基于Monte Carlo方法的太湖水体漫衰减系数的数值模拟研究

摘要

漫衰减系数是水体光学中一重要的表观光学量，常用于计算水体浑浊度和划分水体类型，是水中生物进行光合作用等生态过程中的重要参数。漫衰减系数的遥感估算，能够揭示水下光场的变化，是获取漫衰减系数的主要途径之一。太湖是典型的内陆富营养化浅水湖泊，风浪的扰动致使底泥再悬浮使得水体中悬浮颗粒物浓度变化剧烈，水体固有光学特性复杂。本文以太湖水体漫衰减系数为研究对象，假设水体光学性质均一，固有光学特性不随深度变化，水体表面为镜面。利用Monte Carlo模型模拟水下光场分布，首先分析不同太阳天顶角和悬浮颗粒物浓度条件时下行漫衰减系数（Kd）在垂直方向上的变化特征;其次采用不同的散射相函数进行对比，期望找出表征太湖水体散射特性的散射相函数，在此基础上分析不同太阳天顶角、单次散射比对Kd值的影响;最后对漫衰减系数遥感估算模型重新进行参数率定，提高其在太湖水体漫衰减系数上的估算精度。主要结论如下:
　　(1)Monte Carlo方法模拟的下行辐照度（Ed）与实测值相关性较高，且短波处模拟效果优于长波处，下层水体模拟效果优于表层水体。漫衰减系数随深度变化不仅与水体中悬浮颗粒物浓度有关，还与太阳高度角与波长有关。当太阳天顶角大于40度时，漫衰减系数在1m左右深度区间内会趋于一个稳定值，下行光场达到渐进光场态，此时光场分布趋于各向同性，漫衰减系数可作为“准固有光学性质”看待。当太阳天顶角小于30度且波长大于550nm时，漫衰减系数随深度增加持续递增，在整个水柱内下行光场不会达到渐进光场态。
　　(2)分别采用Petzold(1972)实测的海洋水体体散射函数数据和Michael等(2003)实测的近海浑浊水体的体散射函数数据进行对比，相比于Petzold标准海洋颗粒物散射相函数（绝大多数遥感估算模型所使用），Michael等实测的体散射函数中后向散射概率为3％的散射相函数SPF1对应的相对误差最小，更适合用于构建太湖水体的Kd值反演模型。同时考虑太阳天项角和b/a值，发现(a):当b/a值小于等于1时，入射天顶角的变化是影响Kd值变化的主要因素;(b)随着b/a值的增加，入射天顶角的变化对Kd值的影响减弱，散射相函数对Kd值的影响增强;(c)太湖梅梁湾水体中悬浮颗粒物较多，散射较强，当b/a值大于9时，可忽略太阳高度角的变化对漫衰减系数的影响。选取不同悬浮物浓度的水样，使用单一散射相函数模拟不同波长处的Kd值。结果发现，当悬浮颗粒物浓度小于35mg/L，在小于550nm波段范围内，模拟值与实测值吻合较好，在大于550nm波段范围内，模拟值小于实测值;当悬浮物浓度较大(大于40mg/L)且以无机颗粒物为主时，在波长处小于550nm时，模拟值大于实测值，而在波长大于550nm时，模拟值小于实测值。函数的选取。
　　(3)选取SPF1为散射相函数，运用Monte Carlo模型对Kirk的公式进行参数调整，新的计算公式为Kd=1/μ0[a2+(0.512μ0-0.256)ab]05，反演结果与实测值进行对比，相对误差为12.76％，在估算精度上有明显提升。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外的研究进展

1．2．1 漫衰减系数的时空差异性

1．2．2 漫衰减系数的遥感估算方法

1．4 研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线和章节安排

第二章 研究区概况和数据预处理

2．1 研究区概况

2．2 水体光学参数的获取

第三章 下行漫衰减系数的Monte Carlo模拟及垂向特征分析

3．1 Monte Carlo模型

3．2 模型的验证

第四章 漫衰减系数Kd值的影响要素分析

4．1 不同散射相函数条件下漫衰减系数Kd值的比较

4．2 不同太阳高度角、b／a值、散射相函数下Kd值的变化

4．3 不同波长处Kd值的光谱变化

4．4 讨论

第五章 漫衰减系数半分析估算模型参数率定

5．1 lee算法

5．2 Kirk算法

5．3 函数G(μ0)的重新率定

5．4 模型的验证

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 研究的不足与展望

参考文献

作者简介

致谢