强壮前沟藻Amphidinium carterae Hulburt生消过程中水体总吸收特性研究

基于2011年7月藻类培养实验期间的实测数据研究了强壮前沟藻Amphidinium carterae Hulburt生消过程中水体的总吸收特性。结果表明,强壮前沟藻本次培养周期共21天,前15天为生长期,之后进入消亡期;整个生消过程中水体吸收光谱变化明显,未见440nm 波段浮游藻类蓝光吸收峰,但675nm 波段红光吸收峰突出,消亡期总吸收系数的日变化明显大于生长期,总吸收系数与叶绿素浓度的时间序列变化趋势一致;总吸收系数的波段关系良好,但不同生长时期相同波段的拟合曲线存在显著差别,消亡期的拟合曲线普遍高于生长期,且整体看来随波长增加,两曲线逐渐接近,到667、678nm 波段时几乎重合;特征波段(440、675nm)的总吸收系数与叶绿素浓度存在较好的乘幂函数关系,拟合曲线与藻种的生长阶段有关,决定系数均在0.98以上。     

渤海湾天津近岸海域夜光藻赤潮生消过程初探

对2006年夏季渤海湾赤潮重点监控区发生的夜光藻赤潮的生消过程进行了初步分析和研究,结果表明,在赤潮的整个生消过程中,3个站位的pH值、叶绿素-a含量、溶解氧、化学耗氧量和营养盐的变化均与夜光藻快速增值前浮游植物的迅速生长有关,浮游植物进行生长时大量吸收水体中的营养盐,而温度和盐度对此次赤潮的生消不存在明显影响.同时,水文气象因子的变化是此次赤潮的发生和消亡时必不可少的条件.     

珠江口颗粒物吸收系数与盐度及叶绿素a浓度的关系

海水中总颗粒物的吸收系数可表达成非藻类颗粒物与浮游植物的吸收系数之和，利用可定量测量的滤膜技术(QFT)测定水体中颗粒物光谱吸收系数。非藻类颗粒物的吸收系数随着波长的增大而减小，可用指数衰减规律来描述；光谱斜率S较离散，但平均值与文献报道的一类水体S的平均值很接近；光谱截距ad0(λ0)随盐度增大而减小，二者有很好的线性关系。浮游植物的比吸收系数和叶绿素a浓度之间存在非线性关系，但是，比吸收系数与叶绿素a浓度之间的非线性关系同时还与波长有关，在叶绿素a的2个吸收峰443nm和670nm附近非线性关系特别明显，而在530-640nm之间两者的非线性关系则较弱。     

中国近海水体三要素吸收系数的比例分布特征研究

中国近海是典型的二类水体,水色三要素组成复杂,水色三要素是影响中国近海水体光学特性的重要因素。基于2006-2007年在中国近海进行的现场调查,获取了1 012个站位的三要素吸收系数数据,对三要素吸收系数的比例分布特征进行了分析。结果表明:在近岸海区二类水体区域,非色素颗粒占主导,在渤海海区所占比例高达57%;在远洋海区,浮游植物和CDOM占主导,两者共同决定了远洋水体的光学性质,叶绿素和CDOM所占比例高达90%以上;中国近海三要素吸收系数的比例分布,占主导作用的是黄色物质和非色素颗粒物,所占比例分别为36%和34%;浮游植物色素所占比例为27%。     

几种典型藻种吸收光谱特性的比较

以小球藻、扁藻、裸甲藻和它们的混合物为研究对象,通过实验室培养连续观测其吸收光谱,对不同生长期藻类的吸收光谱进行了比较,分析了不同藻类675 nm处吸收系数与Chla浓度的关系,并分析了不同藻类的比吸收光谱。由于色素组成及其比例的不同、色素的包囊效应以及附属色素对吸收的贡献,不同藻种的比吸收光谱有所差异。研究表明,在Chla浓度范围为(27.69～2 856.47)mg.m-3时,比吸收系数在特征波段下的吸收值在440nm为(0.016 9～0.087 9)m2·mg-1,在675 nm为(0.011 2～0.054 9)m2·mg-1。     

脱镁叶绿素对浮游植物吸收特性的影响

根据2007年6月期间对大连湾的调查数据,分析了脱镁叶绿素对浮游植物吸收特性的影响。由实测数据及相关文献推断出脱镁叶绿素蓝光和红光吸收峰分别位于412和670nm波段,并采用多元线性回归对脱镁叶绿素和叶绿素a的比吸收系数进行研究。结果表明,412nm波段脱镁叶绿素的比吸收系数远大于叶绿素a;440nm波段,叶绿素a的比吸收系数略大于脱镁叶绿素;670、675nm波段,叶绿素a的比吸收系数约为脱镁叶绿素的3倍。随脱镁叶绿素占色素总浓度比例的增大,浮游植物吸收曲线上蓝光吸收峰偏离440nm波段,逐渐向412nm波段靠近,并得到蓝光波段吸收峰的高度由脱镁叶绿素浓度决定,而红光波段吸收峰的高度由叶绿素a浓度决定。色素浓度与吸收系数进行乘幂函数拟合分析表明,412、440nm波段吸收系数与脱镁叶绿素浓度拟合相关性高于叶绿素a,而675nm波段相反。     

微囊藻和栅列藻吸收与散射特性的实验研究

利用分光光度计,分别检测不同浓度梯度的微囊藻和栅列藻的光束衰减系数、吸收系数等。根据线性加和关系计算出2种藻的散射系数。结果表明,400～650 nm光束衰减系数大致呈下降趋势,之后又逐渐上升.在675 nm附近出现由于浮游植物吸收而形成的峰值,微囊藻、栅列藻的c*(675)分别为(0.075±0.007)m~(-1)、(0.079±0.007)m~(-1)。微囊藻、栅列藻吸收系数、比吸收系数在440、675 nm存在明显的吸收峰值,PAR波段积分平均比吸收系数分别为0.0172、0.0178 m~2/(mgCh1a)。散射系数在440、675 nm一般出现谷值,而在550、700 nm一般为峰值。微囊藻、栅列藻PAR波段积分平均比散射系数分别为0.0686、0.0737 m~2/ (mgCh1a),比散射系数明显大于比吸收系数。另外,栅列藻比散射系数均要大于微囊藻.而其比吸收系数则差异不明显。微囊藻、栅列藻吸收系数与叶绿素a浓度存在非常好的线性关系,显示其不存在色素包裹效应。微囊藻、栅列藻平均Q*.值分别为1.13、1.19.均大于1.包襄因子的分析也证明不存在色素包裹效应。实验条件下得到比吸收系数、比散射系数可以用于计算浮游植物的吸收和散射系数。     

实验室混合藻种的光谱分解方法研究

颗粒物吸收是海洋水色的重要因子.现有的规范方法将颗粒吸收分成浮游植物色素吸收与非色素颗粒物吸收两部分,没有对浮游植物色素吸收作进一步的分离.然而,自然界海水中存在多种藻类都会影响浮游植物的吸收.不同藻类包含的色素种类和组成比例各不相同,实际上,海水中浮游植物色素吸收是多种藻类吸收的综合反映.从不同藻种的吸收光谱特征研究入手,分析了小球藻、扁藻、裸甲藻的吸收光谱特征,研究了多藻种自然混合状态下的光谱分解方法.研究结果表明,混合藻种吸收光谱分解技术是水体藻类信息提取的一种有效方法.     

珠江口藻华水体总吸收系数的变化特性及高光谱反演模式

基于2007年8月海洋光学浮标在珠江口投放期间获得的近16天的实测生物光学数据, 对一次藻华过程中水体总吸收系数和水色光谱的变化特性及其相互关系进行了研究。结果表明, 藻华前后水体中非藻类物质尤其是有色溶解有机物在蓝光波段具有较强的吸收贡献, 而当藻华爆发时, 随着叶绿素a浓度的急剧增大, 浮游植物的吸收贡献明显增强; 各波段之间总吸收系数呈现出较好的线性相关关系, 吸收光谱蓝绿波段比值的变化对遥感反射率的光谱分布有重要的贡献; 据此建立了对水体总吸收系数反演的经验关系模型, 表现出较高的反演精度, 计算值与实测值之间相对偏差的均方根在可见光波段可控制在24%以内。     

黄东海海区浮游植物色素吸收系数与叶绿素a浓度关系研究

浮游植物色素吸收与叶绿素a浓度关系研究是水色遥感生物-光学算法开发的重要组成部分,我们利用HD200304航次和HD200309航次的测量数据,开发了色素吸收系数的波段关系模型(αφ(λ)-αφ(675))和色素吸收系数与叶绿素a浓度关系(αφ(λ)-αφ(675))模型,并在模型开发的基础上,利用叶绿素a浓度反演典型波段的色素吸收系数,效果良好。     

长江口及邻近海域有色溶解有机物的分布及河口混合行为的季节变化研究

于2019年3月、7月和10月对长江口及邻近海域有色溶解有机物(CDOM)的分布及河口混合行为进行分析研究。通过对盐度、吸收光谱斜率S_275～295、吸收系数a_CDOM(355)以及叶绿素a的分析发现,在河口内低盐度区,7月淡水流量大,陆源输入量最大,a_CDOM(355)值最高,3月CDOM来源主要受陆源输入和浮游植物生产活动的影响,a_CDOM(355)值较10月高;在口外高盐度区,3月和7月的a_CDOM(355)值相近,均低于10月,CDOM分布主要受浮游植物生产活动的影响。利用三维荧光光谱?平行因子分析方法共鉴定出4个荧光组分:类蛋白质组分C1(280/330 nm)、类腐殖质组分C2(300/350 nm)、类腐殖质组分C3(260/465 nm)和类腐殖质组分C4(320/410 nm)。在3月、7月及10月,4个荧光组分强度由长江口内到口外呈递减趋势,受陆源输入和浮游植物生产活动的影响,平均荧光强度的季节变化总体上来说,由大到小依次为7月、10月、3月。3个季节CDOM荧光组分均存在偏离理论稀释线的现象,说明CDOM的来源(陆源输入、沉积物再悬浮和现场生物活动)和去除(被颗粒物吸附、光降解和细菌降解)机制复杂多变,揭示了长江口区域CDOM在不同时空下的不保守混合行为。     

基于南海北部海区浮游植物吸收光谱斜率变化的粒级结构反演

浮游植物的粒级结构是一个重要的生物参数。基于南海北部海区不同水体环境下测量的生物光学数据, 作者深入研究了粒级结构对浮游植物吸收光谱的影响。结果表明, 选择443和510nm波段计算得到的浮游植物光谱斜率S对粒级结构的变化具有较高的敏感性, 其随着小型浮游植物比例的增大呈不断增加的趋势。S与水体叶绿素a浓度、浮游植物吸收系数(aph(443))之间表现出明显的正相关特征。以40%为界对不同粒级浮游植物的优势进行定义, 发现在S与叶绿素a浓度、aph(443)的关系分布中小型(Micro)和微微型(Pico)浮游植物占据优势的水体表现出较为明显的分界, 叶绿素a浓度和aph(443)分别在0.70mg•m-3和0.05m-1附近, 相应的S在0.0004(m•nm)-1左右。基于实测数据建立的遥感反射率蓝绿波段比值与S之间的统计关系, 决定系数高达0.91, 为从水色遥感数据反演浮游植物粒级结构提供了重要手段。     

链状裸甲藻赤潮消亡过程及其与休眠包囊关系的初步研究

本文对2018年6月10?14日在泉州湾海域发生的一次链状裸甲藻（Gymnodinium catenatum）赤潮的消亡过程进行研究。在现场跟踪监测,共设置4个站位,进行6个航次海洋环境及浮游植物的调查。结合本文对泉州湾海域甲藻包囊的调查研究,探索休眠包囊与赤潮生消过程的关系。研究结果显示,赤潮发生时海况良好,水温和盐度分别介于27.1～28.2℃和29.7～31.4之间,活性磷酸盐和无机氮浓度分别介于未检出至0.045 4 mg/L和0.050～0.281 mg/L之间,赤潮生物密度与营养盐浓度没有呈现显著的相关关系,大风大浪是导致赤潮消亡的重要原因;赤潮消亡过程中共鉴定出浮游植物3门48属100种,硅藻门种类最多;赤潮消亡期间浮游植物群落结构发生变化,前期链状裸甲藻占绝对优势,最高密度达（7.02±0.11）×106 cells/L,后期中肋骨条藻（Skeletonema costatum）和旋链角毛藻（Chaetoceros curvisetus）代替链状裸甲藻成为优势种,且浮游植物种类数明显增加;同时在泉州湾海域共鉴定甲藻包囊5大类37种和1种未定种,平均丰度为574 cysts/g,以异养型甲藻包囊为主;休眠包囊在赤潮生消过程中起着重要作用,赤潮消亡时形成休眠包囊,包囊数量会随着时间呈下降趋势,但仍有萌发的可能,具有重新暴发赤潮的潜在性,需要引起重视。     

用多层感知器模型由吸收光谱反演浮游植物色素

浮游植物吸收光谱已逐渐成为高光谱水色遥感的可获取参量。文章采用了多层感知器模型, 由珠江口担杆群岛附近水体的浮游植物吸收光谱进行了色素浓度的反演, 感知器的输入量是浮游植物吸收光谱, 输出量分别对应叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c、光保护类胡萝卜素和非光保护类胡萝卜素五大类主要色素的浓度。分析结果表明, 叶绿素a和叶绿素c估算结果的平均相对偏差比较低, 在测试数据集中两者的偏差分别为19.06%和15.90%; 光保护类胡萝卜素和非光保护类胡萝卜素的估算浓度的相对偏差比较高, 对于测试数据而言, 分别为37.62%和36.96%; 叶绿素b浓度在测试数据集中的估算相对偏差约为27.47%。五大类色素在测试数据集和训练数据集的估算偏差比较接近, 已训练好的多层感知器可用于担杆岛水体中色素信息的反演。同时, 此色素反演方法也为遥感监测水体浮游植物种群动态提供了重要的手段。     

基于船载走航观测高光谱颗粒物吸收系数反演浮游植物粒级结构*

利用高光谱监测数据反演浮游植物种群组成是当前海洋光学和水色遥感的研究热点。文章采用大西洋经向断面航次中走航式观测系统测量的海水总颗粒物吸收光谱数据, 尝试建立了两种模型对浮游植物粒级结构(Phytoplankton size class, 简称PSC)进行反演和比较讨论。一类模型是基于总颗粒物吸收光谱高斯分解获得的典型波段高斯带强度与色素浓度之间的关系, 建立了偏最小二乘回归模型(Partial Least Squares regression model, 简称PLS回归模型); 另一类模型是采用长波波段吸收基线高度推算海水总叶绿素a浓度, 进而根据Brewin等(2010)生物量算法推算PSC的三组分模型(简称三组分模型)。模型比较验证结果显示, 两类模型对海水总叶绿素浓度的反演都有较高的精度, 相对偏差ME在15%左右; 对于三个粒级浮游植物对应的叶绿素浓度(Pico级C_p, Nano级C_n, Micro级C_m)的反演效果也相当, PLS回归模型反演的ME分别为28.4%、31.9%和41%, 三组分模型反演的ME分别为31%、35.9%、37.7%。研究结果初步表明了采用高光谱吸收系数反演浮游植物种群结构的潜在优势, 可为不同海域走航式高光谱观测系统的推广应用提供思路。     

表征赤潮水体太阳激发的叶绿素荧光高度的波段优化 --归一化荧光高度法

采用现场实测和室内培养两种方式测定了甲藻、赤潮异弯藻、叉角藻、海洋蓝绿藻等赤潮和新月菱形藻、叉鞭金藻、塔胞藻、扁藻和小球藻等非赤潮藻类光谱曲线.采用度量太阳激发的叶绿素荧光峰高度的归一化荧光高度法,建立了不同藻类归一化荧光高度与叶绿素浓度的关系.荧光高度计算方法是将红光波段的反射率最大值(R_maxred)和R₆₈₅分别归一化到560 nm处的R₅₆₀和560 nm附近整个光谱曲线的最大值R_{560 max}上或675 nm处的R₆₇₅和675 nm附近的最小值R_675mini上.结果表明,不同藻类的R_maxred/R₅₆₀max和R_maxred/R_675mini与叶绿素a的相关系数分别比R₆₈₅/R₅₆₀和R₆₈₅/R₆₇₅与叶绿素的相关系数高,但在海洋现场测量中由于近岸二类水体其他水色组分以及大气校正误差的影响,R_maxred/R_675mini和R₆₈₅/R₆₇₅更适合于实测的叶绿素浓度估算.采用三种统计回归方程建立了不同藻类归一化荧光高度与叶绿素浓度关系,除个别藻种外,大部分的相关系数在0.9以上,其中FLH=a+(Chla)b回归方程得到的相关系数优于其他两种方法,相关系数大于0.93,这表明藻类水体的荧光特性和叶绿素浓度之间的普遍关系是非线性的.     

辽东湾表层叶绿素浓度时空变化遥感分析

叶绿素浓度是评价海水的一项重要指标,它对于渤海北部的辽东湾海域具有重要的研究价值。2011年投入使用的静止轨道水色传感器GOCI有较高的时空分辨率。利用GOCI数据获取叶绿素含量的季节分布规律,分析了辽东湾海域表层叶绿素含量时空变化及演变特征,证明了利用GOCI叶绿素产品观察赤潮的可行性。结果显示:2015年辽东湾海域叶绿素浓度在总体空间分布上呈现近岸较高、海湾中央海域较低的特点。叶绿素浓度的月平均值为3.50～5.35,秋冬季高于春夏季。秦皇岛海域叶绿素浓度普遍高于其他海域,营口海域也有较高的分布,但不及秦皇岛海域。秦皇岛沿岸海域叶绿素浓度常年保持在一个较高水平,冬季及早春受西北风影响,秦皇岛附近海域表层海流携带浮游植物流动形成了自西北向东南叶绿素浓度从高到低的分布趋势。通过2015年6月14日、17日和20日秦皇岛海域的叶绿素浓度分布观察到了一次夜光藻赤潮的发生和消亡。因此,GOCI数据可以应用于监测叶绿素浓度的时空变化和观察赤潮的发生和消亡。     

黄东海非色素颗粒与黄色物质的吸收系数光谱模型研究

黄色物质和非色素颗粒物是我国近岸水体重要的水色成分,对其光谱特性的了解,直接关系到水色遥感色素算法的精度。文章对2003春季黄东海航次获取的数据分析处理,得到黄色物质吸收系数斜率经验值Sg=0.0175和非色素颗粒物吸收系数斜率经验值Sd=0.0103。经采用2002春季和2003秋季同海区试验数据进行检验,结果表明得到的光谱模型具有较强的区域适用性。     

利用围隔实验研究赤潮过程中藻细胞荧光能力

2002年5月和2003年5月在东海赤潮现场进行了添加营养盐诱发赤潮的船基围隔实验。通过测定赤潮藻活体荧光和DCMU增强荧光研究赤潮生消过程中藻细胞荧光能力的变化,揭示在赤潮形成阶段的藻细胞增长期细胞荧光能力较强,反之,在赤潮消亡过程中随着生物量和叶绿素a下降,细胞荧光能力也随之下降。不同围隔中生物量和叶绿素a有较大差别,而细胞荧光能力差别不大。这说明细胞荧光能力的大小与生物量无关,而是取决于藻细胞的生理状况。各围隔中加入DCMU后的增强荧光与正常荧光之间的差值(Fd-F)在赤潮发展过程中均增大,在赤潮消亡过程中均减小。根据它的大小和细胞荧光能力可初步判定赤潮是处于发展过程还是消亡过程。     

水体石油类信息遥感提取模式研究

石油类是水体有机污染物中的一种,其对水体吸收系数的影响主要体现在有色可溶性有机物(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)的光吸收特性上。在水色遥感领域,CDOM光吸收特性主要用其在参考波段的吸收系数和光谱斜率来表征。利用2008年5月、2009年8月和2010年6月在辽宁省盘锦市辽河油田境内获取的CDOM吸收系数、水体表观光学特性以及石油类污染浓度等试验数据,确定表征石油类污染水体CDOM吸收光谱特性的光谱斜率;根据光谱斜率以及表征CDOM浓度的440 nm参考波段吸收系数,建立遥感反演水体石油类污染浓度的模式,并利用31个野外现场实测值对模式精度进行了验证,结果表明,该模式的相对误差为7%;将该模式应用于国产卫星环境一号遥感数据,获取双台子河及辽东湾近岸水体石油类污染空间分布图。