感应用起到良好的促进作用。