水面浮油膜光谱测量及光谱特征分析

为深入解析水面浮油膜光谱特征,采用水面以上光谱测量方法,去除太阳直射和天空光两部分反射的影响,获取了珠江口水域不同厚度水面柴油膜光谱信息,对其光谱响应特征和机理进行了分析。结果表明:水面柴油膜光谱对背景水体光谱具有依赖性,但水面柴油膜光谱在可见光波段高于背景水体,且随着油膜厚度增加呈现不断增加的趋势;油膜反射光谱在蓝、紫光区域出现明显反射峰;360~500 nm区域油膜反射率与厚度相关系数大于0.8,有利于油膜厚度的遥感估算。最后指出,水面浮油膜类似于光学薄膜的单层增反膜,导致光谱反射率的增加,在360~420 nm区域的反射峰和石油类物质的荧光性有关。研究结果可为水域溢油污染遥感监测研究提供理论依据。     

有风浪太湖水体的光照传输模式

根据辐射传输方程的近似解方法和光照传输的累加原理,建立了包括水面风浪效应、水中悬浮粒多次散射和底泥反射的垂直分层水体的光照传输数值模式。利用该模式和太湖悬浮粒实测资料,计算和讨论了太湖水体中光照随水深的变化以及悬浮粒浓度、风浪和太阳高度的影响。结果表明,悬浮粒的多次散射所形成的漫射光是湖水中光照不可忽视的重要部分。在水体的下层,漫射光甚至是光照的主要构成部分。风浪对水中光照的影响则主要在天顶角大于70°时才明显地表现出来,此时风浪水体对太阳直接辐射和全辐射的反射率比平静水面都有明显的减小。     

水面之上法测量水体光谱的关键技术

对水体光谱特征的研究是海洋水色遥感的基础工作之一。水体的光谱特征包括:表观光学特性和固有光学特性。在水体的表观光学特性研究方面,目前国际水色界推行的有:剖面法和水面之上法(也称表面法)。由于我国近岸水体混浊度较高,浅水区域较多,研究这类水体的表观光学特性应以水面之上法为主、剖面法为辅。介绍了水面之上法水体光谱的测量技术,就其中关键技术问题进行了讨论。     

二类水体表观光学特性的测量与分析--水面之上法方法研究

水体光谱特性的测量与分析是海洋水色遥感的基础工作之一。水体光谱特性包括两个方面：表观光学特性和固有光学特性。现场直接获取表观光学特性有剖面法和水面之上法。在多次现场试验的基础上,主要针对二类水体从误差来源的角度来对水面之上法进行方法研究。同时,借鉴一类水体水面之上法的多种数据处理方法,对二类水体水面之上法的数据处理方法进行探讨。     

卫星遥感测深:建模新机理

本文提出了一种能克服以往遥感测深技术固有缺陷的遥感测深建模新机理。光谱观察量表明:水体出射辐射亮度是由水体散射决定而不是底层反射决定,除非水深非常浅并且透明或底层反射率高。对这种现象的观察,有可能导致开发一种能适用于混浊和较深的沿岸水域的水体散射水体散射遥感测深模型。对陆地卫星TM和SPOT-XS的卫星传感数据和实地观测数据的分析表明,该模型能比底层反射模型更好地描述从水体中反射的辐射亮度和水深的关系。本文还提出了用实测光谱量计算水体衰减系数的方法,及为消除大气影响把该系数应用于模型校准的方法。另外,应用该水体散射理论,给出了最大可测水深的数值表达式。     

东海海域典型赤潮水体反射光谱模拟研究

东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense Lu)是我国东海海域的典型赤潮藻种,其在水体中通常呈垂直非均匀分布,并存在季节性和日内的垂直迁移现象。本文通过量化垂直迁移过程中东海原甲藻的分布状态,利用Hydrolight软件数值模拟各状态下的水体反射光谱,研究其光谱特征和变化规律。利用叶绿素浓度高斯垂向模型表征东海原甲藻在水体中的垂直分布,结合东海近岸海域二类水体的生物光学模型,模拟得到垂直迁移过程中东海原甲藻赤潮水体的反射光谱。对比分析叶绿素浓度垂向分布参数(背景叶绿素浓度、甲藻主体水层厚度、水体总生物量和叶绿素浓度峰值深度)对水体反射光谱的影响。研究结果表明,在东海原甲藻从次表层向表层垂直向上迁移过程中,水体反射光谱数值在蓝绿波段(400—570nm)减小,在黄红波段(570—720nm)增大,特别是在叶绿素荧光效应波段(680nm)处的变化尤为明显。     

太湖悬浮质对湖面反照率及水体光吸收的影响

本文根据Mie散射理论,利用太湖水中悬浮质粒径谱分布的实测资料,计算了湖水的光散射相矩阵,消光系数和吸收系数等光学参量,并采用Monte Carlo方法,研究了湖面反照率和水体光吸收以及太阳高度角、入射光波长、底泥反射、悬浮质浓度和粒径分布变化的影响。数值计算结果表明:在研究湖泊水体对太阳辐射能量的反射和吸收时,水中悬浮质是一个不可忽视的重要因素。     

太湖水中可溶性有机质,悬浮质和浮游藻类色素的光学特性的测定

本文着重分析了分光光度计测定的太湖水体中悬浮质、可溶性有机质和浮游藻类色素在可见光波段(400nm—700nm)的吸收;讨论了对池塘及两种高等植物色素吸收的对比测定;并利用迭代回归方法对测试样品的散射效应进行了订正。结果表明:(1)可溶性有机质吸收在短波部分较强;并且随着入射波长的增大,吸收几乎呈指数律减小,减小速率比国外海洋中的测量结果小。(2)水中悬浮质对光具有较强的散射作用,散射系数约按入射波长呈倒数变化。(3)不同植物中的色素的吸收光谱有明显差异。此外,利用所测数据,本文还对冬季太湖水体的反射光谱和向下光照衰减系数进行了数值计算,表明该水体对入射光照的反射和衰减与纯净水情况有很大差别,目此,太湖水光学特性研究中必须考虑水中物质的影响。     

海上浮式环形平台内域水体共振频域数值分析

海上浮式旅游平台作为新型海洋结构具有较好的发展前景。其中浮式环形平台结构的内域水体可作为浮式游艇港,但内域水体封闭性的增加也将引起类似月池共振的水体共振问题,影响码头泊稳条件。采用线性势流频域方法研究了平台吃水深度、结构运动响应和平台开口形状对内域水体共振响应特征的影响。结构吃水深度增加,水体共振频率向低频方向偏移,第0～2阶共振幅值随吃水深度增加而增加;结构运动引起水体共振频率向高频方向偏移,并且结构运动响应共振区间与第0～3阶水体共振频率范围重合,纵摇运动对内域水体共振模态分布影响较大,其他自由度影响较小。为抑制内域水体共振,提出在水面线处增设薄板和人工阻尼区域两种方案,结果表明：增设薄板可有效降低高频处水体共振,添加阻尼区域可在整个波浪频率范围内达到抑制水体共振的目的。     

波浪与带窄缝多箱体作用共振现象的模拟研究

针对波浪与带有窄缝多箱体结构作用产生的流体共振问题,建立了基于域内源造波技术的二维非线性时域数值波浪水槽模型,其中自由水面满足完全非线性运动学和动力学边界条件,窄缝内流体引入人工阻尼来等效由于涡旋运动和流动分离引起的黏性耗散,计算域边界采用高阶边界元进行离散。通过模拟三箱体间两窄缝内相对波高变化,并与已发表的数值与实验结果对比,验证了本模型的准确性。同时通过大量的数值计算,分析了箱体数量对窄缝内水体共振频率、共振波高以及对结构反射波高和透射波高的影响。     

黄河口海域悬沙光谱特征的研究

分析了５７组含沙水体光谱反射曲线特征，定量描述悬浮水体光谱反射峰值处波长的“红移”现象。在此基础上得出黄河口区野外实测悬浮体含量与光谱反射率呈较好的相关关系，相关系数为０．８９，且在４个波段中，ＭＳＳ７相关系数最低，ＭＳＳ６最高。因而用分段回归或复相关模式来研究悬沙含量，效果较好。文中最后讨论了提高遥感信息－悬沙相关关系精度的方法，提出增加参与回归模型参数的设想，特别是增加悬沙粒度参数。     

研究海水温盐结构的反射地震方法

在物理海洋学的研究中,利用CTD(Conductivity, Temperature and Depth sensors)测量方法研究海水温盐结构存在着获取数据时间长、数据横向精度低的缺点,而利用反射地震记录可以获得剖面上连续的水体温盐结构,弥补了传统方法的不足.反射地震方法研究海水温盐结构是个新的交叉学科方法,称为"地震海洋学".由于海水水体的物性变化比地层物性变化小得多,造成海水水体的反射地震资料信噪比很低,各类干扰强烈,因而海水水体的反射地震资料处理也和常规地震资料处理方法有所不同.它处理的重点是振幅补偿,叠前去噪以及叠后处理.笔者通过对"十五"973项目在南海东北部采集的一条高分辨率多道反射地震测线的海水水体部分的地震数据进行处理,压制了强线性干扰波,获得了水体反射图像.地震叠加速度分析获取的3个CDP (Common Depth Point)的垂向速度从1540 m·s-1单调减小到1478 m·s-1,与CTD测量得到的速度变化趋势一致.     

浅海原油净化过程的模拟实验──分散油的挥发降解过程

于1989年3－7月在青岛海洋大学进行“河口”原油和“东营”原油实验室模拟实验，以了解海上溢油进入海水中的分散（溶解和乳化）油的挥发降解过程。结果表明，分散油的蒸发速率除与原油本身性质有关外，还与环境温度、水体盐度和水面风速有关。水体中油含量随时间变化可表示为：，温度、盐度和风速增大时，均有助于分散油的挥发，其中风速变化对Kv的影响最大，而盐度变化的影响最小。     

不平整水面的镜向声反射

研究了在室内风动水槽内,声波在不平整水面上的镜向反射。不平整水面的泼面坐标概率分布不同程度地偏离于高斯分布。测量结果与用高斯概率密度函数及Gramcharlier级数所得的结果进行了比较。     

分层水体对表层辐照度比影响的蒙特卡罗分析

众多海洋观测数据表明,在真光层深度范围内,海水固有光学特性和光学有效组分的剖面分层分布是广泛存在的,而很多遥感反演模型的建立基于均一分布假设,尤其是在经验模型的建立中,往往只利用某一深度或各深度平均的光学有效组分浓度与水体光谱的统计关系。文章通过模拟平静水面水下光的辐射传输,分别研究了叶绿素、无机悬浮物浓度垂直分布结构对水下辐照度比的影响,并对比了两类分层水体权重函数等效浓度计算式及相应水下辐照度比,结果表明,对于分层水体,透射深度和层化强度是影响等效浓度值计算误差的主要因素,透射越深,表层层化越强,水体层化对水下辐照度比的影响就越大,但其计算误差也越大。Gondon等效浓度计算结果比较接近实际值,而Zaneveld计算式则高估了分层水体的等效浓度值。     

海面反射对电火花震源频谱的影响及压制

本文采用海上实验测试资料,分析了海面反射对水下电火花震源频谱特性的作用和影响,讨论了在地震勘探工作中利用震源的气泡脉冲与海面反射声脉冲相位相反的特点,来压制或减弱这种影响的方法。     

赤潮水体红光波段反射光谱的模拟及形成机理

赤潮水体红光波段反射光谱中"荧光峰"的红移现象一直备受研究者的广泛关注。本文基于前向辐射传输模型,通过2011年7月9日在大连湾海域实测的赤潮水体吸收系数和后向散射系数模拟了弹性散射作用下的反射光谱,发现在未考虑叶绿素荧光的情况下,红光波段仍存在显著的反射峰,且随叶绿素浓度的增加,反射峰出现红移现象;加入叶绿素荧光后,模拟光谱红光波段反射峰的位置与高度出现不同程度的改变,与实测光谱的更接近;对比模拟光谱与实测光谱可确定,红光波段的反射峰由吸收、后向散射以及叶绿素荧光共同控制,而文献中通常提到的"荧光峰"红移实由浮游藻类红光波段的强吸收作用导致,与叶绿素荧光无关,因此反射峰红移的说法更为合理。     

原油中的正构烷烃类在海沙和海水中风化的模拟实验

通过自然条件下沙表层和水面溢油的模拟风化实验,采用GC-MS作为检测器,研究原油中的正构烷烃在厦门地区的风化规律.结果表明,在一个月的风化模拟实验中,两种不同介质溢油风化均明显体现轻组分的正构烷烃丢失现象,且正构烷烃组分在水面溢油的风化速率低于沙表层溢油速率1～2个碳数.沙上模拟实验后期APr/APh比值明显受到风化影响,诊断比值不适用于油源鉴别.诊断比值An-C17/APr、An-C18/APh在短期风化过程中受风化影响小.水面溢油模拟实验结束后发现水体中n-C13-n-C29的正构烷烃组分含量升高2.9%～327.4%.     

浒苔水体光谱特征参量时间序列数据拟合研究

开展时间序列浒苔水体光谱特征参量的拟合研究可为寻求最佳拟合方法,从而对进一步开展大尺度的高光谱高空间高时间分辨率遥感动态实时监测具有重要的参考价值。在实验室培养3种不同浓度的浒苔水体,用ASD光谱仪测定并获取浒苔水体的时间序列反射光谱,基于反射光谱定量提取光谱特征参量,构建时间序列数据;应用曲线拟合和时间序列ARMA模型开展浒苔水体光谱特征参量的时间序列拟合研究。结果表明:应用二阶或三阶多项式和ARMA模型可较高精度地拟合浒苔水体的光谱特征参量;但时间序列ARMA模型比多项式拟合模型更能反映浒苔水体光谱特征参量的时间序列数据的分布和变动特性。该研究可为浒苔灾害动态监测业务化运行部门提供浒苔光谱数据,同时也为光谱数据的处理和分析提供一种新的方法。     

基于归一化遥感反射比反演水中石油含量模式研究

自然水体中石油污染含量的时空间分布是数字地球领域水体环境研究的一个重要参数,利用遥感技术提取水中石油含量也是数字地球研究领域的一个热点问题。基于2009—2013年进行的六次石油类污水野外配比实验数据,结合2013年6月—2014年4月晴天获取的中国辽宁盘锦辽河油田Landsat 8/OLI遥感数据,在对配比实验测定值、Landsat 8/OLI传感器模拟值和Landsat 8/OLI传感器过境值等三类遥感反射比数据进行归一化处理的基础上,通过对波段特征进行分析,发现含油水样与无油水样在绿色、红色和近红外波段的遥感反射比存在明显的差异,由此提出了水体石油污染归一化遥感反射比指数NDPRI(Normalized Difference Petroleum Remote Sensing Reflectance Index),该指数可用来判断水体是否存在油污染,进一步建立利用NDPRI来反演水中石油含量遥感模式。结果表明:(1)含油水样和无油水样在蓝色波段的归一化遥感反射比差别不大;(2)含油水样在绿色和红色波段的归一化遥感反射比明显低于无油水样;(3)无油水样在近红外波段的归一化遥感反射比呈现下降趋势,而含油水样的归一化遥感反射比随着石油类浓度含量的增加而明显抬升,呈现出较好的线性关系;(4)含油水样,其NDPRI小于0.45,此阈值作为是否有油污染的判断值。最后,利用2014年4—8月污水厂获取的现场实测数据对模式进行验证,相对误差为13.5%,表明所建立的模式具有良好的石油含量反演精度。