湖冰雙向反射特征的現(xiàn)場觀測研究

于 淼，盧 鵬*，曹曉衛(wèi)，湯明光，王慶凱，李志軍, 2

1. 大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024 2. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000

引 言

湖泊在溫度降低到冰點(diǎn)以下后水面會形成冰層，由于冰的高反射和低熱傳導(dǎo)能力使得大氣和水體之間的能量和物質(zhì)交換受到了影響[1]。太陽短波輻射是冰層生消的主要能量來源，了解冰對短波輻射的反射特性對評估冰內(nèi)能量傳輸及其生消過程有著重要的意義。反照率是量化冰面反射太陽輻射能力的重要參數(shù)，隨著氣溫的升高，冰表面開始融化變暗，反照率會隨之減小，冰層會吸收更多的太陽輻射促進(jìn)冰的進(jìn)一步融化[2]，這種正反饋?zhàn)饔檬潜窨焖贉p小的重要原因，如何實(shí)時連續(xù)地獲取冰區(qū)反照率成為了一個急需解決的問題。

近年來遙感技術(shù)為湖冰的觀測提供了有力的支持，通過遙感數(shù)據(jù)獲得冰面反照率是現(xiàn)階段獲得大范圍連續(xù)數(shù)據(jù)的唯一方法。反照率表示下墊面對太陽輻射在半球空間內(nèi)的反射率，即各個方向上反射的總能量與入射能量之比。目前從光學(xué)衛(wèi)星遙感可以獲得多通道[3]和固定觀測天頂角[4]下的下墊面反射率數(shù)據(jù)，而太陽天頂角的變化也會對反射率產(chǎn)生影響[5]；對于冰這種非朗伯體下墊面，無法通過一個特定方向的反射率反演其他方向的反照率信息，限制了遙感數(shù)據(jù)在冰區(qū)的應(yīng)用。

解決上述問題需要對冰的雙向反射因子(BRDF)有深入了解，它表示表面特定方向上反射的輻亮度與入射的輻照度之比，是一個可以量化反射光場的各向異性程度的物理量。Arnold[6]對北極海冰進(jìn)行航空觀測，發(fā)現(xiàn)融雪會給其雙向反射特征帶來很大影響。Charles[7]對北極海冰和雪進(jìn)行航空觀測，發(fā)現(xiàn)在73°太陽天頂角下，除前向散射方向的散射明顯增強(qiáng)，其余方向的散射接近各向同性。Jin[8]等使用AVHRR的遙感數(shù)據(jù)和輻射傳輸模型分析了雪和冰的雙向反射特征，模型討論了表面粗糙度的影響。Aleksey[9]提出了一種專用于白冰的模型，根據(jù)冰表散射層的光學(xué)厚度和有效粒徑來估算白冰的雙向反射特征。Perovich[10]用現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析了北極融冰期冰、 雪和融池的雙向反射特征隨天頂角和方位角的變化。有報道現(xiàn)場測量渤海的三種海冰，分析了雙向反射特征對天頂角和方位角的敏感性。

從以上研究中可以看到，國內(nèi)外對雙向反射的研究以海冰為主，對湖冰的研究較少，而且主要是通過輻射傳輸模型、 遙感等非現(xiàn)場測量方法，缺少與冰的類型或物理性質(zhì)的聯(lián)系。本研究為了明確不同類型湖冰反射特征的區(qū)別，分析討論了反照率光譜及雙向反射光譜隨光照環(huán)境和觀測角度的變化規(guī)律，為湖冰的定量遙感提供可供參考的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

現(xiàn)場試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古烏梁素海湖，測量時間為2019年2月17日至22日，日氣溫在-14～2 ℃之間變化，處于冰消融初期，冰厚在33～54 cm范圍內(nèi)。為考察不同類型冰的反射特性，試驗(yàn)選取了圖1和表1所示五個不同特征的測點(diǎn)進(jìn)行觀測，觀測時天氣環(huán)境穩(wěn)定，并對每個測點(diǎn)都進(jìn)行了反照率及雙向反射特征的觀測。為體現(xiàn)不同太陽天頂角的影響，每個測點(diǎn)測量兩次，間隔約30 min。

圖1 內(nèi)蒙古烏梁素海湖冰試驗(yàn)地點(diǎn)(左側(cè)底圖為谷歌地圖衛(wèi)星影像)Fig.1 Experiment sitein Wuliangsuhai lake(Base map on the left is a satellite imagery from Google map)

表1 觀測點(diǎn)信息Table 1 Information of observed site

圖2為主要試驗(yàn)設(shè)備，觀測儀器為德國TriOS研制的RAMSES光譜儀，包括兩個輻照度傳感器和一個輻亮度傳感器，其中輻照度傳感器裝配有余弦收集器，可以接收到半球空間內(nèi)各個方向的光；輻亮度傳感器則只能接收一定立體角內(nèi)的光，空氣中的視場角為7°。兩類傳感器的測量光譜范圍為320～950 nm，是太陽短波輻射能量的集中區(qū)，也可覆蓋主要衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可見光和近紅外波段。測量光譜的分辨率為(3.3±0.3) nm，積分時間為4 ms～8 s由儀器自動調(diào)整。圖2(a)中旋轉(zhuǎn)支架上的輻亮度傳感器可以在半圓形天頂弧上滑動以改變觀測天頂角θr，天頂弧也可以在圓盤底座滑動以改變觀測方位角φr，且天頂弧是偏心安裝，既可以保證其影子不會落到傳感器視場內(nèi)影響結(jié)果也不會帶來其他誤差。

圖2 試驗(yàn)裝置(a): BRDF測量設(shè)備; (b): 反照率測量設(shè)備Fig.2 Experimental setup(a): BRDF; (b): Albedo

根據(jù)雙向反射因子BRDF的定義[式(1)]

(1)

式(1)中，θi和φi分別為入射光的天頂角和方位角，θr和φr分別為反射光的天頂角和方位角，Lr為反射輻亮度，Ei為入射輻照度，λ為觀測波長。實(shí)際測量中，先用圖2(a)旋轉(zhuǎn)支架測量不同方位角和天頂角的輻亮度Lr，天頂角從0°(天底方向)到60°每20°測量一次，后向散射的天頂角記為負(fù)值，并將后向散射方向的方位角定義為0°，可以將BRDF表達(dá)式中的φi省略掉，方便分析，從0°到330°每30°測量一次，再用圖2(b)傳感器測量實(shí)時下行輻照度，可以減少由于入射光的細(xì)微變化給結(jié)果帶來的影響。最后移走旋轉(zhuǎn)支架，用圖2(b)輻照度傳感器測量該處的反照率。一次測量約20 min，在此時間段內(nèi)太陽方位角和天頂角變化約為2°～3°，其影響可以忽略不計(jì)。

為了便于不同反照率目標(biāo)之間的對比以及反照率的反演，引入各向異性反射因子(ARF)。它是某方向反射率在半球內(nèi)的積分值與實(shí)際反照率的比，可以量化相應(yīng)位置的反射率對反照率的貢獻(xiàn)。其表達(dá)式為式(2)

(2)

式(2)中，F(xiàn)u為半球光通量，f(θi,θr,φr,λ)為雙向反射因子BRDF，α為反照率，其表達(dá)式為式(3)

式(3)中，Mr為反射輻照度，Ω為立體角。

2 結(jié)果與討論

2.1 反照率

圖3(a,b)所示為五個測點(diǎn)不同天頂角的反照率譜線，在現(xiàn)場觀測中很難保證不同日期測量時的太陽天頂角保持完全一致，此處對比的天頂角差異約為2°～3°，可忽略其對定性結(jié)論的影響。圖中各點(diǎn)的光譜峰值均出現(xiàn)在550～600 nm之間，Ⅳ號冰的反照率最高，峰值略高于0.4；Ⅱ號冰的反照率最低，峰值約為0.1。因?yàn)楸鶅?nèi)的散射主要發(fā)生在氣泡邊界[11]，Ⅳ號冰中存在大量致密的氣泡，增強(qiáng)了冰內(nèi)體散射，因此反照率較大。而Ⅱ號表層的泥沙對短波段反照率的影響要超過深層雜質(zhì)[12]，在300～600 nm波段，泥沙的吸收系數(shù)遠(yuǎn)大于冰，使反照率明顯降低，隨著波長增加冰的吸收系數(shù)增大，泥沙的吸收系數(shù)減小[13]，二者共同作用下形成了Ⅱ號反照率在長波段緩緩下降的現(xiàn)象。Ⅰ，Ⅴ號冰和Ⅳ號厚度相近，Ⅰ號為陰天測量，云層的存在會增加漫射光的比例，冰的反照率會有少量增加，但相比于Ⅳ號和Ⅴ號含有大量氣泡的白冰，反照率仍然較小。而Ⅴ號冰表層的融化水膜吸收了大量太陽輻射導(dǎo)致反照率降低[14]。Ⅲ號冰和Ⅱ號厚度相近，由于氣泡的影響反照率較大。

圖3 反照率(a): θi=56.5°～58.6°；(b): θi=62.1°～65.2°Fig.3 Spectral albedo(a): θi=56.5°～58.6°；(b): θi=62.1°～65.2°

隨著太陽天頂角的增大，光線入射更加接近于冰表面，增大了發(fā)生散射的概率[11]，因此圖3(b)的反照率除Ⅴ號冰外都有不同程度的增大。Ⅴ號冰的小幅度的下降是因?yàn)槿诨械囊簯B(tài)水對光的吸收更加充分，超過了天頂角變化產(chǎn)生的影響。

2.2 雙向反射因子BRDF

為了應(yīng)對遙感數(shù)據(jù)的角度限制，需要了解BRDF的空間分布特征。主平面是經(jīng)過待測點(diǎn)位置與入射光平行的面，是反射光場變化最明顯的部分。圖4給出了主平面內(nèi)不同波段BRDF值與觀測天頂角的關(guān)系。除Ⅱ號冰的反射峰值出現(xiàn)在θr=20°附近以外，其余測點(diǎn)在θr≤40°的反射強(qiáng)度相差很小，反射峰值都出現(xiàn)在θr=60°附近。對比圖4(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，后向散射的反射率在850 nm波段更加接近，這是因?yàn)楹笙蛏⑸涞墓庵饕獊碜员鶅?nèi)的體散射[11]，而在長波段下冰的吸收系數(shù)變大[14]，冰內(nèi)的體散射減弱，冰表面反射占據(jù)優(yōu)勢。放大圖4(a)可以看到，后向散射反射率中Ⅳ號和Ⅴ號較大，Ⅱ號最小，這是因?yàn)棰籼柡廷跆柋鶅?nèi)含有大量致密的氣泡，體散射較強(qiáng)，而Ⅱ號冰透光性很好，體散射較弱。對比圖4(a)，(c)，可以看到后向散射反射率值基本不變，說明冰內(nèi)體散射對太陽天頂角的變化不敏感。Ⅱ號冰的反射峰值點(diǎn)從20°迅速變到60°附近，是由于冰表面的粗糙程度受到了泥沙的影響而改變了冰表面反射峰值點(diǎn)的位置和范圍[8]。

圖4 主平面雙向反射因子BRDF(a), (c): λ=450 nm; (b), (d): λ=850 nm; (a), (b): θi=56.5°～58.6°; (c), (d): θi=62.1°～65.2°Fig.4 BRDF of principal plane(a), (c): ?=450 nm; (b), (d): λ=850 nm; (a), (b): θi=56.5°～58.6°; (c), (d): θi=62.1°～65.2°

圖5為不同波段的BRDF值與觀測方位角的關(guān)系，從(a)和(b)可以看到θr=20°時，反射率對方位角不敏感，而且圖5(a)中反射率值與圖4(a)中后向散射的值幾乎保持一致。只有Ⅰ號和Ⅴ號較為特殊，其中Ⅰ號冰是內(nèi)部性狀的不均勻?qū)е铝梭w散射不均勻，Ⅴ號冰在φr=0°和330°反射率較低，是由于融化產(chǎn)生的水膜增加了冰表面反射的比例，降低了后向散射的能量。兩個特殊現(xiàn)象在850 nm波段都被削弱，說明了在非反射峰值天頂角上，冰的反射率對方位角的敏感性主要取決于冰內(nèi)的體散射，內(nèi)部性狀均勻的冰對方位角很不敏感。

對比圖5(a)和(c)，首先可以看到雖然(c)圖中觀測天頂角變大，在φr≈180°出現(xiàn)了散射峰值點(diǎn)，但在其他方向角下的反射率與(a)圖及圖4(a)和(c)差距很小，這一點(diǎn)在(b), (d)圖對比中也明顯可見，說明了接近散射峰值的天頂角下，除峰值點(diǎn)以外其他方位角的反射率對方位角也不敏感。結(jié)合對圖4的分析可將結(jié)論擴(kuò)展到整個觀測空間內(nèi)(θr≤60°)，前向散射方向的某個天頂角下會出現(xiàn)一個散射的峰值點(diǎn)，該點(diǎn)的方向和反射率取決于冰表面情況，而散射峰值點(diǎn)以外的部分主要來自冰內(nèi)體散射，其性質(zhì)接近于各向同性，在短波段會受到冰內(nèi)性狀均勻性的少量影響，在長波段幾乎不受太陽天頂角和觀測方向的影響。

為了應(yīng)對遙感數(shù)據(jù)的波長限制，還需要了解BRDF的光譜分布。如圖6所示為主平面內(nèi)不同太陽天頂角和觀測天頂角的BRDF譜線，圖6(c)和(f)兩圖采用右側(cè)縱坐標(biāo)軸?？梢钥吹?，除Ⅱ號冰受泥沙影響以外，θr=-60°和0°的(a), (d)和(b), (e)中的譜線形狀和反照率譜線比較相似，光譜峰值的位置以及隨太陽天頂角的變化規(guī)律都很接近，區(qū)別在于BRDF在長波段的反射率下降速度和幅度都更大。此外，在(c), (f)中可以看到，θr=60°點(diǎn)附近的反射率在短波段較低(依然遠(yuǎn)大于體散射)且隨波長增加而迅速升高，增長到極大值后在長波段一直維持著一個很高的值。結(jié)合前面分析可以認(rèn)為冰內(nèi)體散射主要發(fā)生在反射峰值前的短波段，而冰的表面反射主要發(fā)生在反射峰值后的長波段。對比(a), (d)和(c), (f)可以發(fā)現(xiàn)，表面反射的BRDF光譜受太陽天頂角的影響較大，而體散射受影響不明顯。(a), (b)及(d), (e)的對比可以發(fā)現(xiàn)Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ號在θr=-60°和0°的反射率相差很小，是因?yàn)槿齻€測點(diǎn)冰內(nèi)含有大量氣泡，體散射很強(qiáng)。

根據(jù)圖4—圖6的分析，已經(jīng)初步得到BRDF的角度和光譜分布的規(guī)律，還需要了解反射率和反照率之比即ARF的規(guī)律。如圖7(a—f)所示為主平面內(nèi)不同太陽天頂角和觀測天頂角的ARF譜線?？梢钥吹紸RF隨觀測天頂角變化比BRDF更明顯，在θr=-60°時Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ號冰的值相近，且變化規(guī)律相似，在300～400 nm波長范圍內(nèi)有不同程度的小幅度增加，然后隨著波長的增大而減小，750 nm后減小的速度較大，與Ⅱ號冰減小的趨勢有明顯區(qū)別，總體來說來自冰內(nèi)體散射的反射光對反照率的貢獻(xiàn)隨著波長的增大而減小。而在θr=0°時，各測點(diǎn)之間反射率大小差異明顯，但Ⅱ號冰的變化呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，與其他點(diǎn)一致。在θr=60°時，ARF值整體上隨波長增大而增大，說明來自表面反射的光對反照率的貢獻(xiàn)隨波長增大而增大。

圖6 BRDF光譜(a), (b), (c): θi=56.5°～58.6°; (d), (e), (f): θi=62.1°～65.2°; (a), (d): θr=-60°; (b), (e): θr=0°; (c), (f): θr=60°Fig.6 Spectral value of BRDF(a), (b), (c): θi=56.5°～58.6°; (d), (e), (f): θi=62.1°～65.2°; (a), (d): θr=-60°; (b), (e): θr=0°; (c), (f): θr=60°

對比不同太陽天頂角的譜線可見，在θr=-60°時，各點(diǎn)受太陽天頂角變化影響很小。而θr=60°時，隨著太陽天頂角增大，Ⅲ號冰沒有明顯的變化，Ⅱ和Ⅴ號冰出現(xiàn)明顯的整體增大，Ⅰ和Ⅳ號冰整體減小。結(jié)合圖6可以發(fā)現(xiàn)，BRDF大小順序和ARF的并不一致，說明不同狀態(tài)的冰在特定方向的反射率對反照率的貢獻(xiàn)并不相同，且在前向散射方向更明顯，依靠反射率反演反照率還需要考慮波段、 太陽天頂角、 冰物理性質(zhì)及表面情況。

2.3 與前人研究的對比

由于BRDF現(xiàn)場測量的復(fù)雜性，前人研究中報道的實(shí)測結(jié)果較少，圖8(a,b)綜合了已有數(shù)據(jù)與本研究觀測數(shù)據(jù)的對比。其中，Perovich[10]在無云天氣對加拿大雷索盧特灣的融冰期的1.58 m厚海冰進(jìn)行了現(xiàn)場BRDF測量。Arnold[6]在波弗特海的融冰期對海冰進(jìn)行航空測量，測量高度為600 m，測量時幾乎無云。有研究在渤海遼東灣對冬季海冰進(jìn)行現(xiàn)場測量，測量時天氣陰，灰冰和白冰的厚度分別為0.22和0.24 m?？梢钥吹?，對比數(shù)據(jù)都是來自于海冰，相比于湖冰，海冰形成過程中水動力條件更加復(fù)雜，而且含有鹵水泡和結(jié)晶鹽顆粒，導(dǎo)致湖冰和海冰兩者的組分存在差異，這些差異共同影響了冰的光學(xué)性質(zhì)，得到圖8中曲線的整體趨勢相似，細(xì)節(jié)上存在差別的結(jié)果。但前人的研究中只記錄了基本的冰厚數(shù)據(jù)，無法對組分差異進(jìn)行量化，因此在對比分析中更多的強(qiáng)調(diào)趨勢而非具體值。

圖8(a)中可以看到光譜主反射峰的位置差異，本文的數(shù)據(jù)中主反射峰都出現(xiàn)在550～600 nm之間，而有研究結(jié)果主峰值在600～650 nm之間，從圖中無法判斷Perovich[10]結(jié)果的峰值位置，但不會大于400 nm。這是由于冰內(nèi)泥沙等雜質(zhì)含量差異造成的，隨著冰內(nèi)雜質(zhì)的增多峰值會向長波方向移動。第二個差異是反射率的相對大小，該結(jié)果的峰值與本研究Ⅳ和Ⅴ號冰很接近，但在短波段卻明顯低于本研究，長波段反之，這是因?yàn)楸鶅?nèi)雜質(zhì)在短波段的吸收系數(shù)大于純冰，而在長波段小于純冰。而Perovich[10]的反射率結(jié)果整體高于本研究，由于其反照率也都高于本研究結(jié)果，因此無法判斷譜線差異的具體原因。

圖8(b)中可以看到在體散射部分以往研究結(jié)果與本研究Ⅳ號冰很接近，趨勢也十分吻合，主要的差異為θr=60°的表面反射。與Perovich[10]結(jié)果的差異來自BRDF對方位角敏感性，本結(jié)果中除φr=180°出現(xiàn)強(qiáng)反射以外，其他方位角之間差距非常小，而Perovich的反射率從峰值點(diǎn)開始一直減小，到后向散射方向達(dá)到最小值(參考文獻(xiàn)[10]圖3)，即在其他方位角上散射的能量較高，減小了前向散射的反射率，這是由冰物理性質(zhì)的不同導(dǎo)致的體散射差異。與Arnold[6]結(jié)果的差異可能也是同樣的原因，因?yàn)閮烧叨紝儆诒睒O海冰，在物理性質(zhì)上更加相似。另一個可能的原因是航空測量過程中即使沒有云層遮擋，空氣中的水蒸氣和細(xì)顆粒物也會對反射光產(chǎn)生散射，導(dǎo)致冰表面反射光被削弱。

圖8 本研究與以往研究結(jié)果對比(a)：θr=0°，本研究數(shù)據(jù)θi=56.5°～58.6°，許占堂數(shù)據(jù)θi=63°，Perovich數(shù)據(jù)裸冰θi=60°、 藍(lán)冰θi=58°；(b)：Arnold觀測數(shù)據(jù)θi=56°，其他信息與圖8(a)一致Fig.8 Comparison between previous studies and results in this paper(a): BRDF at nadir, where θi=56.5°～58.6°in the data of this paper, θi=63° in Xu’s data, θi=60° and 58° in Perovich’s bare ice and blue ice data respectively; (b): θi=56° in Arnold’s data and the other information is identical with Fig.8(a)

3 結(jié) 論

通過對冬季烏梁素海的幾種典型湖冰表面進(jìn)行現(xiàn)場光學(xué)性質(zhì)調(diào)查來研究冰的雙向反射特性。冰的散射光由兩部分疊加而成，來自冰內(nèi)的體散射和冰表面反射。結(jié)果表明，在對方向的敏感性上，體散射在短波段會受到冰內(nèi)性狀均勻性的少量影響，在長波段對天頂角和方位角都不敏感。而表面反射會在前向散射方向形成一個反射的峰值點(diǎn)，峰值的天頂角位置受冰表面情況影響。反射光的光譜組成上，體散射主要由短波段的光組成，對反照率的貢獻(xiàn)隨波長的增大而減小，而表面反射主要由長波段的光組成，對反照率的貢獻(xiàn)隨波長增加而增加。根據(jù)以上結(jié)論，在反演反照率的時候可以避免遙感數(shù)據(jù)的角度和波段的限制，將反射率擴(kuò)展到半球面上其他角度和波段上。從幾種典型冰的結(jié)果來看，反射率對角度的依賴性規(guī)律比較穩(wěn)定，但對波長的依賴性受冰的氣泡和泥沙含量等性質(zhì)的影響很大，對波長的擴(kuò)展需要根據(jù)冰的具體性質(zhì)來進(jìn)行。最后將半球積分的反射率除以對應(yīng)的ARF數(shù)據(jù)即可得到反照率。

此外，傳感器在波段較小和較大的部分有較大的系統(tǒng)誤差[15]。本工作的測量中最大的觀測天頂角為60°，沒有獲取到完整天頂角的反射率數(shù)據(jù)。而且在后向散射方向θr≈θi角度處的測量過程中，傳感器會對入射光產(chǎn)生一定的遮擋，但從測量結(jié)果上并未發(fā)現(xiàn)某角度下的散射強(qiáng)度明顯小于附近角度，影響效果不明顯，以上兩個問題都可以通過設(shè)備優(yōu)化解決。在定性研究的基礎(chǔ)上，下一步的工作將根據(jù)湖冰上的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在渤海海冰和北極海冰上相繼開展研究，并將冰的雙向反射特征和氣泡密度、 雜質(zhì)含量、 表面形態(tài)等冰物理性質(zhì)之間建立更直接的聯(lián)系，得到更多定量的結(jié)果來為冰區(qū)遙感提供更加有效的支持。