自然水体辐射特性与数值模拟

自然水体辐射特性与数值模拟 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:
作者:CURTIS D.MOBLEY
出品人:
页数:254
译者:方圣辉
出版时间:2009-11
价格:36.00元
装帧:
isbn号码:9787307073555
丛书系列:
图书标签:
  • 模拟
  • 水体光学
  • 辐射传输
  • 数值模拟
  • 遥感
  • 环境光学
  • 大气校正
  • 海洋光学
  • 湖泊光学
  • 河流光学
  • 水质遥感
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具体描述

《自然水体辐射特性与数值模拟》从自然水体的光学特性及其辐射测量方法入手,定义了水体的固有光学特性和表现光学特性的概念。通过对水体固有光学特性影响因素的分析,用辐射传输理论中的相互作用原理对光子在气-水交界面得活动进行了描述,推导出了相应的反射与透射方程;用蒙特卡罗方法给出了几个辐射传播数值模型的实例和用来描述水体内部幅亮度特性的辐射传输方程的求解方法,同时还介绍了遥感的水色反演问题。《自然水体辐射特性与数值模拟》适合作为遥感、环境、水文、海洋和气象学相关专业大学本科、研究生教材之用,也可供相关科研工作者参考。

探寻水下世界的奥秘:海洋光学与遥感探测技术 本书导言 自古以来,海洋以其广阔与深邃吸引着人类的目光。海洋不仅是地球上生命起源的摇篮,更是调节全球气候、影响人类生存与发展的重要载体。然而,深邃的海水阻隔了我们直接观察水下世界的视线,使得海洋内部的物理、化学和生物过程充满了未知。本书旨在提供一个全面而深入的视角,探讨如何利用先进的光学原理和遥感技术,揭示海洋的瞬息万变与内在规律,特别是聚焦于海洋水体自身的固有光学特性及其在水下探测中的应用。 本书的构建,立足于将理论物理学的严谨性与实际应用的工程性紧密结合,为海洋科学、环境监测、水产养殖乃至军事应用等领域的研究人员、工程师和高级学生提供一本详实的参考手册和前沿探索指南。我们将避开对单一水体辐射特性的窄化讨论,而是着眼于一个更宏大的系统——即复杂水体环境下的光传播机制与探测方法。 第一部分:海洋光学基础与水体固有光学特性 海洋光学是研究光波在海水中传播规律的学科,是理解水下可见光、紫外光乃至红外光特性的基石。本部分将系统阐述水体如何与电磁波相互作用,这些相互作用决定了我们从水面或水下获取信息的质量和深度。 第一章:电磁波在海水中的传播理论 我们将从麦克斯韦方程组出发,推导光波在均匀介质——纯净海水中的传播方程。重点探讨光的吸收(Absorption)与散射(Scattering)这两个核心物理过程。吸收决定了光能的衰减深度,而散射则主导了光线路径的随机化,是形成水下光场复杂性的主要原因。我们不局限于特定波段,而是从可见光区延伸至近红外和蓝绿光优势传播的物理机制,解释为何蓝绿光是水下观测的最佳“窗口”。 第二章:水体固有光学量(IOCCs)的精细解析 固有光学量是仅取决于海水本身性质(如水分子、溶解有机物、无机颗粒和浮游生物)的参数,与外部环境光照条件无关。本章将详细剖析: 纯水吸收系数 ($a_w$) 和散射系数 ($b_w$): 讨论水分子吸收光谱的精细结构,特别是与氢键相关的吸收带。 溶解有机物的贡献(CDOM): 深入分析有色溶解有机物(CDOM)对蓝光区域吸收的显著影响,以及其作为有机质示踪物的应用潜力。 悬浮颗粒物的光学特性: 区分无机颗粒(如矿物泥沙)和生物颗粒(如浮游植物细胞)的散射截面、背散射函数,以及颗粒大小分布(PSD)如何通过米氏散射和瑞利散射理论得到量化描述。 第三部分:复杂水体环境下的光学信号解析 真实海洋环境中的光场是高度动态和非均匀的。本部分聚焦于如何解析这些复杂光场信号,以反演出水体的组分和结构。 第三章:水下光场建模与辐射传输方程 辐射传输方程(RTE)是描述水下光场分布的核心数学工具。我们将详细介绍RTE的数学形式及其在水下环境中的应用: 数值解法: 介绍蒙特卡洛(Monte Carlo, MC)模拟在求解复杂散射和非均匀介质中光传输问题的优势与局限性。重点演示如何利用MC模拟水下能见度、光照衰减深度和水下照度分布。 半解析解与近似模型: 探讨双流(Two-Flux)模型和离散度(PNA)方法在计算近表层光照强度和光合有效辐射(PAR)中的应用。 第四章:水体组分反演的光学反演算法 光学反演是连接观测数据与水体环境参数的桥梁。本章侧重于从测量到的水体光学信号中提取关键生物地球化学参数。 水色遥感反演原理: 讨论水面反射率(Remote Sensing Reflectance, $R_{rs}$)的测量与修正,以及如何利用神经网络、迭代算法等反演技术,分离出叶绿素a、悬浮物浓度(CDOM)和后向散射贡献。 水下探测的反演挑战: 讨论在浑浊水域和深水区域,由于多次散射和背景噪声增加,导致反演精度下降的问题,并引入先进的盲源分离技术进行信号增强。 第三部分:先进探测技术与应用展望 本部分将目光投向实际应用层面,介绍当前最前沿的水下光学探测技术及其在环境监测中的实际案例。 第五章:水下成像与激光探测技术 水下能见度测量: 深入比较透射率计、前向散射仪和脉冲激光雷达(Lidar)在测量水下光学能见度(Secchi Depth替代方案)中的优劣。重点介绍激光雷达在穿透浑浊水体、获取三维水下地形及目标信息方面的独特优势。 水下偏振成像: 探讨偏振信息在消除水面反射眩光和增强水下目标对比度中的关键作用,以及如何利用偏振特性增强弱信号探测。 第六章:水体遥感与环境监测的整合 本书的最终目标是将光学理论与实际遥感应用结合。我们将分析高光谱和多光谱卫星遥感数据如何被应用于大范围的海洋水色监测: 浮游生物群落结构分析: 利用不同吸收峰值(如叶绿素a和藻胆素)的反演,实现对不同优势浮游植物类群的识别。 特定水体事件的追踪: 以赤潮、泥沙沉积和入海河流羽流为例,展示光学模型如何帮助科学家实时追踪和预测这些影响海洋生态和人类活动的重大事件。 结语 本书试图构建一个从微观的光与物质相互作用到宏观的水体遥感监测的完整知识体系。通过对水体固有光学特性的深入理解和对先进数值模拟及探测技术的掌握,读者将能够更有效地设计实验、处理数据,并最终揭示广阔海洋中更为深层的科学奥秘。本书期望成为推动水下光学与遥感技术未来发展的有力工具。

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用户评价

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(三) 《自然水体辐射特性与数值模拟》这本书,无疑是一部在水体光学领域具有里程碑意义的著作。我之所以这么说,是因为它不仅仅停留在理论的阐述,更将前沿的数值模拟技术引入,为理解和预测水体行为提供了一种强大的工具。阅读过程中,我被作者对细节的极致追求所折服。书中对太阳辐射在水体中的传播路径、吸收衰减、散射机制的分析,细致到每一个可能影响结果的因素,例如水体的温度、盐度、粒径分布等。我特别着迷于书中关于“水体固有光学特性”的概念,以及如何通过测量这些特性来构建更精确的水体模型。当我读到关于“光合有效辐射”的章节时,我豁然开朗。原来,我们所看到的阳光,并非所有都能被水生植物利用进行光合作用,而这本书详细解释了哪些波长的光能够到达深处,以及它们如何被水体中的各种成分所“过滤”。这对于理解水生生态系统的能量流动至关重要。在数值模拟方面,作者并没有采用过于晦涩的语言,而是通过类比和分步解释,逐步揭示了各种模型的构建思路和求解过程。我尤其欣赏书中对“蒙特卡洛方法”在辐射传输模拟中的应用的介绍,这是一种直观且强大的模拟手段,能够很好地处理复杂的光线传播路径。这本书的出版,无疑为水文学、海洋学、环境科学等多个学科的研究人员提供了一个宝贵的资源,它开启了一个新的研究范式,即理论计算与实际观测相结合,用精确的模拟来指导我们对自然水体的认知和管理。

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(五) 在我接触到《自然水体辐射特性与数值模拟》这本书之前,我对水体光学特性的理解仅停留在“水是蓝色的”这样浅显的层面。然而,这本书彻底颠覆了我过去的认知,它像一扇窗,让我看到了水下世界的复杂与奇妙。作者以一种非常系统的方式,从物理学的基本原理出发,逐步构建起对天然水体辐射特性的认知体系。我尤其欣赏书中对“衰减系数”和“吸收系数”的详细阐述,以及它们如何受到水体中溶解性有机物、悬浮颗粒物和浮游生物等因素的影响。书中通过大量的实测数据和案例,生动地展示了不同类型的水体,如湖泊、河流、海洋,其光学特性是如何千差万别的。我记得书中有一个关于“纯净水”和“富营养化水体”光谱特性的对比图,那简直是视觉上的震撼,清晰地展现了溶解性有机物和叶绿素对光吸收的影响。在数值模拟方面,这本书提供了从简到繁的多种模型介绍,包括单层模型、多层模型,以及考虑了水底反射的模型。作者对这些模型的原理、参数设置和应用场景都做了详细的说明,并给出了相应的程序代码示例。我尝试着去复现书中的一些简单模拟,虽然过程有些曲折,但最终得到的结果与书中提供的数据非常吻合,这让我对数值模拟的强大能力有了切身的体会。这本书不仅是学术研究的宝典,对于环境保护工作者,以及任何对水下世界充满好奇的人来说,都是一本不可多得的读物。

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(九) 在我的学术生涯中,有幸阅读过不少关于水体研究的专著,但《自然水体辐射特性与数值模拟》无疑是其中最令我眼前一亮的一部。本书在内容编排上,遵循了从宏观到微观、从理论到实践的逻辑。作者首先从基本的光学原理入手,解释了光与物质相互作用的本质,然后逐步深入到天然水体复杂的辐射传输过程。我尤其惊叹于作者对水体中各种光学成分的细致分析,包括纯净水本身的光学性质、溶解性有机物的吸收特性、悬浮颗粒物的散射效应,以及浮游生物的光合色素对光谱的吸收与反射。这些细致的描述,使得我们能够更清晰地理解为何不同水体呈现出不同的颜色和透明度。在数值模拟方面,本书提供了一个非常系统和全面的框架。作者从最基本的辐射传输方程开始,详细介绍了各种数值求解方法,包括离散纵坐标法(DISORT)、蒙特卡洛方法等。书中还包含了大量的图表和仿真结果,用以验证模型的准确性,并展示了数值模拟在水质监测、水下光学特性反演等领域的应用。我个人在阅读过程中,最受益的部分是关于“水体固有光学特性”的测量与建模。作者提供了详细的实验方法和数据处理流程,这对于想要进行相关研究的学者来说,具有极高的参考价值。总而言之,这本书不仅是一本学术著作,更是一部开启水体光学研究新篇章的指南。

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(十) 收到《自然水体辐射特性与数值模拟》这本书,让我有机会系统地梳理和深化我对水体光学世界的理解。作者以一种极为严谨的学术态度,将复杂的辐射传输理论与实用的数值模拟技术完美地结合在一起。我特别欣赏书中对“光在水体中传播衰减”这一核心问题的深入探讨,它不仅仅是关于光的物理过程,更是关于能量如何在水生态系统中传递的基础。书中对各种影响因素的分析,例如水体浊度、溶解性物质、以及生物色素对光谱的吸收和散射作用,都让我对日常所见的水体有了更科学、更深刻的认识。在数值模拟部分,作者没有回避其复杂性,而是通过循序渐进的讲解,从基本概念到高级算法,层层递进,使得非专业读者也能逐步掌握。我印象深刻的是关于“水底反射”的模拟,这在水体遥感和水下探测中至关重要,作者详细解释了如何将这一因素纳入模型,并给出了相应的计算方法。书中大量的图表和案例研究,更是将理论知识转化为生动的实践,例如通过模拟来预测不同天气条件下水面反射光谱的变化,或是模拟水下不同深度光照的分布。这本书对于水文学、海洋学、环境科学、遥感技术等领域的专业人士来说,无疑是一份宝贵的资料,它不仅提供了前沿的理论知识,更提供了强大的工具,助力我们更深入地理解和保护我们的自然水体。

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(四) 这是一本在我参加了一个关于水环境遥感应用的研讨会后,被同行强烈推荐的书。当时,我正苦于找不到系统性的资料来理解水体光学特性的物理基础,以及如何将其转化为可用的遥感产品。这本书恰好填补了我的知识空白。它从基础的电磁波与介质相互作用的原理讲起,逐步深入到天然水体中复杂的散射和吸收过程。我之前一直觉得,为什么同样是水,看起来颜色却不一样,有时浑浊,有时清澈,而这本书则用科学的语言解释了这一切。书中对“后向散射”和“前向散射”的区分,以及它们对水体光学特性的不同贡献,让我对水体中的微小粒子有了全新的认识。特别是关于“光在浑浊水体中的衰减”的章节,作者通过详细的数学推导和图表展示,清晰地揭示了浑浊度如何迅速削弱光的穿透能力,这直接影响到水下可见度和光合作用的深度。在数值模拟方面,我非常喜欢作者对“辐射传输方程”的讲解。它就像是水体中的“牛顿运动定律”,描述了光子如何在水体中传播、衰减和散射。虽然方程本身看起来很复杂,但作者通过将其分解为一系列的离散方程,并介绍了各种数值求解方法,让我得以窥探其奥秘。这本书的价值在于,它不仅提供了理论知识,更提供了实现这些理论的工具——数值模拟。通过这些模拟,我们可以预测在不同条件下水体的光学响应,这对于水环境的预警和管理具有重要的意义。

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(一) 这是一本关于我们赖以生存的水体,特别是那些天然的水体,其辐射特性的深度探索,并辅以严谨的数值模拟方法来解读这些特性。拿到这本书的时候,我首先被它沉甸甸的分量和细致入微的封面设计所吸引,那种仿佛蕴含着无尽海洋知识的质感,让人忍不住想要立刻翻开。阅读的初体验,就像是潜入一汪深邃而平静的湖泊,初时只是看到水面泛起的涟漪,随着深入,才逐渐感受到水下那复杂而微妙的动态。作者并非简单地罗列数据或现象,而是像一位经验丰富的向导,带领读者穿越层层迷雾,去理解阳光如何穿透水面,如何在不同深度、不同成分的水体中发生散射、吸收和反射。我尤其对书中关于水体光学特性的章节印象深刻,例如,不同浑浊度、不同有机物含量对光的衰减有何影响,这些都与我们日常观察到的水色、水质息息相关。书中引用的案例研究,更是将理论与实践紧密结合,让我看到这些抽象的光学原理是如何在实际的水环境监测、水产养殖、甚至水下遥感等领域发挥重要作用的。虽然我对数值模拟部分的专业术语起初感到些许陌生,但作者循序渐进的讲解,从基础模型到复杂算法,都力求清晰易懂,这让我这样一个非专业背景的读者也能逐渐跟上思路。书中穿插的图表和示意图,更是神来之笔,它们将复杂的概念可视化,极大地降低了理解的门槛。我甚至觉得,这本书不仅仅是一本技术性的书籍,更像是一封写给大自然的邀请函,邀请我们以更科学、更深刻的视角去欣赏和保护这些宝贵的水资源。

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(七) 这本书的出版,对于关注水环境监测和遥感应用的研究者来说,无疑是一次福音。我一直对如何从遥远的卫星影像中“读懂”水体的健康状况感到好奇,而这本书正好系统地解答了我的疑问。《自然水体辐射特性与数值模拟》从基础的光学原理入手,详细阐述了太阳光在水体中的传播、散射、吸收过程,以及这些过程如何受到水体中各种成分的影响。我特别关注书中关于“遥感信号反演”的部分,了解到通过分析水面反射的光谱信息,可以反推出水体中的叶绿素、悬浮物、溶解性有机物等关键参数。书中通过大量的案例研究,展示了这些反演模型是如何被开发的,以及它们在实际监测中的应用效果。我尤其对书中关于“水体固有光学特性”的介绍印象深刻,这是进行遥感反演的基础。作者不仅解释了这些特性的物理意义,还提供了详细的测量方法和数据处理流程。在数值模拟方面,本书提供了一个强大的理论框架。作者详细介绍了如何构建和求解描述水体辐射传输的数值模型,并给出了不同算法的优劣分析。我尝试着阅读了书中关于“蒙特卡洛模拟”的部分,虽然过程比较复杂,但其能够模拟复杂的光线传播路径,对于理解水下光照分布具有重要意义。这本书的价值在于,它将抽象的光学理论与实际的水环境监测需求紧密结合,为我们提供了一套完整的研究方法和工具。

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(二) 这本书在我的书架上静静地躺了有一段时间,直到最近一次户外考察,我才真正迫切地想要打开它。我们的考察项目涉及对某片湿地生态系统的水质评估,而书中关于水体辐射特性与数值模拟的理论,为我提供了全新的思考维度。我尤其关注书中关于水体光谱特性的讨论,了解到不同波长的光在水中衰减的速度是截然不同的,这直接影响到我们如何通过遥感手段来监测水体的各种参数,比如叶绿素浓度、悬浮物含量等等。作者的论述逻辑严谨,从辐射传输的基本方程出发,逐步推导出适用于天然水体的各种模型,并且对模型的假设条件和适用范围都做了详细说明。我印象最深刻的是书中关于“遥感信号反演”的章节,通过对水面反射或透射光谱的分析,可以间接地推断出水体内部的理化参数,这对于大范围、长时间的水环境监测具有不可替代的优势。书中列举了大量的实测数据和模拟结果,这些数据相互印证,使人信服。例如,在讨论浮游植物对水体光学特性的影响时,作者不仅给出了理论模型,还引用了实际测量到的藻华水体的光谱曲线,并与模拟结果进行对比,这种严谨的科学态度令人钦佩。虽然书中涉及的数值模拟方法,如辐射传输方程的离散化、求解算法等,确实需要一定的数理基础,但作者通过清晰的讲解和实例,尽可能地让非专业读者也能理解其核心思想。这本书对我来说,不仅仅是一本教科书,更是一位良师益友,它在我进行水环境研究时,提供了坚实的理论支撑和创新的方法论。

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(八) 作为一名对水动力学和水质模型都感兴趣的研究者,我一直在寻找一本能够将两者有效结合的书籍。而《自然水体辐射特性与数值模拟》这本书,正好满足了我的这一需求。它不仅仅关注水体自身的辐射特性,更将这些特性与水体的物质传输和混合过程联系起来。我尤其欣赏书中关于“光衰减”对水生生物影响的章节。了解光照如何随着深度变化,对于预测浮游植物的生长和水体中溶解氧的分布至关重要。作者通过引入水体中的吸收和散射系数,构建了描述光照垂直分布的数学模型,这为我们理解水体生态系统的能量流动提供了科学依据。在数值模拟方面,本书提供了一个非常全面的视角。作者不仅介绍了辐射传输方程的求解,还讨论了如何将这些光学模型与水动力模型相结合,以模拟更复杂的水环境过程。我特别关注书中关于“耦合模型”的介绍,例如如何将水体光学特性与污染物传输模型相结合,以预测污染物在水体中的扩散和降解。作者通过实例展示了这些耦合模型的构建方法和应用效果,这为我的研究提供了重要的启示。这本书的理论深度和实践指导性都非常高,它不仅能够帮助我们理解自然水体的物理过程,更能够指导我们如何利用数值模拟来解决实际的水环境问题。

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(六) 收到这本《自然水体辐射特性与数值模拟》时,我正处于一个研究项目瓶颈期,需要一种新的视角来理解水体对光的响应。这本书的到来,无疑为我打开了一扇新的大门。作者以严谨的科学态度,深入浅出地讲解了自然水体的光学特性,从基础的瑞利散射到复杂的拉曼散射,从太阳辐射的吸收衰减到水下光照的分布规律,无不涉及。我尤其对书中关于“水体固有光学特性”的讨论非常着迷。了解到这些特性是水体本身的属性,不受外部环境影响,这为建立普适性的水体模型奠定了理论基础。书中对不同类型水体(如清澈水、浑浊水、藻类水)的光谱曲线分析,以及其背后的物理机制,让我对水色有了更深层次的理解。在数值模拟部分,作者并没有止步于理论公式,而是详细介绍了如何将这些公式转化为计算机可以执行的算法。我印象最深刻的是关于“辐射传输方程”求解的多种数值方法的对比分析,包括有限元法、有限差分法等。作者不仅给出了这些方法的原理,还分析了它们各自的优缺点和适用范围。虽然我不是专业的数值模拟专家,但通过作者的讲解,我能够理解其核心思想,并尝试着将其应用到我的研究中。这本书不仅提供了知识,更是一种解决问题的方法论,它教会我如何用数学语言来描述和预测自然现象,如何利用计算工具来加速科学发现。

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