2.1 海水的吸收和散射特性

海水所含的成分比較復雜，包括葉綠素、溶解物、懸浮顆粒和許多各式各樣的有機體[1]，一般將海水成分分為懸浮顆粒和溶解的有機物兩大類。其中通常將海水中所含的懸浮顆粒分為浮游植物和非色素懸浮粒子。海水中各個成分的光學特性主要表現為對光的吸收特性和散射特性。

海水含有的溶解礦物質、無機鹽、氣泡等對光的吸收作用和散射作用非常小，一般可以忽略。所以，通常將對海水光學特性有重要影響的物質[2-3]劃分為4類，分別為海水水分子、浮游植物、非色素懸浮粒子和黃色物質。其中海水水分子對光既有吸收特性，又有散射特性，但是對藍綠光具有較好的透過性。浮游植物主要是海洋中的浮游藻類，對光具有吸收與散射的雙重光學特性，浮游植物基本上都含葉綠素a，通常認為的浮游植物對光的吸收作用大都是通過其自身含有的葉綠素完成的。同浮游植物類似，非色素懸浮粒子對光既有吸收作用又有散射作用，其主要包括懸浮泥沙、浮游植物死后的碎屑以及淤泥經過二次懸浮而產生的顆粒。黃色物質對海水衰減特性的影響最大，其主要包括藻類和碎屑產生的物質，因為這些物質使海水帶有顏色，所以稱為“黃色物質”。黃色物質對光只有單一的吸收作用，而沒有散射作用。

綜上所述，對光吸收起主要作用的是海水中含有的4類物質，分別是海水水分子、浮游植物、非色素懸浮粒子和黃色物質；對光散射有重要影響的是其中的海水水分子、浮游植物和非色素懸浮粒子這3種物質，這是因為海水中的黃色物質對光只有單一的吸收作用。

2.1.1 海水的固有光學特性

海水固有的光學特性只與海水介質有關，而與光場幾何性質無關[4]。通常情況下可見光在海水中傳輸時，海水對光場有衰減作用。從光學角度來看，光束在海水傳輸過程中造成的衰減，除了受到純海水的影響外，還受到浮游植物（葉綠素a）、非色素懸浮粒子和黃色物質等對光束的吸收和散射作用的影響。

因此，海水中所含的各種成分主要有兩個重要的光學特性，即光的吸收作用和散射作用[5]。這兩個光學特性會造成海水中光傳輸的功率衰減，因此海水的總衰減系數用式（2-1）來表示。

其中，a(λ)表示海水總吸收系數，β(λ)表示海水總散射系數，c(λ)表示海水總衰減系數，三者單位都是m-1；λ表示波長，單位是nm。

2.1.2 海水信道的光學吸收特性

海水對光的吸收作用指的是光能量轉化為其他形式能量的過程中產生的衰減。分析發現，海水對光的吸收是一個不可逆的過程，光被海水吸收會導致光子的消失。因此，海水的光吸收過程其實是指海水中光能量損失的過程。

海水的吸收特性與海水的成分有著密切的關系，而且其所含成分的吸收作用決定著海水的吸收特性[1]。光束在海水中傳輸時，設其路程為dr，由于吸收而產生的光能量損失為dw，且dw=-a(λ)dr，其中，a(λ)為海水總吸收系數，即海水中所含的各種物質成分的吸收系數之和，表達式如式（2-2）所示。

其中，as(λ)為純海水的吸收系數，af(λ)為海水中浮游植物（葉綠素a）的吸收系數，al(λ)指海水中非色素懸浮粒子的吸收系數，ah(λ)是海水中的黃色物質（可溶性有機物）的吸收系數。

1. 純海水的吸收特性

純水是不含任何雜質的水，研究表明，35‰的溶解鹽和純水混合而成的液體就是純海水。但是相比于其他成分來說，溶解鹽對光的吸收作用可以忽略，所以對于可見光來說，純海水的吸收系數與純水的吸收系數非常接近。所以本書研究的純海水對光的吸收系數是用純水的吸收系數來近似表示的。純水對光有吸收和散射的雙重作用，廣泛使用的純水的吸收和散射系數的數值[6]見表2-1。

表2-1為波長從350～700 nm的純水的吸收和散射系數。根據表2-1繪制出純水的吸收系數和波長的關系（即純海水的吸收系數與波長的關系）如圖2-1所示。

從圖2-1中可以看出，純海水的吸收系數隨波長的增大而增大，且純海水對藍綠光波段的吸收系數較小。波長在350～550 nm之間變化時，純海水的吸收系數隨波長的變化而變化的趨勢較為平穩；波長從550～700 nm之間變化時，純海水的吸收系數隨波長的增大而急劇增大。由圖2-1中可得出，波長為530 nm的光吸收系數as(530)=0.050 5 m-1。

2. 浮游植物（葉綠素a）的吸收特性

浮游植物對光既有吸收作用，又有散射作用。其中浮游植物所含有的葉綠素a對光的吸收作用來說非常重要，因此用葉綠素a對光的吸收作用來表示浮游植物的吸收作用。

浮游植物對光的吸收作用可以用式（2-3）來表示[1]。

其中，代表葉綠素a的單位吸收系數，chl是葉綠素a的濃度，單位是mg/m3。Morel[7]通過研究葉綠素a的單位吸收系數隨濃度變化的關系，分析總結出式（2-4），即浮游植物對光的吸收系數。

其中，A(λ)是參考波長在λ=440nm時的某一波長進行歸一化的單位吸收系數[6]。其中A(λ)的波形如圖2-2所示。

根據海水水質參數的不同，通常將海水分為3類：第1類是遠洋海水，第2類是近海海水，第3類是海灣海水。這3類海水的光學特性參數是Petzold在1972年測出的[8]，見表2-2。其中a是海水的總吸收系數，β是海水的總散射系數，c是海水的總衰減系數，三者的單位都是m-1。

表2-2　3類海水的水質參數

參照表2-2中的3類海域的水質參數，選取遠洋海水中的浮游植物所含葉綠素a的濃度chl=0.03 mg/m3，非色素懸浮粒子的濃度D=0.01 mg/L，近海海水中的浮游植物所含葉綠素a的濃度chl=0.3 mg/m3，非色素懸浮粒子的濃度D=0.8 mg/L作為研究對象。

利用圖2-2中A(λ)與波長λ的關系，并參照表2-2中的水質參數，選取葉綠素a的濃度分別為chl=0.03 mg/m3、chl=0.3 mg/m3和chl=5 mg/m3時，畫出浮游植物的吸收系數與波長的關系如圖2-3所示。

由圖2-3可看出，當葉綠素a濃度不同時，浮游植物的吸收系數隨波長的變化趨勢與歸一化吸收系數隨波長的變化趨勢一致；并且在同一波長下，葉綠素a濃度增大時，浮游植物吸收系數隨著增大。當葉綠素a濃度相同時，浮游植物波長在460 nm和680 nm附近具有兩個峰值，波長在550～630 nm范圍內吸收作用較小。

3. 非色素懸浮粒子的吸收特性

非色素懸浮粒子對光有吸收和散射的雙重光學特性，其吸收系數隨波長的變化呈指數衰減的關系，其吸收系數如式（2-5）所示[1]。

其中，al(λ0)是非色素懸浮粒子在參考波長λ0=440nm時的光吸收系數，選取al(440)=0.198 m-1[6]。S為光吸收譜斜率，研究發現其平均值一般為0.01±0.002[9]，一般選取S=0.01，則非色素懸浮粒子的吸收系數如式（2-6）所示。

根據式（2-6），畫出非色素懸浮粒子的吸收系數與波長的關系如圖2-4所示。由圖2-4可看出，非色素懸浮粒子的吸收系數隨波長的增大呈指數衰減的趨勢，其吸收作用主要體現在紫外光波段和可見光的短波波段，且隨波長的增大而減小。從圖2-4中可得，波長為530 nm的非色素懸浮粒子的光吸收系數al(530)=0.0805 m-1。

4. 黃色物質的吸收特性

黃色物質對光只有單一的吸收作用。黃色物質的吸收系數隨波長的變化趨勢與非色素懸浮粒子的吸收系數隨波長的變化趨勢類似。根據張諸琴等[10]對海水中所含黃色物質的研究，得出黃色物質的吸收系數如式（2-7）所示。

其中，ah(λ0)是參考波長λ0=440nm時黃色物質的吸收系數[11]，S指光吸收譜斜率。

荷蘭科學家[12]對特塞爾島7個觀測點中黃色物質的吸收光譜線的分析研究表明：光吸收譜斜率S非常穩定，通常為0.011～0.017 2[7]。表2-3給出了不同水體類型的光吸收譜斜率的S值[1]。從表2-3中可以看出，即使水體的類型差別很大，S值也很相近，雖然從表層水到深層水的S值有變化，但是變化基本不大。

此處光吸收譜斜率S選的是吸收光譜線的平均值，即S=0.014。通常情況下ah(440)=0.243 m-1，代入式（2-7）中，得出黃色物質的吸收系數如式（2-8）所示。

根據式（2-8），畫出黃色物質的吸收系數與波長的關系如圖2-5所示。

從圖2-5發現，黃色物質的吸收系數隨著波長的增大呈指數遞減的趨勢，它的吸收作用主要體現在可見光的短波波段，波長為600 nm左右時的吸收作用已變得非常小。由圖2-5可以看出，波長為530 nm時的黃色物質的吸收系數為ah(530)=0.0689 m-1。

綜上所述，海水的光學吸收特性主要是海水中各種物質的吸收作用共同決定的，這些物質分別為純海水、浮游植物非色素懸浮粒子及黃色物質。從圖2-1～圖2-5中可以看出，在波長為450～550 nm光波段，純海水的吸收系數為0.011～0.065 4 m-1，浮游植物（葉綠素a濃度為5 mg/m3情況下）的吸收系數約為0.035～0.17 m-1，非色素懸浮粒子的吸收系數約為0.07～0.19 m-1，黃色物質的吸收系數約為0.05～0.2 m-1。

波長為530 nm的綠光的海水各種成分的吸收系數見表2-4。

所以，海水各種成分的吸收系數相差不大，其中非色素懸浮粒子的吸收系數相比其他海水成分的吸收系數較大，純海水的吸收系數相對較小。葉綠素a濃度的變化對海水吸收系數影響較大，并且海水的吸收系數隨葉綠素a濃度的增大而增大。

2.1.3 海水信道的光學散射特性

海水的光學散射是指只有光子的傳輸方向發生了改變的一種隨機過程。即發生散射時，光子并未消失，而只是偏離了準直方向。因此，海水中發生的散射作用并不會使光能量受到損失，只是使水下光場的能量分布發生了改變。

光在海水中傳輸時，海水對光的散射作用主要來自其中所含的純海水、浮游植物以及非色素懸浮粒子的影響，由于黃色物質對光只有吸收作用，因此不考慮黃色物質對光散射作用的影響。光束通過海水介質，傳輸距離為dr時，海水由于散射作用而造成的光束能量的衰減dw，此時dw=-β(λ)dr，其中β(λ)為總散射系數，指純海水、浮游植物以及非色素懸浮粒子3種物質散射系數的總和，可用式（2-9）表示。

其中，βs(λ)是純海水的散射系數，βf(λ)是浮游植物的散射系數，βl(λ)是非色素懸浮粒子的散射系數。

1. 純海水的散射特性

研究表明，對于短波來說，純海水的散射系數相對于純水的散射系數較大，但對于藍綠光來說，純海水的散射系數與純水的散射系數非常接近[13]。所以可以將純海水的散射系數近似用純水的散射系數來表示。根據表2-1中純水的散射系數[6]，波長從350～700 nm時純水的散射系數與波長的關系如圖2-6所示。

由圖2-6可以看出，純海水的散射系數隨著波長的增大呈指數遞減的趨勢，波長為350～500 nm時，純海水的散射系數隨波長的增大而急劇減小，波長為550～700 nm時，變化趨于平穩。因此可以看出純海水的散射作用主要體現在紫外光波段。此外，由圖2-6可以看出，波長為530 nm時純海水的散射系數為βs(530)=0.0017 m-1。

2. 浮游植物（葉綠素a）的散射特性

浮游植物（葉綠素a）對于光波的散射作用有著重要的影響，海水中浮游植物的散射作用可以用式（2-10）表示[14]。

其中，chl表示浮游植物中葉綠素a的濃度，Bc通常表示的是一個常數，一般為0.12～0.45，仿真計算時Bc常常選取平均值，即Bc=0.3。

將參數代入式（2-10），可得到浮游植物的散射系數如式（2-11）所示。

本書利用式（2-11）所示浮游植物的散射系數，并且參照表2-2的水質參數，畫出不同濃度葉綠素a（分別為chl=0.03 mg/m3、chl=0.3 mg/m3和chl=5 mg/m3）時，浮游植物的散射系數與波長的關系如圖2-7所示。

圖2-7可以看出，同一波長下，浮游植物的散射系數隨著葉綠素a濃度的增大而增大，當葉綠素a濃度相同時，浮游植物的散射系數隨波長增大呈指數遞減趨勢。

3. 非色素懸浮粒子的散射特性

1992年，Gordon[15]得出了非色素懸浮粒子的散射系數與波長和質量濃度的關系，如式（2-12）所示。

其中，D是非色素懸浮粒子的質量濃度，單位是mg/L。研究發現，海水中非色素懸浮粒子的質量濃度一般為0.01～3 mg/L[1]。

根據式（2-12）中非色素懸浮粒子散射系數的表達式，以及表2-2中不同海水水質的參數，得出不同質量濃度的非色素懸浮粒子的散射系數與波長的關系如圖2-8所示。

由圖2-8可看出，在同一波長下，非色素懸浮粒子的散射系數隨質量濃度的增大而增大，質量濃度相同時，非色素懸浮粒子的散射系數隨波長的增大而呈遞減趨勢。

綜上所述，海水的光學散射特性是由海水中含有的純海水、浮游植物和非色素懸浮粒子的散射系數共同決定的，從圖2-6～圖2-8中可以看出，在450～550 nm的光波段，純海水的散射系數在0.001 5～0.003 5 m-1，浮游植物的散射系數在0.8～0.97 m-1，非色素懸浮粒子的散射系數在0.125～0.15 m-1（D=1 mg/L）。

對于波長為530 nm的綠光，通過仿真計算得到其各種成分的散射系數（見表2-5）。由表2-5可以看出，與浮游植物以及非色素懸浮粒子相比，純海水的散射系數很小，在實際中可以忽略不計。而與純海水和非色素懸浮粒子相比，浮游植物的散射系數較大，所以它對光信號的散射影響最大。

2.1.4 海水信道的總衰減特性

根據前面所述的海水的吸收和散射作用，由海水水體引起的總的衰減作用為光吸收作用和散射作用之和，可表示為式（2-1）。

將海水中各個成分的衰減系數代入式（2-1），得到海水的總衰減系數，如式（2-13）所示。

其中，cs(λ)為純海水的衰減系數。cf(λ,chl)為浮游植物的衰減系數，且其衰減系數與浮游植物中所含葉綠素a的濃度有關。cl(λ,D)是非色素懸浮粒子的衰減系數，其中，非色素懸浮粒子的散射系數與其濃度有關，而吸收系數與其濃度無關。ch(λ)是黃色物質的衰減系數，其中只含有黃色物質的吸收系數，這是因為黃色物質對光只有吸收作用。

選取波長為530 nm的綠光，參照表2-2中海水的水質參數，選取海水成分中的葉綠素a濃度chl=5 mg/m3，非色素懸浮粒子濃度D=1 mg/L，根據以上參數，計算出海水總衰減系數與波長的關系如圖2-9所示。

由圖2-9中可以看出，波長為300～550 nm時，海水的總衰減系數隨波長的增大而呈指數遞減的趨勢，波長為550～700 nm時，海水的總衰減系數隨波長的增大而緩慢增大，波長為700～750 nm時，海水的總衰減系數隨波長的增大而急劇增大。而波長為520～650 nm時，海水的總衰減系數相對較小。