本文围绕海洋表层系统辐射传输特性的并行蒙特卡洛模拟算法及海洋表层系统光学特性进行研究。针对实际应用中遇到的问题开展了两方面的研究,即风驱粗糙海面光散射特性和海洋表层多组分水体（包含海水、海洋粒子、溶解有机物、气泡以及其它粒子等）中光的辐射传输特性。论文重点讨论了风驱粗糙海面光散射特性的信息传递接口（MPI）并行蒙特卡洛模拟算法,含气泡层多组分海水中光子传输的统一设备构架（CUDA）并行蒙特卡洛模拟算法,以及偏振光在含气泡层多组分海水中传输的图形处理单元（GPU）并行蒙特卡洛模拟算法的构建过程,并利用所开发的蒙特卡洛模拟算法分析了风驱海面光反射与透射特性、海洋表层破碎波气泡层的光谱特性和偏振特性。该研究在海洋水色遥感,海洋粒子固有光学属性测量与海水组分及特征参数反演、海洋舰船尾迹探测等领域有着十分重要的研究价值。论文的主要工作和具体成果如下:1.对基于Cox-Munk波陡的海面-光子相互作用的蒙特卡洛模型（PMMC）进行并行化,形成并行蒙特卡洛算法MPI-PMMC,在单机和计算机集群上对并行程序的准确性和加速性能进行了分析。结果表明并行算法辐照度差异小于2.5%,辐亮度差异在大多数情况下小于2.5%,在少数情况下达到5%,在极少数情况下可能接近10%;MPI-PMMC的加速比略低于线性加速比,进程数增大并行效率缓慢下降。2.基于MPI-PMMC并行算法对海面的复散射特性及辐照度和辐亮度反射与透射特性进行了模拟与分析。结果发现风速大于5m/s时海面产生复散射,复散射随风速增加而增加,反射率随着入射角增大而增大,复散射对水下入射光的反射率影响更大,由于全反射影响水下分布光源入射光的反射率远大于大气入射的情形。海面的反射和透射光线分布于不同的方向,风速越大分布越分散。对于天空入射光,辐亮度透射函数数值远大于辐亮度反射函数,前向散射和全反射导致接近水平方向辐亮度反射函数明显增大。对于水下入射光,入射角小于临界角时,辐亮度透射函数远大于反射函数,风速增大辐亮度反射函数的峰值向水平方向靠近;入射角大于临界角时,由于全反射的影响,越接近水平方向辐亮度反射函数值越大,风速增大导致水平方向辐亮度反射函数减小,偏离水平方向函数值增大,辐亮度透射函数仅在接近水平方向附近有较小的值。3.采用平均抽样法,对生物光学中仅能处理单组分的分层介质中光子传输的CUDA并行蒙特卡洛模拟算法（CUDAMCML）进行了扩展,形成了可处理含有溶解有机物、气泡和其他颗粒等多组分水体中光子传输的算法CUDAMCML-OCEAN。测试了扩展程序的准确性和加速比,结果表明用CUDAMCML-OCEAN计算的结果精度令人满意,加速比大多超过200倍。利用CUDAMCML-OCEAN对含气泡层海水的光谱反射与透射特性及双向反射分布函数（BRDF）和双向透射分布函数（BTDF）进行了模拟与分析。结果表明气泡导致整个光谱范围内反射率增加,透射率减小,气泡对反射特性的影响强于对透射特性的影响;风速越大,海水越清澈,气泡对反射率和透射率的影响越明显,气泡对可见光长波区域海水的反射率和透射率的影响程度比短波区域强。气泡导致BRDF·cosθr增大;风速越大,海水越清澈,气泡导致BRDF·cosθr增大越明显;气泡对BRDF·cosθr值的影响随探测角度的增大而减小。存在一个临界角,当探测角小于临界角时,气泡导致水体的BTDF·cosθt减小,当探测角大于临界角时,气泡导致水体的BTDF·cosθt增加,该临界角随叶绿素浓度（Chl）的增加而增大;风速越大气泡对BTDF·cosθt的影响越大。4.给出了含气泡1类海水中海水、海洋粒子、气泡群等各组成元素的散射矩阵,并以Jessica-Ramella子午面法串行代码为基础开发了CUDA并行加速偏振蒙特卡洛模拟程序,测试了代码的准确性和加速比。结果表明并行代码平均相对误差小于1%;相比于串行代码,加速比大于35倍。用并行算法对含气泡水体的后向散射偏振特性进行了模拟分析,结果发现气泡对水体后向散射Mueller矩阵和偏振度的二维分布都有影响。对水平线偏振（H）、垂直线偏振（V）、45o线性偏振（P）和右旋圆偏振（R）四种不同入射光,气泡都导致其偏振度减小;风速小于8m/s时偏振度基本不随风速变化,风速大于8m/s时偏振度随风速降低,风速越大,气泡对偏振度的影响越大;随着深度的增加,气泡对偏振度的降低程度减小;相同Chl时,气泡对P偏振入射光偏振度减小程度最大;气泡对R偏振入射光的退偏作用随叶绿素浓度增加减弱。