海水中矿物质颗粒吸收和散射特性Mie理论分析

利用Mie理论模型对不同粒径分布和复折射率的矿物质颗粒吸收和散射特性进行了模拟计算.颗粒的衰减和散射效率随着参数ρ的增大呈现出振幅依次减小的一系列有规则的振荡变化,而吸收效率则随着ρ的增加而增大;随着颗粒吸收性的增强,散射效率和吸收效率随着ρ的增大最终都将趋近极限值1.对于矿物质颗粒群,颗粒群的粒度分布变化对散射和后向散射特性影响很大,小粒径粒子对散射和后向散射的贡献比较大;折射率实部以及虚部变化对散射特性均有影响,颗粒的吸收性越强,则散射会相应地减弱;粒度分布以及折射率虚部对吸收系数也存在较大的影响,但是折射率实部对吸收系数的影响不大.     

琼东水体后向散射系数与浮游植物生物量的关系模型*

海洋中光后向散射系数的变化包含了浮游植物生物量的信息, 可应用于卫星遥感和光学剖面观测平台获取海洋中大时空尺度-高分辨率剖面的浮游植物生物量变化特征。本文选取了琼东上升流影响下生物—光学变异性较为显著的海域, 基于2013年航次实测数据, 建立了颗粒物后向散射系数(b_bp)与叶绿素a浓度(Chl a)间的区域性关系模型。模型假定颗粒物后向散射系数由不随叶绿素浓度变化的固定背景值, 以及较大粒级(>2μm)和pico级(微微型, <2μm)两类浮游植物的后向散射贡献累加所得。采集的数据集进行了模型检验, 结果表明, 模型能很好地模拟琼东海域水体的b_bp与Chl a间的变化趋势, 性能优于常用的幂函数关系模型, 尤其在低叶绿素浓度范围, 很好地解决幂函数显著低估的现象; 琼东海域的b_bp和Chl a关系存在显著的水层变化, 底层后向散射固定背景值显著高于上层水体背景值, 表明底层受上升流的影响, 水体中不随Chl a共变的颗粒物浓度增大, 其后向散射相应增强; 叶绿素最大层的后向散射固定背景值显著低于上层其他水体的固定背景值, 后向散射固定背景值的贡献百分比约为21%~35%; 随着叶绿素浓度增大, 较大粒级的浮游植物对颗粒物后向散射系数的贡献也显著增大, 可达到50%以上, pico级浮游植物贡献稳定在40%附近。本研究的结果将为琼东海域浮游植物生物量的光学遥感、生物地球化学过程研究提供更为精确的区域性模型和基础支撑数据。     

基于浮游植物吸收光谱提取粒径参数

在南海北部、大亚湾及珠江口3个不同水体生物-光学数据的基础上, 研究了浮游植物粒径结构的变化特征, 建立了基于浮游植物吸收光谱提取的浮游植物粒径参数(S<f>)的混合光谱模型。南海海区不同的水体环境下浮游植物的粒级结构有着很大的差异: 在河口和沿岸水体小型浮游植物占优势, 在外海水体微微型浮游植物占优势。浮游植物粒径参数随小型浮游植物增多而减少, 随微微型浮游植物增多而增大。叶绿素a浓度从外海到沿岸逐渐增大, 浮游植物粒径参数随叶绿素a浓度的增大而减小, 它们之间呈幂函数关系。结果表明, 利用混合光谱模型得到的浮游植物粒径参数与南海海区不同水体的生物-光学特征(粒级结构Rpico和Rmicro、粒级指数SI、叶绿素a浓度)有一定的相关性。具体的相关性表示为: S<f>与粒级结构(Rpico和Rmicro)存在一定的关系, 与小型浮游植物和微微型浮游植物之间的线性相关系数分别是0.55和0.65; S<f>与浮游植物粒级指数(SI)有较好的线性关系, 相关系数是0.57; S<f>与叶绿素a浓度呈幂函数关系, 相关系数是0.64。这个混合光谱模型为从光学参数反演浮游植物种群的生态学信息提供了有效的手段, 同时又可用于分析浮游植物优势粒径结构对光学特性的影响。     

高生产力区LISST-100和OBS对悬浮颗粒物测量的比较研究

LISST-100通过激光前向散射测量32个粒径的悬浮颗粒物体积分数,OBS通过接受后向散射光强测量浊度,浊度反映水体浑浊程度,可用其变化代表悬浮颗粒物浓度变化。利用LISST-100和OBS于浙江外海高生产力区对悬浮颗粒物进行周日变化的同步观测,结果表明,浮游生物高生物量水体中,LISST-100能够测量出悬浮颗粒物体积分数的变化,由于颗粒物体积与其粒径成立方关系,其对于大颗粒物质变化比较敏感;OBS只能反映部分浓度变化,OBS接收的后向散射量强度取决于颗粒物后向散射截面的影响,因此对于小颗粒悬浮物质更为敏感,对大颗粒物质变化不敏感。无机小颗粒占优水体中LISST-100和OBS对于悬浮颗粒物的测量均较为理想。在悬浮颗粒物组分复杂的水体中,采用LISST-100有其优势,它可以获得不同粒径组分的体积分数,而OBS则适用于更小粒径范围的水体,主要是因为其对大粒径的浮游生物不敏感。     

细胞结构对浮游植物光学特性的影响

藻细胞抽象为细胞质和叶绿体构成的两层球体结构, 结合Aden-Kerker散射理论, 分析了藻细胞各物理属性对其光学特性的影响, 同时也与均匀球体藻细胞的光学特性进行了对比分析。分析结果表明, 与均匀球体结构相比, 叶绿体为外裹层的细胞结构将显著增强其后向散射效率及后向散射比率, 而叶绿体为内核层的细胞结构因打包效应将削弱藻细胞的吸收效率; 当叶绿体为外裹层时, 细胞粒径大小、叶绿体相对体积、叶绿体复折射率的虚部都对藻细胞的吸收效率会产生显著影响; 同时, 细胞粒径大小和叶绿体复折射率实部是决定细胞后向散射效率和后向散射比率的两个重要指标。     

水体颗粒后向散射系数测量一致性对比实验研究

颗粒后向散射系数是水体最重要的固有光学参量之一,也是海洋水色卫星遥感的核心参数。现场准确测量水体颗粒后向散射数据,对于水色遥感模型构建以及水色遥感产品真实性检验至关重要。本文针对常用的3种水体颗粒后向散射系数原位测量仪(HydroScat6,VSF3和BB9),通过比测实验,对三者测量结果的一致性进行了比较分析。结果表明,在清洁水体中3种仪器对颗粒后向散射系数测量具有较好的一致性;但在浑浊水体中,HydroScat6和BB9测量值会比VSF3高,三者偏差显著增大。同时,数值模拟和实验结果均表明,颗粒形状会对测量结果产生影响,3种仪器对球形颗粒的后向散射系数测量结果的一致性显著好于野外颗粒结果。     

悬沙水体光谱反射率与质量浓度、粒径的相关关系

根据实验室测得的和野外现场实测的悬沙质量浓度、粒度与光谱数据,分析了不同质量浓度的悬沙水体和同一质量浓度不同粒径大小的悬沙水体的光谱特征,选取了质量浓度的敏感波段,建立光谱反射率与质量浓度、粒径之间的关系模型.分析结果表明:不同质量浓度的悬沙水体光谱反射率具有双峰特征;同一质量浓度的悬沙水体,随着粒径的减小,光谱反射率逐渐增大,粒径大小与反射率呈反比关系;光谱反射率、质量浓度和粒径的指数关系模型能较好地反映三者的关系.     

大亚湾水体中溶解的碳水化合物

根据1985年10月至1986年8月对大亚湾进行的环境调查,本文报道海水中溶解的碳水化合物(DCHO)的调查结果,讨论了该海区DCHO的分布特征及季节性变化。对DCHO和叶绿素a、磷酸盐、溶解氧、颗粒有机碳、温度以及盐度之间进行了相关分析,综合探讨了影响D-CHO含量变化的因素。结果表明,浮游植物在大亚湾水体中DCHO的浓度调节方面起着主要的作用。     

赤潮水体红光波段反射光谱的模拟及形成机理

赤潮水体红光波段反射光谱中"荧光峰"的红移现象一直备受研究者的广泛关注。本文基于前向辐射传输模型,通过2011年7月9日在大连湾海域实测的赤潮水体吸收系数和后向散射系数模拟了弹性散射作用下的反射光谱,发现在未考虑叶绿素荧光的情况下,红光波段仍存在显著的反射峰,且随叶绿素浓度的增加,反射峰出现红移现象;加入叶绿素荧光后,模拟光谱红光波段反射峰的位置与高度出现不同程度的改变,与实测光谱的更接近;对比模拟光谱与实测光谱可确定,红光波段的反射峰由吸收、后向散射以及叶绿素荧光共同控制,而文献中通常提到的"荧光峰"红移实由浮游藻类红光波段的强吸收作用导致,与叶绿素荧光无关,因此反射峰红移的说法更为合理。     

东海海域典型赤潮水体反射光谱模拟研究

东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense Lu)是我国东海海域的典型赤潮藻种,其在水体中通常呈垂直非均匀分布,并存在季节性和日内的垂直迁移现象。本文通过量化垂直迁移过程中东海原甲藻的分布状态,利用Hydrolight软件数值模拟各状态下的水体反射光谱,研究其光谱特征和变化规律。利用叶绿素浓度高斯垂向模型表征东海原甲藻在水体中的垂直分布,结合东海近岸海域二类水体的生物光学模型,模拟得到垂直迁移过程中东海原甲藻赤潮水体的反射光谱。对比分析叶绿素浓度垂向分布参数(背景叶绿素浓度、甲藻主体水层厚度、水体总生物量和叶绿素浓度峰值深度)对水体反射光谱的影响。研究结果表明,在东海原甲藻从次表层向表层垂直向上迁移过程中,水体反射光谱数值在蓝绿波段(400—570nm)减小,在黄红波段(570—720nm)增大,特别是在叶绿素荧光效应波段(680nm)处的变化尤为明显。     

长江口悬浮体粒度特征及其季节性差异

1998年11月和1999年5月长江口悬浮体样品的激光粒度仪分析结果表明，长江口悬浮体粒度较细，分选较差，偏态和峰态偏小，粒度组成以粉砂为主；粘土含量次之，基本不含砂或砂含量很小，由陆向海平均粒径有由粗到细的变化趋势。粒度分布呈典型的非正态分布，存在“双峰”和“三峰”两种形式，表层样品以“双峰”分布为主，底层“三峰”或“双峰”并存。标准偏差-粒度曲线上多峰出现，反映了长江口悬浮体组成的复杂性。长江口悬浮体粒度特征有较大的季节变化。悬浮体粒度变化的影响因素包括泥沙来源、底质再悬浮、生物作用和絮凝作用，粒度特征的季节差异是这些因素综合作用的结果。     

基于遥感数据分析南海叶绿素与颗粒物的季节变化与相互关系

本文基于卫星遥感的叶绿素a浓度与颗粒物后向散射系数月平均数据以及其他海洋与气象参数,详细分析了两个生物光学参量在季节尺度上的相关性及其与物理参数的耦合关系,并运用光驯化模型分析了南海表层水体浮游植物的生理学季节变化特征。结果表明,受南海地形和风场等物理参量的变化,南海叶绿素a浓度与颗粒物后向散射系数存在显著的季节和空间分布特征,具有一定的共变性和差异性。在南海近岸及浅水区,叶绿素a浓度与颗粒物后向散射系数有很好的耦合关系;而在南海深水海盆区,叶绿素a浓度冬高夏低,其季节循环过程与颗粒物后向散射系数相反,这主要是受浮游植物生理学过程的影响。"生物量控制区"与"光驯化控制区"的分界在南海与陆架-海盆分界线一致,体现了水深条件对浮游植物生理状态的影响。此外本文还发现,在吕宋海峡西部海区,叶绿素a与颗粒物后向散射系数的关系表现出"生物量-光驯化共同控制"的特点。     

中肋骨条藻和东海原甲藻的散射特性

浮游藻类是海水中的重要组成成分,对其固有光学特性的研究有助于深入了解水体光学的辐射传输。在过去的30年中,大量的研究都集中在藻类吸收特性上,缺少对其散射特性的认识。本文利用分光光度计设计了在实验室中测量含颗粒水体散射和后向散射特性的方法,并利用标准球形颗粒对该方法的可行性进行验证,结果表明,在400~700 nm范围内,散射测量结果与理论值的一致性较好,最大误差小于3%,而后向散射测量结果在蓝紫光处的一致性较好,在近红外波段处有一定误差。运用这两种测量方法对东中国海常见的赤潮藻种中肋骨条藻Skeletonema costatum和东海原甲藻Prorocentrum donghaiense进行测量,结果显示:中肋骨条藻与东海原甲藻的散射系数幅值相近但谱形差异较大,前者随波长增加散射强度递减,后者则相反;在色素吸收较强的波段,两者散射强度均出现与其它波长位置变化趋势相反的情况,这主要是受细胞物质物理性质的影响。两者的后向散射差异较小,但可以看出其谱形受色素吸收的影响很大,在幅值上,东海原甲藻略高于中肋骨条藻,在550 nm处分别为0.001 74,0.001 43 m²/mg(以藻类叶绿素a浓度归一化),后向散射概率分别为1.104%和0.723%。     

2016年夏季南海海盆水体颗粒物粒径分布特征*

颗粒物粒径分布(Particle Size Distribution, PSD)代表了颗粒物浓度与颗粒物粒径之间的关系, 影响着海洋生态环境和水体光学特性等。文章基于2016年夏季航次调查的生物光学剖面数据, 研究了南海海盆海域PSD的分布特征。研究发现, 幂律函数可以较好地拟合南海海盆区域的PSD, 对数空间中的实测的PSD与模拟的PSD平均决定系数高达0.95。PSD斜率(ξ)的分布范围为[1.27, 7.65], 均值为3.93±0.56。南海海盆区域表层水体的ξ均值与全球大洋表层水体的ξ均值相近, 但高于海湾等表层水体的ξ均值。ξ能较好地表征颗粒物平均粒径D_A的大小, 两者存在明显负相关关系, 即ξ值越高, D_A越小; 反之, D_A越大。通过分析T1断面的生物光学剖面数据及总体平均的PSD剖面数据, 发现PSD剖面分布特征如下: 1)表层水体的ξ值相对较高, 且D_A值相对较低, 推测可能是由于微微型藻类为主导颗粒物所致; 2) ξ值极小值层出现在次表层叶绿素浓度极大值层(Subsurface Chlorophyll Maximum Layer, SCML)中, 并伴随D_A极大值层的出现, 其原因可能是SCML中的大粒径浮游植物占比显著增加; 3)弱光层中的ξ值较SCML中的高, 但略低于表层的ξ值, 而D_A则位于表层与SCML的D_A之间, 这可能与浮游植物及其碎屑的絮凝、分解、沉降等过程相关。PSD特征影响着海水的固有光学特性, 分析发现: 由于SCML中的叶绿素浓度增加, 颗粒物散射系数(b_p(532))和颗粒物后向散射系数(b_bp(532))也相应呈现显著增加的趋势。弱光层中的平均b_p(532)与平均b_bp(532)最小。ξ与颗粒物衰减光谱斜率之间呈高分散性, Boss 等(2001b)的模型适合用于粗略估算区域性的ξ分布范围及均值。     

海岸新月形沙丘的表面粒度分异——以河北昌黎黄金海岸为例

河北昌黎黄金海岸是我国海岸沙丘的集中分布区,选择其中形态典型的新月形沙丘,分不同部位采集了42个沙丘表面沉积物粒度样品,通过对采集样品粒度及其参数的分析与计算,研究了其表面粒度分异。结果表明,昌黎黄金海岸新月形沙丘两翼、迎风坡脚、迎风坡、沙丘顶部、背风坡、背风坡脚的粒度总体上是中砂、分选好、偏度近对称和中等峰态,只有平均粒径在新月形沙丘表面的不同部位存在一定的差异,自迎风坡脚到沙丘顶部粒径变粗,背风坡粒径相对变细,到背风坡脚粒径又变粗,整个沙丘表面粒径顶部最粗、背风坡最细,其分布可以归入沙丘顶部砂物质最粗的分布模式。该粒度分布模式是本区域主风向与强风向交替变化及其风力差异、沙丘两侧不对称和凹型迎风坡形态等组合作用的结果。     

Deep slope currents and suspended particle fluxes in and around the Foix submarine canyon (NW Mediterranean)

Deep slope currents and particulate matter concentrations were studied on the Barcelona continental margin in and around the Foix submarine canyon from May 1993 to April 1994. This year-long moored experiment revealed that near-bottom slope currents are strongly influenced by the bottom topography, being oriented along isobaths and along the canyon axis. The deep slope current fluctuations are controlled by the local inertial motion (18.3 h) and also by low-frequency oscillations at periods of 6–10 days, related to the passage of atmospheric pressure cells. Particulate matter concentrations recorded during the experiment do not show a clear seasonal variability, except outside the canyon, where significant peaks of particulate matter concentrations were recorded only during the winter-fall deployment. In addition, the temporal evolution of suspended particulate matter concentration is not linked to changes in the cross-slope or along-slope current components and did not show a clear relationship with river avenues or wave storm events. This suggests that suspended particulate matter exported from the shelf is dispersed on the slope by advective processes, which attenuate the signal of the shelf-slope sediment transfer. Mean particulate matter concentrations differed among sampling sites, but the magnitude of the mean horizontal suspended particle flux reflects a quite similar value in the whole study area, ranging from 2.53 to 4.05 mg m⁻² s⁻¹. These horizontal suspended particle fluxes are 27 (canyon head) to 360 (open slope) times higher than the settling particle fluxes measured at the same sampling sites, indicating that the suspended particulate transport on the Barcelona continental slope dominates over the settling particle fluxes, even inside the Foix submarine canyon.     

Refractive index of planktonic cells as a measure of cellular carbon and chlorophyll a content

Current methods for determining carbon content in individual planktonic cells from particle volume alone may involve large errors, and no routine technique exists for determining chlorophyll a content in individual phytoplankters. In this study the concept of using the refractive index of cells as a measure of intracellular concentrations of carbon and chlorophyll a is discussed. Specifically, the real part of the refractive index n (at light wavelengths where absorption is negligible or very small) is shown to correlate well with the intracellular concentration of carbon, C_i. The imaginary part of the refractive index n′ (in the red band of chlorophyll a) correlates well with the intracellular chlorophyll concentration, Chl_i. These relationships were found to be nearly identical for two species, a cyanobacterium Synechococcus and a diatom Thalassiosira pseudonana, over a two-fold range in C_i and Chl_i. This range was associated with interspecies differences and intraspecies variations in the cell properties over a day–night cycle. These observations and the underlying theoretical considerations suggest that the relationships C_i vs. n and Chl_i vs. n′ may be robust and hold for a variety of planktonic species regardless of interspecies and intraspecies variability in cellular carbon content, Chl a content, and cell size. In addition, these relationships may be applicable to single-particle analysis of natural water samples, which promises a unique capability to acquire information about the distribution of carbon and chlorophyll a among individual cells, different size classes, and taxonomic groups of planktonic microorganisms in the ocean. Further research with various planktonic species is needed to examine the generality of the relationships C_i vs. n and Chl_i vs. n′ before the approach can be implemented in field studies.     

Distribution of 210Po and export of organic carbon from the euphotic zone in the southwestern East Sea (Sea of Japan)

The distribution of the natural radionuclide ²¹⁰Po in the water column along a horizontal transect of the continental shelf, slope and deep basin regions of the East Sea (Sea of Japan), a marginal sea of the Northwest Pacific Ocean, was investigated, and its behavior is described here. The settling fluxes of particulate ²¹⁰Po in the deep basin along with ²¹⁰Pb, ²³⁴Th and biogenic matter were also determined. ²¹⁰Po inventories in the water column were observed to decrease from winter to summer in all stations, probably due to increased influx of ²¹⁰Po-poor Kuroshio Water of the Northwest Pacific Ocean during summer. Vertical profiles of dissolved and particulate ²¹⁰Po along with the settling fluxes of particulate ²¹⁰Po in the deep basin station have enabled us to evaluate temporal variations and residence times of ²¹⁰Po. In the slope and basin, activities of dissolved ²¹⁰Po generally decreased from the surface to the bottom water, with maximum activity just below the subsurface chlorophyll a maximum at 50–75 m depth in spring and summer. These subsurface peaks of dissolved ²¹⁰Po activity were attributed to the release of ²¹⁰Po from the decomposition of ²¹⁰Po-laden biogenic particulate organic matter. In the deep basin, despite the decrease in total mass flux, the sinking flux of particulate ²¹⁰Po was higher in the deeper trap (2000 m) than in the shallower one (1000 m), probably due to scavenging of dissolved ²¹⁰Po from the water column during particle descent and/or break-down of ²¹⁰Po-depleted particulate matter between 1,000 m and 2,000 m depths. In general, the ratios of the particulate phase to the dissolved phase of ²¹⁰Po (K_d) increased with depth in the slope and basin stations. ²¹⁰Po removal from the water column appears to depend on the primary productivity in the upper waters. There is an inverse relationship between K_d and suspended particulate matter (SPM) concentration in the water column. From the ²¹⁰Po activity/chlorophyll a concentration ratios, it appears that sinking particles arriving at 1000 m depth were similar to those in the surface waters.