基于反射光谱的太湖北部叶绿素a浓度定量估算

利用地物光谱仪研究了太湖水体的反射光谱特征与叶绿素a浓度之间的定量关系,结果表明太湖水体的叶绿素a浓度可以用720 nm附近的反射率估算,同时也可以用806 nm和571 nm两个波段的反射率比值来估算,前者建立的估算模型具有较好的通用性,而后者只能较好的估算<10μg/L的叶绿素a浓度;通过对光谱微分的分析,发现叶绿素a浓度与690 nm附近的一阶微分和702 nm附近的二阶微分相关性最好,但基于反射光谱一阶微分的叶绿素a浓度估算模型,并没有显著的提高太湖叶绿素a浓度的估测精度,二阶微分后的估测精度好于一阶微分,但其估测精度仍没有利用720 nm反射光谱的反演模型高．太湖水体的叶绿素a浓度可以利用720 nm附近的反射光谱有效地估算．     

应用实测光谱估算千岛湖夏季叶绿素a浓度

依据2010年8月的实测数据构建了千岛湖水体夏季叶绿素a浓度的实测光谱数据估算模型,并进行了验证.利用ASD FieldSpec3野外光谱仪获取高光谱数据,计算水体离水辐亮度和遥感反射率.通过寻找反演水体叶绿素a浓度的高光谱敏感波段,采用单波段相关分析、波段比值、微分光谱、三波段模型、BP人工神经网络等多种算法进行比较分析,结果表明:叶绿素a浓度与单波段光谱反射率的相关性不大;596 nm和489 nm波长处反射率比值、545 nm处光谱一阶微分与叶绿素a浓度均呈较显著相关,估测模型决定系数R2分别为0.782、0.590,RMSE分别为0.89、1.98μg/L;三波段模型的反演结果优于传统的波段比值和一阶微分法,R2为0.838,RMSE为0.71μg/L;神经网络模型大大提高了叶绿素a浓度的反演精度,R2高达0.942,RMSE为0.63μg/L.本研究为今后在千岛湖水域的夏季相邻月份进行叶绿素a浓度大范围遥感反演研究奠定了基础.     

太湖水体叶绿素浓度反演模型适宜性分析

为确定适合太湖水体叶绿素的反演算法,为同类卫星数据的建模和应用提供参考,本文根据太湖2007年11月、2009年4月和2011年8月实测水质参数以及同步光谱数据,结合水色遥感传感器MODIS、MERIS、GOCI及我国自主发射的HJ-1号卫星CCD传感器波段参数,基于差值模型、比值模型、三波段模型及APPEL模型,分别建立太湖水体叶绿素浓度反演模型,并分析模型的适宜性.结果显示,基于不同传感器数据APPEL模型的决定系数为0.7308~0.8107,模型相对误差为15%~24%,均方根误差为21%~32%;三波段模型基于不同传感器数据拟合的决定系数为0.6014~0.7610,相对误差为28%~36%,相对均方根误差为39%~46%;差值模型决定系数为0.4954~0.7244,相对误差为39%~53%,相对均方根误差为51%~72%;比值模型决定系数为0.4918~0.7098,相对误差为41%~55%,相对均方根误差为56%~75%.相比较而言,APPEL模型的稳定性较强,适合于不同传感器数据的太湖水体叶绿素浓度的反演.此外,相应不同传感器波段位置、波段宽度对模型反演的精度和稳定性的影响也不同,当波段位置接近叶绿素特征波长时,较窄的波宽有利于模型精度的提高,波段位置和叶绿素浓度特征波长相差较大时,合理增加波谱范围有利于叶绿素特征信息的获取.     

基于半分析模型的波段最优化组合反演混浊太湖水体叶绿素a

内陆水体叶绿素a浓度定量反演是水质遥感的热点与难点.本文基于对内陆水体叶绿素a、悬浮物、溶解有机物与水分子的光谱特征分析,从半分析生物光学模型出发,利用太湖实测的水面 ASD 高光谱遥感数据三波段组合,进行迭代优化,得到与叶绿素浓度密切相关而受悬浮物与黄色物质影响小的最优波段组合模型,反演精度较高,其决定系数和均方根误差分别为 0.8358、3.816mg/m3,该方法可以有效地反演高浓度悬浮物主导光学特性的水体叶绿素a浓度.     

NDCI法Ⅱ类水体叶绿素a浓度高光谱遥感数据估算

以太湖、巢湖为研究区,以Hyperion和HJ-1A卫星HSI高光谱数据以及实测水质浓度数据为实验数据,引入归一化叶绿素指数(NDCI),对Ⅱ类水体的高光谱叶绿素a浓度估算进行分析研究.首先对高光谱数据的光谱通道设置以及水体光谱特征进行分析,研究确定模型的最优波段.然后,将确定最优波段后的NDCI反射率因子作为变量与实测样本点数据进行回归分析,得到NDCI与叶绿素a浓度之间的回归关系,进行叶绿素a浓度的估算.与常用的比值法、一阶微分法和三波段法相比,NDCI的性能优于这3种方法,表明NDCI是一种计算简单、估算精度高、实用性强的Ⅱ类水体叶绿素a浓度估算方法.     

巢湖浮游植物叶绿素含量与反射光谱特征的关系

利用高光谱地物光谱仪在巢湖进行了反射光谱测量和同步水质采样分析。在分析巢湖水体反射光谱特征的基础上,通过研究水体光谱反射率与叶绿素浓度之间的关系,利用反射率比值法和一阶微分法分别建立了叶绿素a的遥感定量模型。结果表明反射率比值R705nm/R680nm和690nm反射率的一阶微分均与叶绿素a浓度有较好的相关性,且用反射率比值法估算叶绿素a效果较好。     

基于Hyperion数据的太湖水体叶绿素a浓度遥感估算

通过对2004年8月19日太湖Hyperion高光谱遥感数据的处理和分析,文章首先采用比值和一阶微分处理技术进行了叶绿素a浓度的估算．为了弥补此两种方法在模型的适用性和通用性方面的不足,本文尝试了利用混合光谱分析模型进行太湖水体叶绿素a浓度的提取和成图．实验结果说明高光谱遥感数据Hyperion可以进行水体叶绿素a浓度的监测,并且作为高光谱处理技术之一的混合光谱分析技术是水体叶绿素a浓度估算的另一条佳径．     

结合温度因子估算太湖叶绿素a含量的神经网络模型

神经网络方法估算复杂水体水质参数的优越性已经得到证实.基于太湖水体实测叶绿素a浓度,利用MODIS 250m影像和反演得到的水温数据建立了估算太湖水体叶绿素a含量的两个单隐层BP神经网络模型:NN1模型不含温度因子、NN2模型包含温度因子,采用Levenberg-Marquardt算法训练网络,利用初期终止方法提岛网络泛化能力,均取得了较高估算精度,其中包含温度因了的反演模型精度稍有提高,但不显著.     

分季节的太湖悬浮物遥感估测模型研究

根据1996-2002年无锡太湖监测站的水质资料分析,太湖悬浮物具有季节性特征,因而分季节的悬浮物估测模型比单一的模型可能更加适合用来估测太湖全年的悬浮物浓度.在分析太湖水体光谱特征的基础上,根据太湖悬浮物的季节性分布特征,使用春夏秋冬四季的Landsat TM/ETM图像和准同步的水质采样数据,建立了太湖分季节的悬浮物估算模型.结果表明:估测因子(B2 B3)/(B2/B3)在春、秋、冬三季都能很好地估测出悬浮物的浓度(R2＞0.52).夏季由于叶绿素的干扰性较大,悬浮物的估测效果不理想.冬季的估测效果最好(R2=0.81),模型为lnSS=14.656×(B2 B3)/(B2/B3) 1.661,其中,ln SS表示悬浮物取自然对数后的值,B2、B3为TM/ETM图像经过6S大气校正、3×3低通滤波后第2、3波段的反射率值.     

适用于多种卫星数据的太湖水体漫衰减系数估算算法

下行漫衰减系数(K_d)是描述水下光场的重要参数,决定水体真光层深度,影响着浮游藻类初级生产力及其分布特征.基于2008—2013年太湖4次大规模野外试验数据,分析太湖水体漫衰减系数特征及其影响因素,建立适用于多种卫星数据且较高精度的太湖水体490 nm处下行漫衰减系数估算模型.结果表明:无机悬浮物是太湖水体漫衰减系数的主要影响因素;红绿波段比值(674 nm/555 nm)最适合于太湖K_d(490)估算,模型反演精度较高(N=72,R~2=0.72,RMSE=0.89 m~(-1),MAPE=21.58%);利用实测光谱数据,模拟得到MODIS/EOS、OLCI/Sentinel-3、GOCI/COMS和MSI/Sentinel-2等主要传感器波段的信号,构建适用于多种卫星传感器K_d(490)估算的红绿波段模型,建模精度较高(N=72,R~20.7,RMSE0.9 m~(-1),MAPE22.0%),且进行了验证(N=37,R~20.7,RMSE0.9 m~(-1),MAPE22.0%).     

小球藻和铜绿微囊藻的高浓度Chl-a高光谱定量模型

本研究将地物高光谱遥感技术应用于室内实验,从而得到小球藻和铜绿微囊藻的高光谱特征.通过多种半经验方法,如单波段、波段比值和微分法,建立了两藻种最优的Chl-a高光谱定量模型,并与室外情况进行了对比.结果表明:小球藻的最优定量模型为Chl-a=174.6 1138292(R703) 2.3(109[(R703)]2(p＜0.01),相应的方法适宜性为:一阶微分法＞单波段法＞波段比值法;铜绿微囊藻的最优定量模型为Chl-a=5299164(R757)1.9773(p＜0.01),相应的方法适宜性为:单波段法＞波段比值法＞一阶微分法;从高光谱特征来看,小球藻在540 nm和700 nm附近存在明显的特征波峰,其位置随Chl-a浓度增大而向长波方向偏离,铜绿微囊藻在530 nm、660 nm和700 nm附近存在3个较强的特征波峰,在610 nm和680 nm附近存在明显的波谷;与以往室外研究不同的是铜绿微囊藻的反射率在400-500 nm之间的R值并不低,是因为没有非藻类颗粒物的影响,总吸收明显降低.     

太湖叶绿素a的时空分布特征及其与环境因子的相关关系

2012年3月至2013年2月逐月对太湖水体叶绿素a含量、主要环境因子及不同门类浮游植物密度进行测定,分析太湖叶绿素a含量和不同门类浮游植物密度的时空分布特征,探讨太湖叶绿素a含量和环境因子与不同门类浮游植物密度之间的相关关系并建立逐步回归方程.结果表明:太湖叶绿素a含量全年平均值为22.33±37.65 mg/m³,变幅为0.48~347.85 mg/m³;叶绿素a含量随季节变化明显,夏季最高、秋冬季次之、春季最低;在空间分布上,太湖北部和西北部最高,东部和南部最低.蓝藻门、隐藻门、硅藻门、绿藻门密度随时间呈峰型变化,均在10月份达到最大值,黄藻门、金藻门和裸藻门密度的变化趋势呈"V"型,在春、冬两季出现较大值;不同门类浮游植物密度基本在西北区出现最大值.全湖叶绿素a含量的显著影响因子有总有机碳、亚硝态氮、溶解氧、pH、水温和磷酸盐;lg(Y_Chl.a)与lg(X_TN)呈显著负相关,与lg(X_TP)呈极显著正相关,与lg(X_N/P)呈极显著负相关.太湖叶绿素a含量与蓝藻门、隐藻门、裸藻门与甲藻门密度有显著相关关系.     

一种基于MODIS影像可业务化运行的巢湖水体叶绿素a估算算法

现有水色卫星主要是针对大洋清洁水体设计,内陆浑浊水体多数波段经常饱和;而发展可以业务化运行的内陆水体叶绿素a算法,为生产实践服务,一直是水色遥感的重点和难点之一.利用2013年巢湖星地同步数据(N=55),通过经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)分析方法,选用MODIS唯一不饱和的4个波段(469、555、645、859 nm)数据进行分解,然后回归建模;并使用第三方独立的巢湖实测数据(N=40)进行验证(R2=0.63,URMSE=85.46%).结果表明:该算法用于MODIS影像上,空间分布合理,季节差异明显,且在高悬浮物水体、不同气溶胶条件下均有很好的抗扰动性.实践证明EOF算法可以应用于业务化运行的内陆水体叶绿素a浓度估算,并对其他水色参数反演具有一定的借鉴意义.     

Solubility of gold in the SiO2-NaCl-H2O system at 300°C and50 MPa

The solubility of gold and quartz in 0.01, 0.10 and 1. 00 mol/kg NaCl solutions with various pH was determined in the presence of the NNO oxygen buffer at 300°C and 50 MPa using a flexible gold cell hydrothermal apparatus. The Au speciation in the SiO₂-NaCI-H₂O system was inferred and the equilibrium constants for the following dissolution reactions were obtained: Au+H₂O = AuOH⁰+1/2H₂, logK(AuOH⁰) = -7.92 ± 0.25; Au+Cl^-+H₂O = AuOHCl^-+1/2H₂, logK(AuOHCl^-) = - 7. 56 ± 0.65. The present study suggests that Au as AUOH⁰ and AuOHCl^- is basically transported in ore-forming solutions under geologically realistic conditions of acidity, chloride molality and oxygen fugacity. The reason for the common association of Au with SiO₂ in hydrothermal gold deposits is discussed. Project supported hy the National Natural Science Foundation of China.     

Water uptake and equilibrium sizes of aerosol particles at high relative humidities: Their dependence on the composition of the water-soluble material

Equilibrium water uptake and the sizes of atmospheric aerosol particles have for the first time been determined for high relative humidities, i.e., for humidities above 95 percent, as a function of the particles chemical composition. For that purpose a new treatment of the osmotic coefficient has been developed and experimentally confirmed. It is shown that the equilibrium water uptake and the equilibrium sizes of atmospheric aerosol particles at large relative humidities are significantly dependent on their chemical composition.List of symbols A proportionality factor - a _w activity of water in a solution - c _{p v} specific heat of water vapour at constant pressure - c _w specific heat of liquid water - f relative humidity - l _w specific heat of evaporation of water - M _i molar mass of solute speciesi - M _s mean molar mass of all the solute species in a solution - M _w molar mass of water - m ₀ mass of an aerosol particle in dry state - m _i mass of solute speciesi - m _s mass of solute - m _w mass of water taken up by an aerosol particle in equilibrium state - m total molality=number of mols of solute species in 1000 g of water - m _i molality of solute speciesi - m _k total molality of a pure electrolytek - O(m ²) remaining terms being of the second and of higher powers ofm - p ⁺ standard pressure - p total pressure of the gas phase - p pressure within a droplet - p ₁,p ₂,p ₃ coefficients in the expansion of M - p _1i, p_2i, p_3i specific parameters of ioni - p _s saturation vapour pressure - p _w water vapour pressure - R _w individual gas constant of water - r radius of a droplet - r ₀ equivalent volume radius of an aerosol particle in dry state - T temperature - T ₀ standard temperature - T ₁ temperature of the pure water drop in the osmometer - v _w specific volume of pure water - z _i valence of ioni - _i relativenumber concentration of ioni in a solution - correction term due to the adsorption of ions at liquid-solid interfaces - activity coefficient of solute speciesi in a solution, related to molalities - I bridge current - T temperature difference between solution and pure water drop in the osmometer - exponential mass increase coefficient - _w specific chemical potential of water vapour - _w specific chemical potential of water - ⁰ _w specific chemical potential of pure water vapour - ⁰ _w specific chemical potential of pure water - ₀ density of an aerosol particle in dry state - _w density of pure water - surface tension of a droplet - ₀ surface tension of pure water, i.e., at infinite dilution of the solute - osmotic coefficient - _k osmotic coefficient of a solution of a pure electrolytek - _k osmotic coefficient of a solution of a mixed solute - _M fugacity coefficient of water vapour - ^s _{i=1 i} z ² _i This work is part of a Ph.D. thesis carried out at the Meteorological Institute of the Johannes Gutenberg-Universität, Mainz.     

城市湖泊不同水生植被区水体温室气体溶存浓度及其影响因素

为了解城市湖泊不同水生植被区水体温室气体的溶存浓度及其影响因素,于2015年4-11月按每月2次的频率采用顶空平衡法对聊城市铃铛湖典型植被区——菹草区、莲藕区和睡莲区表层水中CO₂、CH₄和N₂O的溶存浓度进行监测,计算水中温室气体的饱和度和排放通量,并测定水温（T）、pH、溶解氧（DO）、叶绿素a及营养盐浓度等理化指标,以探究水体环境因子对温室气体溶存浓度的影响.结果表明,铃铛湖各植被区水体温室气体均处于过饱和状态,是大气温室气体的"源";莲藕区CH₄浓度、饱和度和排放通量均显著高于菹草区,而各植被区N₂O和CO₂均无显著性差异;不同植被区湖水中DO、总氮（TN）、总磷（TP）和硝态氮（NO₃^--N）浓度具有显著差异,其中DO、TN和NO₃^--N浓度均表现为菹草区最高,莲藕区最低,而TP浓度则正好相反;各植被区温室气体浓度和水环境参数间的相关分析和多元回归分析的结果表明,水生植物可通过影响水体的理化性质对温室气体的产生和排放产生显著差异影响,在菹草区亚硝态氮（NO₂^--N）、NO₃^--N、T和DO是控制水体温室气体浓度的主要因子;睡莲区为TP和pH;莲藕区则为pH、NO₂^--N和DO.     

不同上覆水氟浓度对湖泊沉积物氟释放与微生物群落的影响

通过模拟沙湖沉积物-水系统,以沙湖原水氟离子（F^-）浓度为1倍浓度（0.69 mg/L）,设置0.5倍浓度、1倍浓度、1倍浓度灭菌、2倍浓度和4倍浓度共5个实验组,探究不同上覆水F^-浓度背景下沙湖沉积物中F^-的迁移.结果表明,沉积物F^-的释放量随上覆水F^-浓度的增加而呈下降的趋势,其中2倍和4倍浓度组的沉积物由释放F^-转变为吸附F^-.碱性水体有利于沉积物F^-的释放,即随着pH增大,F^-释放量也会增加.微生物的Beta多样性层次聚类分析表明,F^-会抑制Paenisporosarcina与Thiobacillus的相对丰度,但对Fusibacter的生命活动具有促进作用.根据各浓度组间优势菌属相对丰度与环境因子的冗余分析可得,Acinetobacter、Thiobacillus相对丰度与pH呈负相关;Fusibacter相对丰度与F^-浓度呈显著正相关,而Thiobacillus的相对丰度则与F^-表现出弱负相关.通过对各浓度组中重要离子的分析发现,0.5倍组和4倍组中F^-的迁移受Ca²⁺、HCO₃^-和SO₄^2-浓度影响较大;相关性分析表明0.5倍浓度组的Ca²⁺、HCO₃^-浓度与F^-浓度呈极显著正相关,而4倍组中F^-浓度和Ca²⁺、HCO₃^-浓度呈负相关,SO₄^2-浓度和F^-浓度的相关性则是0.5倍组呈负相关,4倍组呈极显著正相关.本文在不同上覆水F^-浓度背景下全面探究了沙湖沉积物中F^-释放和迁移机理,为沙湖及其他含氟地表水的氟污染防治提供理论支持.     

Nitrogen cycling across the sediment-water interface in an eutrophic,artificially oxygenated lake

Processes controlling the nitrogen (N) exchange between water and sediment in eutrophic Lake Sempach were studied using three different independent methods: benthic flux chambers, interstitial water data and hypolimnetic mass balances. The sediments released NH ₄ ⁺ (1.1–16.1 mmoles m^–2 d^–1), NO ₂ ^- (0.1–0.4 mmoles m^–2 d^–1) and dissolved organic N (<0.25 mmoles m^–2 d^–1). A net NO ₃ ^- consumption (2.4–11.1 mmoles m^–2 d^–1) related to the NO ₃ ^- concentrations in the overlying water was observed in all benthic chamber experiments. The flux of the reactive species NO ₃ ^- and NH ₄ ⁺ was found to depend on hydrodynamic conditions in the water overlying the sediment. For this reason, benthic chambers overestimated the fluxes of inorganic N compared to the other methods. Thus, in short-term flux chamber experiments the sediment may either become a sink or a source for inorganic N depending on the O₂ concentration in the water overlying the sediment and the stirring rate. As demonstrated with a¹⁵NO ₃ ^- experiment, nitrate-ammonification accounted for less than 12% of the total NO ₃ ^- consumption. After six years of artificial oxygenation in Lake Sempach, a decrease in hypolimnetic total inorganic nitrogen (TIN) was observed in the last two years. The occurrence of dense mats of H₂S-oxidizingBeggiatoa sp. indicated micro-aerobic conditions at the sediment surface. Under these conditions, a shorter distance between the ecological niches of nitrifying and denitrifying bacteria, and therefore a faster NO ₃ ^- -transport, can possibly explain the lowering of TIN by enhanced net denitrification.     

Ion-neutral coupling in the high-latitude F-layer from incoherent scatter and Fabry-Perot interferometer measurements

Since the auroral ionosphere provides an important energy sink for the magnetosphere, ionosphere-thermosphere coupling must be investigated when considering the energy budget of the ionosphere-magnetosphere coupling. We present the first Scandinavian ground-based study of high-latitude F-region ion-neutral frictional heating where ion velocity and temperature are measured by the EISCAT incoherent scatter radar as well as neutral wind and temperature being measured simultaneously by a Fabry-Perot interferometer. A geomagnetically active period (K_p = 7^- - 5^-) and quiet period (K_p = 0⁺ - 0) were studied. Neglecting the neutral wind can result in errors of frictonal heating estimates of 60% or more in the F-layer. About 96% of the local ion temperature enhancement over the neutral temperature is accounted for by ion-neutral frictional heating.