离水反照度现场直接测量方案-基于Monte Carlo模拟

Direct measurement system of water-leaving albedo in the field by the skylight-blocked approach: Monte Carlo simulations

海表反照度（α）决定了太阳辐射进入水体和反射回大气的比例，是决定上层海洋热量的关键参数之一，也是海气耦合和气候模式的核心输入参数。海表反照度主要由海表反射太阳辐射和离水太阳辐射两部分贡献，其中后者定义为离水反照度（Water-leaving albedo，α_w(λ))。课题团队前期研究表明α_w(λ)是α的重要组成并建立了遥感估算α_w(λ)的算法（Yu et al., 2022）。现场观测α_w(λ)是进行算法验证的重要手段，但目前国际上还未见报道有现场测量α_w(λ)的设备，其主要挑战在于如何从海面上行辐照度中区分水面反射贡献，以获取离水辐照度。鉴于此，我们参考天空光遮蔽法（SBA）测量离水辐亮度的方法，在国际上首次提出了现场直接测量α_w(λ)的测量方案，并设计了仪器系统样机（α_wSBA，见图1）。基于Monte Carlo模拟，项目团队评估了α_wSBA自阴影误差的相关影响因子（包括仪器系统尺寸、太阳天顶角和水体固有光学特性），并建立了自阴影误差的参数化方案和校正算法（α_wOPT）。基于Monte Carlo数据集验证结果显示，在不同光学特性和颗粒物散射相函数的水体中，α_wOPT都可以极大地降低阴影误差对α_w(λ)测量精度的影响，校正后α_w(λ)的测量误差均小于7% (Shang et al., 2022)，满足现场精确测量α_w(λ)的需求。

图 1. 基于天空光遮蔽法现场直接测量离水反照度的实验设计方案示意图。

项目团队建立的α_w(λ)遥感算法极大改进了目前传统基于叶绿素浓度算法的估算精度（西北太平洋区域提高可超过50%），而发展的现场直接测量α_w(λ)系统则弥补了国际上对于离水反照度测量的空白。本项目研究为后续建立可靠、准确的海表反照度参数化模型以及模型验证奠定基础，相关结果可直接应用于西北太平洋海表反照度的遥感估算和长时序变化特征的研究，为进一步优化区域内海气耦合模式作出贡献。

参考文献：

Xiaolong Yu*, Zhongping Lee, Shaoling Shang, Menghua Wang, & Lide Jiang (2022). Estimating the water-leaving albedo from ocean color. Remote Sensing of Environment, 269, 112807, DOI: https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112807.

Zhehai Shang, Xiaolong Yu*, & Zhongping Lee (2022). Direct measurement system of water-leaving albedo in the field by the skylight-blocked approach: Monte Carlo simulations. Optics Express, 30, 23852-23867, DOI: 10.1364/OE.463213.