长江口及其邻近海域CDOM光谱吸收特性分析

研究了长江口及其邻近海域有色可溶性有机物(CDOM)的光吸收特性,分析了CDOM浓度(吸收系数a(440))、光谱斜率(S_g)与盐度的关系。结果表明:长江口及其邻近海域CDOM的a(440)变化范围为0.21~0.85 m^-1,平均值为0.44 m^-1;S_g值的范围为0.013 3~0.016 7 nm^-1,平均值为0.014 nm^-1;a(440)的水平分布表现为长江口海区比外海区高,S_g的水平分布表现为长江口海区比外海区低,反映了长江口海区CDOM中的腐殖酸成分比外海区大。研究区内a(440)与盐度、S_g与盐度明显线性相关,表明CDOM在河口混合行为中呈保守行为,CDOM具有良好的保守性质。     

2009年冬季南海北部浮游植物粒度分级生物量和初级生产力

2009年2月在南海北部海域现场观测粒度分级叶绿素a质量浓度和初级生产力(PP)的分布。结果表明,调查海域水柱平均叶绿素a质量浓度的变化范围为0.11～8.37 mg/m³,平均为(1.28±2.23) mg/m³,高值区出现在珠江口及近岸海域;初级生产力的范围为344.8～1 222.5 mgC/(m²·d),平均为(784.2±351.4) mgC/(m²·d),高值区位于近岸及陆架海域。浮游植物粒度分级测定结果表明,在生物量较高的近岸海域,叶绿素a的粒级结构以小型浮游植物占优势,其贡献率为40.9%,微型和微微型浮游植物对总叶绿素a的贡献率分别为34.6%和24.5%;而在生物量较低的陆坡和开阔海域,各粒级浮游植物对叶绿素a的贡献率由大到小依次为微微型浮游植物(78.9%),微型浮游植物(17.2%)和小型浮游植物(3.9%)。相关性分析结果表明,调查海域分级叶绿素a的区域化分布特征与洋流运动下营养盐的分布密切相关,同时叶绿素a又高度影响着此区域PP的分布。此外,我们将调查海域实测所得浮游植物最佳光合作用速率与采用垂向归一化初级生产力模型估算的数据进行对比,发现后者明显低于前者,这说明通过水温估算最佳光合作用速率的算法在冬季南海北部可能存在低估。     

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FY-3A的湛江湾及其邻近海域叶绿素a遥感监测研究

叶绿素a质量浓度是水体水环境一个重要指标。本文结合实测的叶绿素a质量浓度、水体的光谱数据和FY-3A中等分辨率成像光谱仪的数据,研究利用FY-3A遥感监测湛江湾及其邻近海域叶绿素a质量浓度的可行性。研究结果表明,湛江湾海域大部水体接近一类水体,二类水体主要集中在湛江港附近的狭小封闭海域;OC4算法可以用于湛江湾海域的叶绿素a质量浓度的遥感监测,实测叶绿素a质量浓度与反演的叶绿素a质量浓度具有较好的相关性,相关系数R达到0.7以上;FY-3A中等分辨率成像光谱仪的数据可以较好地反映湛江湾海域叶绿素a质量浓度的空间分布。     

基于OC-CCI数据的南海高叶绿素a浓度水域面积的时空变化研究*

浮游植物是海洋生态系统食物链的基础组成, 并通过光合作用影响着海表二氧化碳通量变化。文章基于高叶绿素a浓度水域面积指标构建南海浮游植物生物量的估算体系。利用遥感数据, 采用经验正交函数分解插值方法, 重构长时间序列的南海叶绿素a浓度场, 并研究了南海高叶绿素a浓度水域面积特征的时空分布。结果发现: 高叶绿素a浓度水域面积变化有着显著季节特征, 在冬季面积达到最大值, 在夏季达到最小值, 但是该水域对应的叶绿素a浓度却在冬季达到最小值, 在夏季达到最大值, 这一特征可能是由于风驱动的海表动力过程使得海表叶绿素重新分布; 空间分布上, 高叶绿素a浓度水域常年存在于海岸附近, 特别是在中国沿海、越南沿岸、泰国湾以及婆罗洲岛附近。在巽他陆架与湄公河口东部中央海盆, 高叶绿素a浓度区域面积呈年际变化。受厄尔尼诺调控的南海季风, 导致不同年份湄公河口东南沿海存在不同程度的北部冷水侵入, 北部冷水入侵可能是引起局地浮游植物生物量增减的原因。     

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。     

冬季大鹏澳海域微表层浮游植物色素特征的日变化研究

于2013年12月3日清晨、正午、傍晚采集了大亚湾大鹏澳海域3个站位的微表层和次表层水样,经过三级分级过滤(小型:20μm;微型:2.7~20μm;微微型:2.7μm)后,对其进行高效液相色谱(HPLC)色素分析,通过藻类色素化学分类法(CHEMTAX)分析不同浮游植物对Chl a的贡献,研究了微表层及次表层光合色素粒径特征及浮游植物群落结构差异。结果表明,冬季大亚湾海域水体中存在的浮游植物光合色素主要有17种,以岩藻黄素和Chl a含量较高。微表层总Chl a平均浓度为0.797μg/L,略高于次表层的0.714μg/L,不存在显著性差异(P0.05);微表层和次表层Chl a含量清晨最高,傍晚次之,正午最低。微表层不同粒径浮游植物对Chl a的贡献率从大到小依次为小型、微型、微微型浮游植物,分别为80.7%,10.1%和9.2%。CHEMTAX分析结果得出,冬季该海域硅藻占绝对优势,甲藻、定鞭藻、青绿藻、蓝藻、隐藻所占比重相差不大。微表层中定鞭藻、青绿藻和蓝藻等较小粒径浮游植物种群所占比重高于次表层,说明相对于次表层,微表层中的浮游植物群落有小型化趋势。     

基于浮标观测的东海赤潮高发区秋、冬季漫射衰减系数的反演

浮标测量的光学数据时间序列长、分辨率高, 能可靠地测量快速变化的漫射衰减系数(K_d)。东海赤潮高发区水体中的浮游植物生物量及悬浮泥沙含量存在较大的变化, 光学性质复杂。文章利用2013年9月至2014年1月的海洋光学浮标数据, 获得了该海域水体的表观光学特性, 基于K_d(490)与遥感反射比[R_rs(λ)]的相关关系建立了K_d(490)的经验算法, 并与已有7种反演算法进行了比较。结果表明, 该海域的K_d(λ)及R_rs(λ)具有显著的Ⅱ类水体光谱特征, 其中, K_d(490)的范围为0.01~4.31m^-1, 水体的浑浊程度变化大。K_d(490)与R_rs比值的相关性较好, 据此建立了以R_rs(650)/R_rs(510)、R_rs(555)/R_rs(510)作为自变量的K_d(490)双比值经验算法。将新建算法反演获得的K_d(490)与实测K_d(490)相比, 均方根误差、平均相对误差百分比和线性回归的决定系数分别为0.27m^-1、27.08%和0.77, 优于其他7种算法。算法精度的提高源于新建算法选择的R_rs能充分反映水体信息, 并适应水体组分的变化, 可为东海赤潮高发区K_d(490)的反演提供较好的选择, 并为海洋光学浮标在水体环境监测中的应用提供示例。     

夏季珠江口海域海水CO2分压的卫星遥感反演

基于控制因子分析的方法,本研究建立了夏季珠江口海域海水CO₂分压(pCO₂)的遥感反演模型。基于珠江水与黑潮水的两端元混合,建立了水平混合和热力学作用的量化模型,并生成了查找表。同时,建立了基于黄色物质(含碎屑)吸收系数的盐度遥感算法,实现珠江口海域表层盐度的遥感反演。利用走航pCO₂和匹配的遥感叶绿素质量浓度产品,建立了生物作用的量化模型。通过集成水平混合和生物作用,最终实现夏季珠江口海域pCO₂的遥感反演。与走航pCO₂比较表明,仅考虑水平混合和热力学作用的遥感结果会显著高估,考虑生物作用后,遥感结果无论在量值和空间变化趋势上均与实测结果相符。此外,遥感反演结果表明,夏季珠江口近岸水域为CO₂的汇区,而离岸的陆架水域则为CO₂的弱源。     

2015年春季南海北部陆架海域网采浮游植物群落结构及其与环境因子关系

根据2015年春季南海北部陆架海域的调查数据,分析了网采浮游植物群落结构特征及其与环境因子的关系。结果显示:共鉴定出浮游植物4门378种(含变种与变型),其中硅藻门209种,甲藻门157种,蓝藻门9种,着色鞭毛藻门3种。该海区的主要优势种有翼鼻状藻Proboscia alata、翼鼻状藻纤细变型Proboscia alata f. gracillima、佛氏海毛藻Thalassiothrix frauenfeldii、尖刺拟菱形藻Pseudo-nitzschia pungens、短角弯角藻Eucompia zoodiacus和洛氏角毛藻Chaetoceros lorenzianus等,各断面优势种差异较大,仅佛氏海毛藻在4个断面成为优势种。浮游植物丰度范围为(0.63~1 430.04)×10⁴个/m³,平均为76.20×10⁴个/m³,丰度较高的站点主要集中在湛江断面D近岸站位和汕头断面H。春季南海北部浮游植物Shannon-Wiener多样性指数为1.06~5.56,均值为3.99。冗余分析显示,影响南海北部陆架海域浮游植物群落结构的主要环境因子为水温、盐度和活性磷酸盐。南海北部陆架海域浮游植物基本呈现近岸高离岸低的分布特点,水温和盐度是影响其分布的主要环境因子。     

空间变异对海洋叶绿素a质量浓度遥感产品精度验证的影响

海洋叶绿素a质量浓度遥感产品是海洋初级生产力与海洋生态系统固碳能力研究的重要数据源,为了保证数据的可靠性,对遥感产品进行精度验证以及验证误差的成因分析尤为重要.遥感产品的验证过程中,由于空间变异的存在,使得遥感像元尺度内的实测数据具有不同的离散程度和统计分布特征,并由此产生了不同的误差统计结果.本文选择MODIS-Aq...     

基于航次观测和再分析资料的南海海表二氧化碳分压反演及变化机制分析*

海表二氧化碳分压(pCO₂)是指海洋表层水和大气之间的二氧化碳(CO₂)交换处于动态平衡时CO₂的含量, 是描述海-气CO₂交换的一个主要因子。本文利用2008—2014年覆盖南海大部分海域的海表pCO₂观测资料, 结合现场海表温度和海表盐度以及卫星观测的叶绿素a数据, 构建了基于多元线性回归方法的分区域反演模型。模型在水深浅于30m的区域均方根误差为5.3μatm, 其余海区均方根误差为10.8μatm, 与前人基于个别航次的有限区域反演结果的均方根误差相当。利用该模型公式和HYbrid Coordinate Ocean Model(HYCOM)再分析海表温、盐数据及MODIS-Aqua卫星观测的叶绿素a数据进行反演, 得到了时空分辨率为5'×5'的2004—2016年的逐月南海海表pCO₂数据。该数据能较好地反映南海海表pCO₂在海表温度影响下, 春夏高、秋冬低的季节变化特征, 与前人基于航次观测的研究结果相似, 表明反演模型具有较高的可信度。进一步分析发现, 南海及邻近海域平均海表pCO₂具有显著的准十年振荡特征: 2012年附近出现了极小值, 之前表现为降低的趋势, 之后略有升高的趋势。受海表pCO₂的影响, 南海海盆平均海-气CO₂通量在2012年之前出现了显著降低的趋势, 表明南海释放到大气中的CO₂减少, 并在2007年之后的冬季出现了负值(从碳源变为碳汇), 2012年之后变化较为平缓。热带太平洋年代际振荡引起的南海区域海表盐度变化是造成海表pCO₂及海-气CO₂通量准十年变化的主要原因。分区分析的结果表明, 南海北部海表pCO₂变化最为显著, 在南海海表pCO₂的季节和准十年变化中都起到非常重要的作用。     

基于半分析方法的黄河口悬浮物浓度遥感反演

河口区的悬浮物浓度受陆源输入和水动力等其他因素的影响严重,具有重要研究意义。本文利用黄河口及其邻近区域采集的145个站位光谱数据和悬浮物(Suspended Particulate Matter,SPM)浓度数据,检验了Nechad模型、多波段准分析算法(Quasi-Analytical Algorithm,QAA)、最优化模型和半经验辐射传输模型(Semi-Empirical Radiative Transfer,SERT)在黄河口水域的适用性。结果表明,QAA561模型和Nechad561模型在低浓度水域反演结果较好,QAA655模型反演结果较差,Nechad665模型适合于低浓度水域,但反演精度低。QAA865模型和Nechad865模型在中高浓度水域的反演结果较好。SERT655模型反演精度较低。最优化模型和SERT滑动模型的反演精度较高。由于黄河口水域悬浮物浓度变化范围较大,因此,本文建立了分段QAA模型和Nechad模型。分段模型的反演结果均优于单一模型。根据误差敏感性分析可知,Nechad分段模型和QAA分段模型对于遥感反射率的50%以内的误差不敏感,稳定可靠。将分段模型应用于Landsat-8 OLI数据,获取了悬浮物浓度时空分布图。结果表明,反演结果与已有研究具有相似的分布特征。两种模型得到的悬浮物浓度在数值上存在差异,然而分布趋势在中高浓度季节有非常好的一致性。     

基于两种半分析算法的水体吸收系数反演

本文基于42组不同年份不同季节获得的遥感反射率、水体各组分吸收系数的实测数据,对QAA（Quasi-Analytical Algorithm）和GSM（Garver-Siegel-Maritorena）算法在寡营养的南海和富营养的福建沿岸两种不同类型水体的吸收系数反演进行了检验。以水样测量值为参考,两种算法在本研究水体中的反演成效与他人在其它水域的研究结果相当。QAA算法在南海的反演成效高于福建沿岸水体。对于443 nm的总吸收系数（a443 ）,南海的对数均方根误差（RMSE ）为0.046,平均相对误差为7.9%,对数平均偏差为0;福建沿岸水体的对数均方根误差（RMSE ）为0.194,平均相对误差为30.6%,对数平均偏差为-0.167 。GSM算法在两类水体的反演成效类似,A443 之RMSE和平均相对误差,南海分别为0.161和27.7%,福建沿岸分别为0.149和32.1%,但从A443的对数平均偏差值看,其在南海反演值低于实测值（对数平均偏差为-0.142 ）,在福建沿岸则略呈高于实测值（对数平均偏差为0.016）。两种算法中的部分经验参数与实测值之间的差异是产生反演误差的主要原因,为了提高反演精度,对算法中经验参数的更进一步区域化调整可能是必要的。     

An evaluation of inversion models for retrieval of inherent optical properties from ocean color in coastal and open sea waters around Korea

This study was aimed to investigate three inversion models (currently in use with Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer and Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor data processing), namely constrained Linear Matrix (LM), Quasi-analytical algorithm (QAA) and GSM semi-analytical models (GSM). These models were applied to large bio-optical data sets (collected from coastal and open sea waters around Korea) to retrieve inherent optical properties (IOPs) such as absorption coefficients of phytoplankton (a _ph ), colored dissolved and detrital organic matters (a _cdm ), and particulate backscattering coefficient (b _bp ) at five wavelengths (412, 443, 490, 510, and 555 nm). The derived IOP products were compared with in situ a _ph , a _cdm and b _bp coefficients measured for the same remote sensing reflectance (R _rs (λ)) data sets used in the models and the uncertainties of the three models were assessed based on the standard statistical procedures (mean relative error MRE, root mean square error RMSE, slope, and coefficient of determination R ²). It was found that all the three models tended to yield significant errors with varying magnitude at different wavelengths. Overall performance of the models assessed based on the above statistical means was found in the following order: LM > GSM > QAA for retrieving the a _ph , LM > GSM > QAA for retrieving the a _cdm , and QAA > GSM > LM for retrieving the b _bp . Our analyses suggest that these models will require additional refinements with a full parameterization by a fully suited data set in order to produce accurate retrievals of IOPs in coastal and open sea waters around Korea.     

利用经验正交函数数据插值法重构东中国海叶绿素a质量浓度场

利用经验正交函数数据插值法(Data INterpolating Empirical Orthogonal Functions)重构由MODIS-Aqua卫星提供的三级产品叶绿素a质量浓度,得到了从2003—2009年东中国海叶绿素a质量浓度的月平均场。东中国海近岸叶绿素a质量浓度7 a平均值明显高于外海。对叶绿素a质量浓度季节平均场进行分析研究表明,东中国海叶绿素a质量浓度主要受长江径流、海表水温和季风的影响。对叶绿素a质量浓度异常场进行EOF分析表明,第一模态方差贡献为37.8％,空间分布显示,在长江口东北部出现叶绿素a质量浓度异常高值区,时间变化以半年和半年以下周期为主;第二模态方差贡献为21.4％,空间分布显示,在长江口东部出现叶绿素a质量浓度异常高值区,时间系数主要表现为年际变化。