Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Применение коротковолнового участкавидимого спектра для дистанционногозондирования океана

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Применение коротковолнового участкавидимого спектра для дистанционногозондирования океана"

•РГ6. 0й

| •"! 'v"

ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П. П. ШИРШОВА

1 7 ' ••" РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

На правах рукописи УДК 551.46.08:629.78:535

ПАРШИ НО В Сергей Валентинович

Применение коротковолнового участка видимого спектра для дистанционного зондирования океана

11.00.08—океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА—1993

российская академия наук

ИНСТИТУТ „ОКЕАНОЛОГИИ т. П.П.ПМРВЮВА

11а правах рукописи УДК 551.46.08:629.78:535

Паравссов Сергэй Валентинович

ПРИМЕНЕНИЕ КОРОТКОВОЛНОВОГО УЧАСТКА ВИДИМОГО СШСТРА ДЛЯ ДЙСТАЩЮННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ОКЕАНА

11.ОС.06 - ОК5ПЕОЛОГПЯ

АВТОРЕФЕРАТ'

диссертации па сонскашо учоиой степени кандидата йнзшсо-натематачоспак пауте

Моапза - 1393

Работа выполнена е Морском гидрофизическом институте Академии наук Украины, г. Севастополь

Научный руководитель

- кандидат физико-математических паук М.Е.Ли

Официальные оппоненты

- доктор физико-математических науу. О.В.Копэлевич

- кандидат физико-математических наук К.Я.Боярчук

Ведущая организация - Институт пргослэдаой математики

Российской Академии наук

Защита состоится " О " Lf/OJ'# 1993 г. в Л' часов на

заседании специализированного Совета К.002.86.02 по присуждения

ученой степени кандидата наук в Институте океанологии ем. И.П.

Ширшова Российской Акадьмш наук по адресу: 11Y213, Москва, ул. Красикова, д. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

Института океанологии км. П.П. Ширшова Российской Академии наук.

Автореферат разослан " ß/)/)<?/> 2 1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

кандидат географических наук С.Г.Панфилова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одной из главных задач, стоящих согодня перед человеческим общество;,?, является охрана окрукапцей среда. При этом сохранность водной экосистемы является необходимом условием существования жизни на планете. Проблема сохранять в чистоте гидросферу планеты наиболее остро встала во второй половине двадцатого столетия и была связана с уже возникали,1 к тому времени сильным загрязнением окружающей среды вредными продуктам! человеческой хизнедеятель-кости.

Экологические проблемы водных экосистем : рек, озер, морей и океанов мохно исследовать, используя оптические метода диагностики состояния водоемов. Эти методы основаны на использовании спектральных различий поглощения, рассеяния и флуоресценции света такт,я оптически активными примесями водной среды, как фитопланктон, минеральная ьзвесь и растворенное органическое вещество. Существование достаточно тесных эмпирических взаимосвязей мепцу этими первччзшми тадрооптичесюад характеристиками и цветом вод обусловливает перспективность применения космических методов для слеяения за состоянием природных водоемов.

При анализе спутниковых данных существуют проблем, связан-' ше с колпествешюй интерпретацией наблюдаемых из космоса крупномасштабных кеоднородностей спектрального коэффициента яркости океанских вод5 ввиду того, что видимые со спутника цветовые контраста на поверхности моря сильно искажены из-за мешакцего влияния атмосферы. Поэтому разработке методов атмосферной коррекции в настоящее время долото уделяться наибольшее внимание.

Помимо этого, спектр коэффициента яркости моря зависит не только от наличия в водэ фитопланктона, но определятся так::э другими пршесями морской вода, которые токае сильно сказываются па состоянии зодоемов. Например, некоторые примеси, такие как побочше продукты прибрежной хозяйственной деятельности, приводят иногда к биному развитию отдельных еидов водорослей, а вызванное ими помутнение, наоборот, к'резкону падению общей продуктивности из-за угнетения процесса фотосштеза в результата сильного ослабления лронпкатадего солнечного излучения. Возникающее при этом нарушшэ биологического равновесия может привести к нэгативнш

- А -

последствиям.

Следовательно, для правильной интерпретации наблэдаомого дистанционно цвета океанской вода, необходимо не только правильно учитывать влияние атмосфер«, но и аккуратно оценивать вклад в спектральный коэффициент яркости поглощения к рассеяния кавдой ее приквея в отдельности.

Цель работа.

!. Анализ и моделирование спектральных характеристик оптических нолей в атмосфарз 'лад океаном.

2. Исследование спектральных и угловых особенностей рассея-аня шрс?ав; атмосферным аэрозолем.

3.Анализ данных подспутниковых измерений спектров коэффициента яркости моря я разработка ыотодов решения обратите задач восстановления по ей содерзгещихся в морской воде поглощагщих примесей.

4. Исследование нови* возможностей дистанционного зондирования оптических свойств поверхностного слоя океана при расмреини спектрального диапазона наблюдений до бжгапей ультрафиолетовой области спектра.

Научная новизна и практическая. ценность "рабои-'»

Основная трудность дистанционных наблюдений цпототж ноодно-родностей океана из космоса заклинается в том, что вмхкшдаая изменчивость сиектра ковфздщаента яркости океапкао.: вод кретодптся на сше-<1иолетовый участок спектра, в которой величина яркости атмосферной дамки значительно гтревылает диф$узвсо излучение ыоря. Вследствие »того весьма трудно разделать вклада атг/.осфвра и ог.еа-на б регистрируемое с высоты спутника излучение в видимом диапа-зоие спектра, т.к. фактически ном приходится наблюдать синие океанские вода на голубом фоне атмосферы. Применявшиеся до настоящего времени метода оценки величины атмосферной дамки, по данным ир. .зрений в инфракрасной области спектра, не позволяли восстанавливать коаффяционт яркости моря с требуемой для оолкшнсгва дистанционных задач точность». В работе показано, что эту проблему шзяю решить, вооюлезовавшись дополнительно локальными спектральными особенностей л различиями хов^фациаатоп яркости моря и атмосферы в ближней ультрафиолетово;; оЛлмСМ спектра.

Такой подход позволяет оценить величину коэффицента яркости моря в коротковолновой области спектра, где, как показано в работе, наблюдается наибольшая изменчивость коэффициента яркости моря, а его значение тесно связано с концентрацией растворенных в морской воде органических веществ.

Таким образом, дополнительные измерения в фиолетовой и ультрафиолетовой областях спектра дают возможность

а)наблюдать изменения цвета вод, обусловленные вариациями концентрации растворенного органического вещества в деятельном слое океана:

б)измерять еще один параметр атмосфера и за счет э?ог"< перейти от экстраполяции оптических свойств атмосферы из инфракрасной области в сиплю к более точной интерполяции спектральных характеристик атмосферной дамки с 1фаов в середину видимого диапазона спектра.

Все это позволяет определить яркость атмосферы на краях видимого диапазона спектра и тон самым не только улучшить точность оценки ее мешащего влияния, но и существенно повысить информативность дастгшщснного зондирования в видимом диапазоне спектра, поскольку появляется возможность перейти от ограниченной одаалграчетрической модели морской вода к деухпарамотрнческсй.

В работе получено линейное представление толя яркости восхо--. д5щ9г0 излучения на ес-рхнеЗ границе атмосферы, учитывающее перекрестное рассеяние на зэроаольных частицах и молекулах воздуха. Оно мокет быть применено дач анализа сканорных изображений, тек как значительно точнее сстсаваэт угловую структуру коэффициента яркост;; системы "охеот-яткосфера", негелл используемая в настоящее время формула Гордона. Окончательные эластические выражения отличаются гростотой п могут быть полезны при массовой обработке дашшх дистанционных измерений.

Продстзвляат такте геттере с результаты численного моделирована.3. спектрально-угловых свойств аэрозольного рассеяния ввиду отсутствия представительных данных натурных измерений »япфофязи-чоаои и оптичэсктас свойств природных аэрозолей.

Адпробацпя.

Результата работы дскладнзалясь на IX, X и XI Плог.умах рабочей группы по оптике океана Комиссии по проблемам Игрового окоепа

- б -

All СССГ (Ейтрлн, i93; Ростов-на-Дояу, 1933: Красноярск, 1930), Ыевдународион совещании Со во та "Интерхосмос" по дистанционным методам зондирования океана (Ялта, 1008) а на III сомпнаро по системам апологического контроля вод (Севастополь, 1991 г.).

Раг?рпб0'1-анше автором и оамсашше в настоящей работ алгоритму к методики использовались при проведении серки подспутшпсо-eui экспериментов на -Чарном коре по кехщупяродаой программе "Интеркосиао" и в широкомасштабном подспутниковом инсшримонте "Атланти^а-да" в рамках сотрудничества с KASA.

Публикации.

По матерпал&ч яассортацет опубликовано 14 работ, список которых праведен в конце авторо£эра?а. Часть результатов аездаона авторским свидетельством СССР.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит па ввэдэтя, четырех глав, зшеютекия п списка литературы. Обпий объем работа составляет 164 страницы, ягоагдовдэ 40 рисунков, 9 таблиц н 99 наименований списка литора-vypa.

С0ДЕРКА151Е РАБОТЫ

Во введении пряьедэи нргтшй асторячисзсай • обзор развита дистанционных оптических методов исследования океана а впдамогл даапазрнв и показана актуальность теш дассортащт. При иэлолнздп современного состояния исследуемого вопроса уделено особое ьикма-аиа проблемам атмосферной коррекция данных дастакцчошшх набладэ-иий цвета океана из коэдоса, а тсдаа взаимосвязям цнота океана с содержащимися в ¡.юрской воде пржэсямй. Выделен наиболее сущест-Езгашо отличия предлагаемой работа от другая работ, тюспящэкннх косвенной оценке парвичной продукция окоана из космоса.

1. Рассеете п распространение вдектро-ашгт-лчшх воля в системе "окопк-ат!«о>:'рп4

В первой глава анализируется физические особенности рассая-гсм к распространения видимого кв^чешш в системе омен-

атмосфера. Рассматриваются основные оптические характеристики, определяющие поле излучения в земной атмосфере над океаном и вводятся некоторые упрощения , позволяющие математически строго описать рассматриваемую задачу.

Приводится, используемое для проведения численных расчетов, решение Ми классической задачи рассеяния электромагнитных волн на сферических частицах с произвольным показателем прелошония. Это решение применяется для анализа общих свойств рассеяния света на аэрозольных частицах. Проиллюстрирована зависимость индикатрисы рзссояния кг. нонодисперсных взвесях от параметра №1 (г) и показателя преломления часта! т. Показано, в частности, что начиная с х = 2 вероятность рассеяния в задняя полусферу Ь слабо зависп? от параметра №1 и примерно равна 0.08 для капель вода с т-Л .33.

Анализируется излучение на верхней границе система "океан-стмосфэра". Составляющие восходящего излучения представлены в виде диаграмм рассеяпнл, используя которые, лэгко выписать з явном виде аналитическое вирагенпэ для любой кратности взаимодействия солнечного излучения с океаном и атмосферой.

Особое внимание уделено оценке относительного вклада моря я атмосферы в восходяще излучение, для чего используется приближений духкратного рассеяния теории пэрепоса. Показппо, что приближения однократного рассоянил явно недостаточно для проведения ■ расчетов в коротковолновой области видимого сдактрэе гдэ оптическая толкина атмосфера монет достигать единицы. Кроме того, оно но учатывеот перекрестного рассеяния света морем, шлекулакл воздуха н аарозояьтши частицами. Это сразу га исключает из рассмотрения некоторые ваянкэ составляющие восходящего излучения, такие кок отраженный морем сват небосвода у др. Поэтому для правильной ф'з'/ческой интерпретации поля яркости восходящего излучения при гнглизе необходимо использовать, как чашыум, двухкратное приближение.

Анализируется точность линейпого представления Гордона (1970), согласно которому коэффициент яркости система окэая-атмосфэра равен сумме коэффициентов яркости чистой молекулярной (не содержащей аэрозольных частиц) етг-кэсфоря /?н, чистой аэрозольной •зтмосфэрк й и коэффициента яркости моря р, умяояепясму на прощгскаше аэрозолшо-молокулярноЯ ьтмосфэрм Т (для излучения распрсстраклкяцэгося от верхней границы атмосфера до нтсшзЭ я обратно) :

й = ^ + нд+р.т . (1)

(Зренелевское отраженно от поверхности включено в Яы я йА).

Точные численные расчеты, проведенные методом сложения» показывают ограниченную применимость этой формулы даю для изотропной индикатрисы рассеяния на аэрозольных частицах. Как ото и следу? ожидать, линейное представление (1) в.целом грубо оаксыза-бт спектрально-угловую структуру поля яркости в оптическом диапа-аоне спектра, так как оно записано в пренебрекении эффекта:® перекрестного рассеяния на молокулах и частицах аэрозоля.

Если принять ьо внимание, что аэрозольные частицы располоае-ш & основном вблизи поверхности Земли, в низшем ее километровок слое, то аэрозольную атмосферу в первом приблаипии можно рассматривать в качестве подлоюхи под релеевской атмосферой. При этом предположении для случая, когда индикатриса рассеяния на аэрозольных частицах не зависит от направления, было учтено перекрестное рассеяние па молекулах и частицах. Получено следующее, уточпящее формулу Гордона, линейное по ft и р представление дня коэффициента яркости системы океан-атмосфера

+ *■ P'V^)T(^) . (2)

где

1

У(ц) =& 2ц.|ты(ты,ц,(3)

О

1

7(Ю = е Ти/Ц+ г^С^.ц.ц'^'ац' . (4)

о

Функции Y(u) и 7(ц) хорошо известны в теорш переноса излу-чешш. Первая из них суть Y-функция Чандрасекара, а через вторую шраиется точное решение задачи для пропускания релеевской атмосферы, ограниченной снизу ламбертовой поверхностью. Обе эти функции определяются коэффициентом пропускания молекулярной атмосферы

Вши. проанализированы спектральные и угловые свойства функций У z 7. Показано, что в случае лоджжки, отражаиде^ по закону

Ламберта, каковой приблизительно (без учета френэлевского отражения) к является океан, общий коэффициент яркости всегда меньаэ суммы коэффициентов яркости К) и р. В случае ге подяокки, отражающей по закону ИА~ 1 /¡1 , излучение перераспределяется таги!.; образом, что в близких к надиру направлениях и при малой оптической толщине коэффициент яркости мутной атмосферы Ка1т может превышать сушу Ви и ЯА. Т.е. существует как бы эффект усиления, который проявляется в длинноволновой области спектра.

Приведены ошибки приближения (2). Показано, что приближение (2) описывает угловую структуру, по отпосегпта к точному ровонии, значительно лучше формулы Гордона. Прп ¡-¡том ошибка сказывается-только в третьем знаке после запятой.

Показано также, что свойства полученного решения сохраняются и в случае анизотропного рассеяния на аэрозольных частицах. Формула (2) дает хорошие количественные оценки поля коэ1фкциента яркости аврозольно-г.юлекулйрнсл атмосферы во всем спектральном диапазона к > П.35 мкм , в широком диапазоне зенита« углов < 70°) и аэрозольных оптических толщин (тл< 1).

Однако, если рассматривать задачу восстановления ксеффациэп-та яркости моря по дачиш дистанционного зондирования, обе фор-кула (1) и (.2) следует рассматривать лить как щаблкшвнва. Ибо в этом аучм опжбка но втором анаке в оцспко На. т, приводят :; серьезном ошр'Зкрм а определении коэффициента яркости коря.

Кике для двух характерных авь-ктных углов Солнца (¡¡.0° з 54°), яри которых часто производятся дкстищиогеюо зоадсрсвагаэ, приведены оцоахи абсолв-гапс огибох ь бссстйновлзыш р в случаях, когда используется формула Гордона п полученное в работе ьриоипшгтгв.

Таблице 1. Ошибка Ар«100 для приближения Гордона (1).

г. « 11 26 40 54 бб 76

40 54 0.18 0.10 0.06 0.30 0.30 1.34 1.34 3.91 4.95 11.8 20.7 43.9

Таблица 2. Ошибка ¿р-1(Х) для приближения (2).

■о , 1 ■О ' 11 26 40 54 бб 76

40 54 0.С7 0.43 0.02 0.24 0.07 0.16 0.16 0.75 0.11 1.55 1,16 1.38

В кощз главы приводятся простив аналитические формулы для функций Y([i) и В частности:

—i /а -т /ц

Y(|i) - е м + ц. ( 1 - е ) . (5)

Полученная формула достаточно точна в диапазоне углов зондирования ("б,"б0 < 50° ) и ввиду своей простоты мояет оказаться исключительно полезной при массовой обработке сканерннх видеоизображений.

2. Моделировыгсо п анализ спектральных к угловых характеристик рассеяния света аэрозольными частицами.

Во второй глава анализируются данные натурных исследований млкрофлзкческих и оптичесыа свойств атмосферного аэрозоля. Для спектра показателя ослабления аэрозольной дамки многие исследователи используют эширичаскуа формулу Ангс1])вма, согласно г.оторой показатель аэрозольного рассеяния пропорционален ЛДля физического обоснования етой зависимости параметр а иногда связывают с показателем стопски v в степенном распределений Юнге аэрозольных частиц по размерам. Согласно Ваи де Хюлсту степешшя зависимость показателя рассеяния от длины волны дойстЕИтельяо имзет место, если аэрозольные частицы подчиняются распрэдолзшка Вито во всем диапазоне размеров от нуля до бесконечности.

lia самом деле распределение аэрозольнж частиц ограничено известными физическими процессами как со стороны ыаяах, так и больших размеров. В связи с этим были рассмотрвш распределения более общего вида

(ni (г) , г < rt

% r~v , Г,<Р< г, , (6)

na (г) г > гх

где п4(г)- распределение по размерам мелких аэрозольных частиц, пг(г)~ крупных частиц,

nor~v- распределение частиц в интервале от г4до гг.

При условиях

г, < 0.04 мкм ^

г. > 3 мкм

была выведена следущая Формула для показателя рассеяния на авро-зольных частицах о (Я)

о

<\> = а + Ъ\э с.С* , (О)

определяющая величину первой поправки к зависимости Ангстрема аэрозольного показателя рассення от длины волны.

Из енализа экспериментальных дашпх следует, что второе из условий (?) вытазшетсл как дпя континентального, так и для морского аэрозолей. Ограничение зз на г1 справедливо только для контааент злького аэрозоля, распре деление по размерам . которого имеет минималыый размер г4 порядка Ю-1 мкм. Для морских аэрозолей значение мотет бичъ на порядок больше. А это означает, что зависимость их показателя рассеяния от длнян вол!Ш могот иметь ипой функцгюнальчнй вид п не описываться законом Ангстрема, ЛЕПяжцегося частнгел случаем полученной формуя! (8), что подтверждается данными натурных, измерений [Шифрин, 19841.

Для анализа этой функциональной зависимости била применена ыал'опаракбтрическая модель аэрозольных частиц, осповпнки параметрам! которой являются показатель преломления и, митмалышИ размер аарэзолмшх часгпд г и величина и , пропорциональная концел-' тращл аэрозольных частац. Последние два паргл.отра отпоемте;; к распределению частиц по размера;.!, шлэЕЦвму слэдуггзй! вид:

г'о, г < г . п(г) =--] . 1 (9)

I по г , г 2 г1

Используя распределение (9) , для показателя рассеяния о\ углового показателя рассеяния рл(7) п ппдшсатрпсы аэрозольного рассеяния р^(7> йши получены слодукщия шрагетшя:

* 2гло гвга1(т,£)

о" «---, (10)

х к 5

р^-7) = ^ ЙЕ . (11, х 4 2с*

р

х(7) = (12)

где Х1 = 21сг А, а функции, входшцие в под-штегральяые выражения, суть основные функции теории Ш.

Для аэроволя над континентом, у которого Юнговскоо распределение частиц распространяется вплоть до разг.;эроз порядка 0.01 ьасм, нижний предел интегрирования мал ( х, << 1) к его «окно считать равным нулю. Тогда из приведенных формул с очевидностью следует, что индикатриса рассеяния от длины волш вообще не зависит, а показатель рассеяния монет быть выражен Формулой о ~ Я.-1.

При переходе к аэрозолю над морем гх увеличивается до значений порядка 0.1 мкм и е этом случае для оптического диапазона спектра распростратшть интегрирование в формулах (10), (11) на весь диапазон размеров от нуля до бесконечности на удается. При этом степенная зависимость показателя рассеяния от длины волга; справедлива лиль до размеров частиц поргдаа 0.08 мкм. Затем ола начинает нарушаться и спектр показателя рьссеягая не опипнваотся степенной функцией. При г, >0.5 мкм эта зависимость близка к нейтральной.

Существенно, что с увеличенном г одновременно и квдикагри-са рассеяния начинает уже зависеть от длины волки, Это происходит при тех же значениях г , прл которых начаз&зт нарушаться заьиси-кость Ангстрема. По мэре сиещеиия нижней границы распре доле леннк вправо, зависимость индикатрисы от длины волны становится вое более заметней.

Для дистанционных методов важно анать' вид этой зависимости в области больших углов рассеяния. Показано, что в о'тличиз от показателя рассеяния, спектры углового показателя рассеяния сильно варьируют, причем эти вариации носят шрэгултршй характер. Это обстоятельство сильно усложняет задачу экстраполяции оптических характеристик атмосферы из одной области спектра в другум, которую приходится применять при проведении атмосферной коррекции. Кз этого следует также, что одних только подспутниковых измерений спектров оптической то.шциаы атмосферы еще недостаточно для оценки спектральных свойств обратно рассеянного аэрозольными частицами излучения.

В заключение главы продемонстрирована возмоенэсть применения малопараметричсской модели физических свойств аэрозоля для резонна обратной задачи восстановления спектральных и угловых характеристик рассеяния светл аэрозольными частицами по известной аэрозольной оптесгой толщине на двух разнесенных длинах волн.

к

Для этой цели были использованы ксмгшккжко спектральные измерения оптической толщины атмосферы п яркости неба, выполненные над континентом и приведенные Глущсо (1974). Согласие восстановленных полей с данными натурных намерений вполне удовлетворительное.

Тагам образом, чрехнараметрическел моде.мь кикра£изкчеоких свойств атмосферного аэрозоля позволяет достаточно просто задавать реальное состояние атмос.£сры, что очеш> вякю при проведении оценочных расчетов яркости восходящего кзлучт-гоя. Ее парамотр* (¡я.г,,^) имеют простой фяпическяЭ сшсл. Варьируя порвав дз! параметра, могаю легро моделировать спектральную изменчивость первичных оптических характеристик атмосферного аэрозоля.

3 Спектр коэффдцкетгл яркости моря и эго пепольвезшто

для восстановлена спектров поглощения и концентраций содержащихся в морской воде примесей.

В третьей главе анализируется зависимость коэффициента яркости моря от длины волга; и рассматривается обратная задача отгооде-лепия коэффициента поглощения оптически активных примесей »юрской воды в участае спектра ( 0.37 - 0.43 мкм ) по данным о коэффициенте яркости моря в сяно-зеленой области спектра. Для анализа этой проблем используется массив контактных измерений спактра коэффициента яркости ыоря. лолучзклнй б 40-м рейсе КИО "Акадэмик Вернадский". Показано, что восстановленные спектры поглощения ЯШИТ структуру, соотввтствущую ЭКСШрИУОНТаДЬВШ двпннм. Эта структура язко проявляется благодаря тому, что спэхтрэльные измерения коэффициента яркости моря бита распяфеки до блияой ультрафиолетовой части спектра, в которой сильно поглощение растворенными органическими веществами.

В начале главы обсуидаотся проблема экспрессных методов анализа оптически активных компонент морской взвеси. Рассматривается подробно взаимосвязь коэффициента яркости моря с первичными оптическими характеристиками морской вода. Эта взаимосвязь может быть выражена формулой

+ Р

р - 0.25*. ^ /а + ^ р , И°)

где „сг и pv,p - показатели nor..оцотшя и обратного рассеяния '-шетой воды (индекс "»•) и примэсай.При й=1 эта формула совпадает

с формулой, предложенной М.В.Козляшшовым (1979).

Анализируется массив данных измерений коэффициента яркости моря, полученный в 40-м рейсе НИС "Академик Вернадский". В этой специализированной экспедиции проводились детальные подспутниковые исследования на обширной акватории Атлантического океана, охватывавшей широкий диапазон оптических свойств водных масс. Измерения коэффициента яркости моря проводились в надир двухлуче-ным спектрофотометром "Спектр-2", разработанным в лаборатории оптической океанографии МГИ АН Украины для измерений коэффициента яркости моря в натурных условиях. Кратко описывается методика измерений этил прибором спектра коэффициента яркости моря б натурных условиях, позволяющая проводить измерения почти что при любых погодных условиях.

Показано, что для пакоолве чистых вод Саргассова моря формула (13) при й-1,р = 0, а = 0 дает оценку коэффициента яркости, согласующуюся с данными натурных измерений в диапазоне длин волк ( 0.37-0.59 шш ), если в качестве спектра поглощения чистой морской води использовать данные Ыороля-Пркера.

Ввиду этого, спектр р„(л), характерный для чистых вод Саргассова моря, предложено рассматривать в качество эталонного спектра. Тогда все отклонения от спектра pv(.X), очевидно, обусловлены дополнаталыш;* поглощением и рассеянием примесями морской воды, в случаях когда концентрации этих примесей превышают (Топовые, наблюдаема в Саргассоеом морэ.

Для анализа отклонений измеренных значений р{Х) от спектра Саргассова моря pv(\)г .c целью восстановления спектров поглощения примосейз вводится фушсция

ф(Ь, _ Р" р Р ( + р„) ~ -0-1-р- № ру- р . (14)

Из (14) следует, что разделить влиянии рассеяния и поглощения мопю лишь в той области спектра, в которой ае ри << р а^. Анализ полученных в. экспедиции спектров показывает что, во-первых, это условие выполняется ухе в зеленом участке спектра П° = (0.53 - 0.57 мкм). Ь этой области спектра, в от л .гам от красной (к которой применимы те го соображения), коэффициент яркости моря еще заметно отличен от нуля, так что погрешности измерений р(к) не сильно влияют на результаты восстановлении р и й. Во вторых, р - 0.001 ~ р (0.55). Ввиду этого спектральная

зависимость суммарного показателя обратного рассеяния Р + Р„ в сине-зеленой области определяется, главпим образом, сильной зависимостью от длины волны молекулярного ряссэягаш водой (Ры~ А."4'*) и , в меньшей степени, зависимостью от длкпы волна рассеяния взвешенными частицами.

Тогда при X « 0° имеем соотношение (р„- р)/р = - р/(£)„+■ р), из которого однозначно находится величина р. Полагая р--сеггя£ в синз-зеленом участке спектра, нетрудно рассчитать гг(А.) в синем участке спектра, где лекат основные полосы поглощения примесей..

Приведены графики, иллюстрирующие применение описанного алгоритма в предельных случаях, когда расцеянпэ взвесьи волико и мало и анализируются ошбки метода.

Рассмотрены, восстановленные описагошм способом, спектры поглощения содержащихся в морской воде примесей. Чаще всего они имеют ярко выраженную двухмодозую структуру. Двухмодовия струг.ту-ра показателя поглощения примесей отчетливо проявляется па вос-становлекннх спектрах только благодаря тому, что спектратьпне измерения проводились не только в видимой, но и в коротковолновой области спектра. Как это следует из анализа восстановленных спектров поглощения примесями, в области длип волн (0.37-0.39 мкм) поглощение г.елты.1 веществом в океанских водах обычно преобладает над поглощением пигмепггтга фитопланктона.

По восстановленным спектрам поглощения были оценена концентрации желтого вещества и пигментов фитопланктона на разрезе вдоль следования судна. Концентрация фитопланктона в верхнем слое океана во время экспедиции изменялась на два порядка: от значений 0.5-1 мг/м3 з Северном море до 0.03 - 0.05 в Саргассовом море. На тропическом полигоне в северо-восточной «асти Атлантического океана характерные концентрации пигментов были 0.1 - 0.5 мг/м1". Сравнение с попутно проводившимися стандартными определениями концентрации хлорофилла показали, что полученные по коэффициенту яркости моря оценки концентрации фитопланктона находятся с ними в хорошем соответствии.

4 Дистанционпоо зондирование коэффициента яркости моря из космоса

В четвертой главе рассматривается задача устрапиия копающего в^шяния атмосферы при наблюдениях цвета моря из космоса. Пока-

зана возможность использования коротковолнового участка видимого диапазона спектра (0.36 -0.4 мал) для повышения наблвдаемых со спутника цветовых контрастов на поверхности моря и для разделения вкладов моря и атмосферы в восходящее излучение. Анализируется спектр) аэрозольной дамки и проводится численный анализ точности предлагаемого итерационного алгоритма атмоа^арной коррекции.

В начале главы рассмотрена зависимость коэффициента яркости атмосферы над морем й(\) от параметров (по, г>, т, р), характеризующих состояние системы "море-атмосфера" и приводятся результаты численного моделирования наблждаемыех с высоты спутника неодно-родностей в цвете моря. Соответствуйте расчеты бнлк выполнена в приближении двухкратного рассеяния. На основе проведенного анализа формулируются основные проблемы дистанционного зондирования цветовых кеоднородностей моря из космоса, одна из которых заключается е том, что на фоне молекулярной дамки относительные изменения яркости вссходя'догз излучения, обусловленные существенными вариациями коэффициента яркости моря е синей области спектра, незначительны.

Показано, что отношение вариаций ВН(Х) коэффициента яркости системы океан-атмосфера, обусловлена^; изменениями коэффициента яркости моря, к самой величине К (л) имеет локальный максимум в середине видимого диапазона спектра. Это обстоятельство позволяет в первом приближении пренебречь яркостью восходящего излучения моря в сравнении с яркостью атмосферной ды:-!ки на границах видшо-го диапазона. Полагая, так».1. образом, р-0 в коротковолновой области спектра ) и в длинноволновой его части (л=Д.0), для оценки 11,(К) спектра атмосфера Ка1т(Л.) имеем следующие условия:

К1 = И, (X1) , « ЦУ

„ (15)

гГ = я, ) , в га

Для проведения интерполяции ет/лх значений е середину видалого диапазона спектра предложено использовать спектр коэффициента яркости <Я(Я)> для некоторого среднего состояния йтмос&ьрн с параметрами (и, г», т1,х(\0)) ■- (1.33, 4, 0.1, 0.2), а интерполя-циошшй спектр Нх (А.) определять по формуле

^(Х) = а «Щ\)> + Ь) , (16)

\

в которой константы а и Ь находятся из граничных условий (15).

- IT -

Вычитая из Rfr) оценку Rz fr) мгновенного состояния атмосферы , получим

Ufr) -Rfr) -Rfr) - (17)

Проведенные численные расчеты показывают, что величина и, в отгчие от Я, хоропга отражает пространственные неоднородности в коэффициента яркости моря.

Проанализированы ¡дэтодические ошибки атмосферной коррокцки, которые можно отнести к трем видам

1. сшибка интерполяции или экстраполяции, связанная с принципиальной возможностью какой-либо параметризации спектра аэрозольной дамки;

Z. ошибки в определении параметров, определящих интерпо.1я-цисшшй спектр коэффициента яркости аэрозольной атмосферы;

3. огибка аппроксимации спектра мутной (яэрозолъно-молекулярной) атмосферы простой формулой (2).

Дается сценка величины погрешности, обусловленной нерегулярной зависимостью индикатрисы рассеяния от дгашы волны

Erl - (0.1 - 0.2)-RaC\.°) . (18)

Величина ее пропорциональна уровни яркости аэрозольной атмосферы в инфракрасной области спектра. Чем плотнее аэрозольная дамка, теп хуже различимы контрасты на поверхности моря.

Эту оценку улучшить трудно. Однако две другие погрешности уменьшить можно, если параметризовывать нэ спектр аэрозольной дымки, а непосредственно спектр агрозольно-молекулярной атмосферы и клеть предварительную оценку интерполяционных параметров.

В отлччие от методики Гордона (1978), для проведения интерполяции предлагается использовать на функцию efr,>.°), определяемую соотношением

Ra№) = e(X,A.°)-R* , (19)

а функцию Е(к,Х° ), связывающую спектр коэффициента яркости мутней атмосфера на .длинах волн X и fr°s IR),:

fr, - R.mfr°) - о (20)

a l m от

Приводится итерационный алгоритм атмосферной коррекции.

использующий следующую параметризацию спектра мутной атмосферы:

ДЖ(Л.)= V».) + (*°/МТ'У(тм,цШтм.ц0)1£ (21)

Она удобна тем, что параметр у бозмозкю оцепить для заданного региона океана из контактных измерений оптической толщины атмосферы. Ыозкно такие воспользоваться имеющимися средне статистическими оценками параметра Ангстрема спектра оптической толщины атмосферы над морем.

Полагая в формуле (21) параметр 7 равным параметру Ангстрема а, получим предварительную оценку (\) спектра йс1п(л). Используя эту оценку и определение (20), для длин волн Л.* и Xх <= Ъ"7 была получена слодувдая система хранений

К 1

1} = Я1Б1 = --К? + р1 ^TiEí , 1=1,2 . (22)

Если бы ш точно оценили мгновенное состояние атмосферы, то первое слагаемое в формуле (22) равнялась бы просто К° - уровню коэффициента яркости в 1Н-области. Обозначим через 0Я1 иескомпен-сировашую часть атмосферной дамки и будем считать ее постоянной в интервале [Л.*,Я.21=10.36-0.4 мгал]. Существенно, что в этом участке споктра, из-за сильной изменчивости величины и пропускания молекулярной дымки, производная функции р(Х) :аюго меньше производной Т(к)Е(К). Тогда, полагая р=сопз^ запишем (22) в виде:

I1 = + е^ + р-ГЕ1 , 1=1,2 , (23)

Так как функция Т(\)Е(\) имеет большую положительную производную в коротковолновой области спекла, то существует устойчивое роше-гош систош! (23) относительно вариаций V. Из (23) находим оценку р в 1Г/ области спектра и величину повязки , позваляюцую уточнить величину 7 в интерполяционной формуле (21) и затем восстановить р(\) в середине видимого диапазона спектра.

В конце главы приводится оценка точности описанного цтерацп-01Ш0ГО алгоритма для вод открытого океана.

В ЗАКЖНЕНИй сформулированы основные выводы диссертации.

ОСНОВНОЕ РЕЗУЛЬТАТ« РАБОТЫ

1. Показано, что используемое для анализа данных дистанционных наблюдений линейное представление яркости восходящего излуче-ша, предложенное Гордоном, имеет ограниченную применимость. Получена формула, уточнявшая щшблпздяпв Гордсиа. Ото форгдула роличествешо п фкичоски более тюрко описываот спектрально-угловуи структуру поля яркости на вер-щей границе атмосферы, так "пк учитывает взаимодействие галекулярпоЗ я аэрозольной атлосфзр.

2. Исследована затютлость от длшп: воатш функций пропуска -клл рилеязской атиосфзри в случаях, когда подлс.таой является д-'Д-фузно рггиекнаящаЯ .зкеак л атхоейерный сгрозоль. Даны тс:с.тэ иростив «налитичесяяе формул* для проведения чгалоппих оцошс ейянчшш пропускания.

.3. Получена формула для спектрального распределения показателя рассеятая аэрозолыс-я. частиц над контишятом, «астазии случаем которой является закон чттгетрема.

4. Предложена малопэрьмотрнческая модель шисрофизитюских свойств атмосферного аэрозоля и показана св пригодность для описания спектральных свойстз однократного рассеяния спета чзстйцрм:: аэрозоля. Проведен» численные расчета спектрально--углоглх теристан аэрозольного рассеяния в пагистеостя от ю!нрофгзичос;тт пэрпметроз модели и выявлена необходимость учет а аавясздзстя аэрозольной индикатрисы рассеяния от дшкн волна.

5. Разработай гша.'пгглчесжй ?«.этод решения обратной задачи опрэдоленяя спектра погдоцепкя пртткзеой по спектру ко^йчизтепта яркости моря и показано, что ррезиротг*} споктрэлькнт пзмэрэигЛ до ближнего улт.тр-афиолзтотюго участки спектра позволяет отделит:» погааяогаге ттигмектами фитопланктона о*« когдезстая рлстворзнтпви органическим веществом и, таким образом, подучить хороиив оценки их концентраций в морской воде.

6. Проанализирована основные особоняоети в спохтре коэффициента яркости системы "океан-атмосфера", проведено • деленное :юде-лированио дистанционно иаблюдгемчх поолпородеостев э цвете моря н показано, что бллкаий ультрафиолетовый участок спектра мояю' использовать, в дополнении к ближнему шйршерзсяому, для выделения цветовых контрастов на поверхности моря.

«

7. Оценены ошибки экстраполяции, связанные с нерегулярной зависимостью аэрозольной индикатрисы рассеяния от длины еолны.

8. Показано, что ошибки обусловленные выбором приближения и неточность» используемых формул для мутной атмосферы мо:шо минимизировать, если парамзтризовквать не, как это принято, спектр аэрозольной дамки, а непосредственно спектр мутной (аврозольно-молекулярной) атмосферы;

9. Разработан итерационный алгоритм атмосферной коррекции, в котором для определения необходимого второго параметра аэрозоль-ко-молокулярной атмосферы используются спектральные различия коэффициентов яркости моря и атмосферной дамки в области спектра 0.36 - 0.4 мкм, а спектр коэффициента яркости моря в видимой области восстанавливается посредством интерполяции.

список работ, опубликованных по теме длссертацш

1. Ли М.Е., Парников C.B., 1S84. Спектральное распределение оптической толщины атмосфера.- В кн.: Оптика моря и атмосферы. Ленинград: ГОИ, е.. 291-292.

2. Ли ¡¿.Е., Паршиков C.B., 1934. Спектральное распределение атмосферной дамки.- В кн.: Оптика моря и атмосферы. Ленинград: ГОИ, с. 293-294.

3. Парпиков C.B., Ля U.E., 1335. Зависимость сечения рассея-ш света па аэрозольных частицах от длины волны. - МГИ АН УССР; г. Севастополь: Деп е ВИНИТИ 10.06.85, N 4051-8ЭД, 1S с.

4. Ли М.Е. , Мартынов О.В., Паршиков C.B., 1935. Методика исключения отраженного излучения при дистанционных измерениях яркости моря,- Морской гидрофизический журнал, Севастополь: изд. МГИ АН УССР, N 3, с. 23-32.

5. Афонин Е.М., Jta М.Е., Паршпсов C.B., 1987. Способ дистанционного определения прозрачности вода в естественных водоемах. -Авторское свидетельств на изобретение Ii I3804I5.

6. Паршиков C.B. , Ли М.Е., 1S37. Дистанционное определенно оптических свойств поверхностного слоя моря. - В кн : Дистанционное зондирование коря с учетом атмосферы. Ыосква-Берлпн-Севастсполь : Вып. ^неггтута космичесих иесдедсванаЗ АН ГДР, 1.2, часть 1, с. 39-53.

7. Ли М.Е. , Мартынов О.В., Парников C.B., 1Э87. Инструментальные измерения коэффициента яркости моря. - В кя : Длстонцпон-ное зондирование моря с учетом . атмосферы. Москва-Берлкн-Совастополь : Вып. института космичесих исследований АН ГДР, т.2, часть 1, с. 152-165.

8. Паршикоз C.B., 1983. Определение спектральных к углсьнх характеристик рассеяния света атмосферным аэрозолем по измерениям оптической толщины атмосфзра г. двух участках спектра.- В ja : Оптика моря и атмосферы. Ленинград: Изд. ГОИ, с.364-365.

Э. Паршнков C.B., Сухих Л.И. 1939. Особенности рассеяния света частицами фитопл&нхтона в полосе поглощения. - Тезисы докл. на I Всесоюзном сзьмнаре "Оптические метода исследования потоков". Новосибирск: ш-т теплофизики СО АН СССР, 2 с.

10. Ли U.E., Паршгстоз C.B., 1990.Определение спектра поглощения содержался в морской годе примесей по коэффициенту яркости моря. - В ки : Оптика моря и атмосферы. Красноярск: Вкл. института физики СО АН ССР, т.?., 0.67-69.

11. Ли И.Е., Паршиков C.B., 1990. Использование ближнего ультрафиолетового участка спектра для дпстанцнонного зондярова-еич океана. - В кн : Оптика моря и атмосферы. Красноярск: Вып. института Фпззжи СО АН ССР, т.1, с.30-31.

12. Ли М.Е., Пардаков C.B., ¡991. Использование спектра .дагфувного излучения коря д-л дистанционной диагностики состояния водных экосистем.- Тезисы лскл. Ill-nft семинар Системы экологического контроля вод. Севастополь: Ш?И АН Украины, с.49.

13. Парппков C.B., Лп U.E., 1092. Дистанционное зондггров^е оптических примесей океана с применеяям коротковолнового участка спектра.- В кн : Автоматизированные система контроля состояния морской средн. Севастополь: изд Ш1 АН Украины, с. 79-83.

14. Парников C.B., Ли М.Е., I992. Использование спектральных особенностей восходящего излучения для нонароля состояния водннх экосистем.- В таг : Автоматизированные систеш контроля состояния морской среда. Севастополь: изд МГй АН Украины, с. 65-78.