湖泊光学-研究生课程

湖泊光学及其应用张运林中国科学院南京地理与湖泊研究所2014年10月16日课程提纲研究背景和意义湖泊光学基本概念水体固有和表观光学特性沉积物再悬浮的光学效应光与初级生产力相互关系湖泊光学遥感应用一、研究背景和意义太阳辐射是驱动湖泊生态系统的源动力水草三级消费者次级消费者浮游动物浮游植物初级消费者生产者Karlssonetal.,2009,NatureMixedStratifiedO2O2O2O2PhosphateAmmoniumPhosphateAmmonium太阳辐射引起的温、风差异形成湖泊热力循环南极上空10月份臭氧层空洞面积变化1979198419891994199920062008臭氧层空洞引起UV-B辐射增强对生态系统产生重要影响2011年春、秋季北极上空臭氧层空洞UV-B辐射后的浮游动物Manneyetal,Nature,2011;Balskusetal.,Science,2010富营养化引起浊度增加、水下光场结构变化，造成浅水湖泊沉水植物大面积消退沉水植被消退沉水植物分布随营养盐和浊度变化（Scheffer,Nature,2001）藻华一般水体反射光谱藻华一般水体吸收光谱湖泊光学特性是湖泊水色遥感的理论基础

水色MODIS影像Dierssen,2010,PNAS频繁水污染事件和蓝藻水华大范围长时间暴发迫切需要开展水质遥感监测褐红色绿色Dierssen,2010,PNAS全球气候变暖背景下迫切需要开展内陆水体碳循环及碳估算研究二、湖泊光学基本概念1、基本概念2023/7/14后向散射Iz再悬浮颗粒物向上辐射散射光纯水CDOM浮游植物非色素颗粒物固有光学特性：吸收、散射、后向散射系数等表观光学特性：透明度、反射率、漫射衰减系数、真光层深度kdR、Rs湖泊光学概念及理论框架风浪波动14湖泊光学中的参数：光学概念：立体角、辐射通量、辐射照度、辐亮度等固有光学特性：吸收系数、散射系数、光束衰减系数等表观光学特性：透明度、辐照度、辐亮度、漫射衰减系数、辐照度比、遥感反射率等15立体角(SolidAngle)

：一个半径为r的球面，从球心向球面作任意形状的锥面，锥面与球面相交的面积为A,则A/r2就是此锥体的立体角（一般用符号表示，单位为球面度sr。

光学基本概念－立体角:16辐射通量(Flux)

在单位时间内通过某一面积的辐射能，称为通过该面积的辐射通量。符号,单位为W。如果是某个波长的辐射通量，则记为()。辐照度（Irradiance）单位面积接收到的辐射通量，称为该处的辐照度。符号为E，单位为W/m2、mol/m2s，如果是单位光谱波长上的，单位为W/m2

m、mol/m2sm

。

E()----波长为的光谱辐照度;()----光谱辐射通量W/m；

A----面积，单位m2光学基本概念－辐射通量和辐照度:17辐亮度（radiance）单位投影面积、单位立体角上的辐射通量。辐亮度的符号为L，单位为W/m2/sr)，如果是单位光谱波长上的，单位为W/m2msr。光学基本概念－辐亮度:18

指只与水体组份有关而不随光照条件变化而变化的光学特性，表征水体固有光学特性的参数有纯水，chromophoricdissolvedorganicmatter（CDOM）、浮游植物和非藻类颗粒物光束衰减系数、吸收系数、散射系数、它们的比吸收系数以及体散射函数等。根据LambertBeer定律，水体的总光束衰减系数、吸收系数、散射系数可表示为各种光学成份光束衰减系数、吸收系数、散射系数的线性加和，而吸收系数、散射系数之和即为光束衰减系数。

光学基本概念－固有光学特性:19吸收系数测定：CDOM吸收系数测定：

颗粒物吸收系数采用定量滤膜技术测定：20

甲醇浸泡

次氯酸钠漂白21

是指不但与水体组份有关，而且会随光照条件变化而变化的光学特性，表征表观光学特性的参数有向下辐照度、向上辐照度、向下辐亮度、向上辐亮度、辐照度比、离水辐射率、遥感反射率等以及这些参数的漫射衰减系数。

光学基本概念－表观光学特性:22

表观光学特性是入射太阳光与水体固有光学特性相互作用的结果和产物。对于特定的太阳辐射场，即特定的太阳高度角、漫射太阳光的角分布，表观光学特性可以由固有光学特性计算得到。

光学基本概念－固有、表观光学特性关系:23

包括水体成份的固有光学特性、表观光学特性的定量描述，表观光学特性与固有光学特性之间的关系以及表观光学特性、固有光学特性与各组成物质浓度的关系。

水体光学分类：

Jerlov等（1976）将大洋水体分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，将沿岸带水体分为1-9类。但现在用得最多的是Gordon&Morel（1983）的关于一类和二类水体的分法。一般将光学性质主要由纯水，浮游植物以及它们降解后形成的碎屑和CDOM决定的水体称之为一类水体，其中最典型的一类水体是大洋开阔水体。二类水体是指光学特性主要由悬浮的沉积物、流域河流携带的颗粒物和CDOM决定的水体。在二类水体里，浮游植物和它们的降解产物对水体光学特性的影响有时可能并不是主要的，典型的二类水体是近岸、河口区域、内陆河流、浅水湖泊等水体，太湖属于典型二类水体。光学基本概念－生物光学特性:2、研究方法25研究方法：方法一：

面上调查探讨水光学时空异质性26方法二： 水动力及水华过程观测方法三： 生物光学参数高频自动监测WetlabsCDOM探头水环境自动监测站点分类EMB01EMB02EMB03EMB08EMB10EMB11EMB0428方法三： 室内模拟控制实验三、水体固有和表观光学特性1、CDOM时空分布CDOM光谱吸收(Zhangetal.,PPS,2011,

469-482)2月5月8月11月2005-2009年长期定位观测获得太湖CDOM时空分布梅梁湾与大太湖水域CDOM吸收及其它参数对比大太湖梅梁湾(Zhangetal.,Hydrobiologia,2007,

581:43–52)

太湖CDOM吸收系数、光谱斜率、光谱斜率比值及分子量表征参数CDOM吸收光谱斜率光谱斜率比值M值(Zhangetal.,OG,2011,510-519)CDOM吸收与光谱斜率、光谱斜率比值及表征分子量大小参数M值关系(Zhangetal.,OG,2011,510-519)CDOM吸收与COD浓度回归分析CDOM吸收与DOC浓度线性回归关系(Zhangetal.,Hydrobiologia,2007,

581:43–52)不同营养类型湖泊CDOM三维荧光图谱CDOM吸收随营养状态及高度变化贫营养中营养富营养(Zhangetal.,L&O,2010,

55:2645–2659)平行因子分析法获得的4种组分三维荧光图谱及对半检验(Zhangetal.,L&O,2010,

55:2645–2659)不同组分荧光强度及比例随营养状态、海拔高度变化(Zhangetal.,L&O,2010,

55:2645–2659)外源性荧光组分随CDOM吸收系数变化(Zhangetal.,L&O,2010,

55:2645–2659)412、CDOM来源解析42SedimentreleaseRainwater湖泊水体CDOM来源：内源（白色）和外源（黑色）CDOM吸收、DOC浓度河流剖面变化采样期间水位变化(Zhangetal.,OG,2011,510-519)2005-2007年夏季8次采样CDOM吸收、荧光与叶绿素a浓度关系(Zhangetal.,WR,2009,

43:4685–4697)（a）浮游植物色素浓度；（b）：440、675nm浮游植物特征波长吸收，355nmCDOM吸收系数（a）（b）(Zhangetal.,WR,2009,

43:4685–4697)平行因子分析法得到的组分1、2三维荧光图谱及分半校验(Zhangetal.,WR,2009,

43:4685–4697)降解过程中各组分荧光强度（a）及各自百分比变化（b）(Zhangetal.,WR,2009,

43:4685–4697)3、CDOM消除途径模拟UV-B辐射降解实验CDOM接受UV-B辐射降解实验模拟UV-B辐射与自然太阳光强度对比模拟UV-B辐射下CDOM吸收和荧光变化(Zhangetal.,Hydrobiologia,2009,

627:159–168)光谱吸收系数损失及表层1cm吸收辐照度变化夏季天然太阳辐射照射下CDOM吸收和荧光变化(Zhangetal.,Hydrobiologia,2009,

627:159–168)夏季天然太阳辐射照射下CDOM吸收和荧光变化(Zhangetal.,Hydrobiologia,2009,

627:159–168)4、固有光学特性（颗粒物、浮游植物吸收、散射）

夏、冬季颗粒物吸收的光谱分布颗粒物吸收的3种光谱类型

固有光学特性－总颗粒物吸收:(Zhangetal.,Hydrobiologia,2007,

592:105–120)典型站点非藻类光谱吸收系数实测值与模拟值对比

非藻类颗粒物吸收光谱

固有光学特性－非色素颗粒物吸收:(Zhangetal.,Hydrobiologia,2007,

592:105–120)(Zhangetal.,JPR,2010,

32:1023–1037)固有光学特性－浮游植物吸收:

不同季节浮游植物吸收系数及比吸收系数不同藻类光谱吸收系数差异固有光学特性－浮游植物吸收:

特征藻种浮游植物吸收系数和比吸收系数浮游植物吸收、比吸收变化：种群组成影响（野外）

春、夏季浮游植物种群差异春、夏季浮游植物色素浓度对比(Zhangetal.,OE,2012,11882-11898)浮游植物吸收、比吸收变化种群组成影响（野外结果）

春、夏季浮游植物浮游植物吸收系数对比

春、夏季浮游植物平均吸收、比吸收系数对比(Zhangetal.,OE,2012,11882-11898)浮游植物吸收、比吸收变化种群组成影响（实验结果）微囊藻、栅列藻细胞大小对比微囊藻、栅列藻细胞数目及色素浓度对比平均直径7.56um平均直径3.27um(Zhangetal.,OE,2012,11882-11898)浮游植物吸收、比吸收变化实验结果微囊藻、栅列藻吸收、比吸收系数对比微囊藻、栅列藻平均比吸收系数对比(Zhangetal.,OE,2012,11882-11898)固有光学特性－颗粒物吸收:

夏季浮游植物吸收系数aph(440)、aph(675)叶绿素a的关系

夏、冬季各组份吸收对总吸收的贡献份额

固有光学特性－各组份吸收对总吸收贡献:(Zhangetal.,Hydrobiologia,2007,

592:105–120)64太湖散射系数和后向散射系数光谱分布（孙德用等，2008）

固有光学特性－颗粒物散射和后向散射:65太湖散射系数和后向散射系数光谱分布（孙德用等，2008）

固有光学特性－颗粒物散射和后向散射:66太湖散射系数与无机悬浮物浓度之间关系（孙德用等，2007）

固有光学特性－颗粒物散射和后向散射:5、表观光学特性（透明度、漫射衰减、真光层深度、遥感反射率）68表观光学特性－透明度:2月5月8月11月表观光学特性－漫射衰减系数:不同波长辐照度随深度剖面变化(Zhangetal.,PPS,2011,

469-482)

各站点衰减系数的光谱分布

东太湖梅梁湾梅梁湾梅梁湾表观光学特性－漫射衰减系数:71表观光学特性－漫射衰减系数:2月5月8月11月表观光学特性－漫射衰减系数:云贵高原、长江中下游湖泊UVR、PAR衰减与CDOM吸收、非色素颗粒物浓度线性回归云贵高原湖泊长江中下游湖泊(Zhangetal.,PPS,2011,

469-482)表观光学特性－漫射衰减系数:云贵高原、长江中下游湖泊UVR、PAR衰减与散射关系云贵高原湖泊长江中下游湖泊(Zhangetal.,PPS,2011,

469-482)PAR漫射衰减系数预测模型预测模型模型校验

基于大样本数据获得利用光束衰减计算PAR漫射衰减系数的预测模型，模型平均相对误差12%。Zhangetal.,2012,Hydrobiologia,20-37

PAR衰减系数与悬浮物浓度、透明度的相关图太湖PAR真光层深度的计算公式：

表观光学特性－真光层深度:(Zhangetal.,SC:SDES,2006,

49:431–442)76表观光学特性－真光层深度:2月5月8月11月表观光学特性－真光层深度:真光层深度空间分布沉水植被空间分布(Zhangetal.,FAL,2007,

170:11–19)

不同季节太湖遥感反射率表观光学特性－遥感反射率:(Zhangetal.,JPR,2010,

32:1023–1037)四、沉积物再悬浮的光学效应80野外定点水动力过程观测：2003年7月13-19，7月27-31日2007年8月28-31日2010年7月24-8月1日81

模拟生态槽示意图(→水流○潜水泵●流速仪×采样点)

不同风浪巡测：2006年1月7-9日、7月29-8月1日、10月12-15日，2007年1月7-9日、4月23-25日不同水流过程室内模拟：1999年5月8-6月24日1、藻型生态系统83梅梁湾藻型湖区风速、波高、剪切力高频变化(Liuetal.,JGR,118,713–727)84光学参数随风浪过程变化(Liuetal.,JGR,118,713–727)85藻型湖区不同风浪过程下衰减系数变化中风浪PAR衰减为3.72m-1大风浪PAR衰减为4.37m-1小风浪PAR衰减为2.63m-186

小、中、大风浪下，400~700nm波段光谱衰减系数分别为0.98~2.97、1.34~3.95、1.82~5.40m-1，对应的PAR总量衰减系数分别为1.74、2.02、2.45m-1。龙感湖不同风浪过程下衰减系数变化87不同水流状态下衰减系数的光谱分布绿光绿光绿光蓝光蓝光蓝光红光红光红光不同风浪条件下总颗粒ap(λ)、非色素颗粒ad(λ)、浮游植物aph(λ)、有色可溶性有机物aCDOM(λ)吸收系数变化大风浪中风浪大风浪中风浪大风浪中风浪大风浪中风浪(Zhangetal.,SC:SDES,,2006,114-125)大风浪不同风浪条件下aw(λ)、ad(λ)、aph(λ)、aCDOM(λ)对a(λ)的贡献率中风浪藻型湖区定点观测PAR衰减随风速变化(Zhangetal.,SC:SDES,,2006,114-125)902、草型生态系统91胥口湾草型风速、波高、剪切力高频变化(Liuetal.,JGR,118,713–727)草型湖区定点观测PAR衰减随风速变化胥口湾草型湖区PAR衰减与风速线性回归分析胥口湾草型湖区风速与PAR漫射衰减之间线性关系并不明显，证明风浪对草型湖区沉积物再悬浮及水下光场影响很小草型湖区定点观测PAR衰减随风速变化五、光与初级生产力相互关系951、初级生产力观测结果96

典型站位、时间初级生产力的垂直分布(A:2#点春、夏、秋、冬4季；B:5月20日2#、3#、5#、6#4站点)

春、夏、秋最大初级生产力一般均出现在0.2m深度处,冬季则垂直差异不明显.同一站点春、夏初级生产力高，秋、冬季低。97

光强与初级生产力的垂直分布

98

3种不同水流状态下初级生产力的垂直分布992、初级生产力模型模拟结果

VGPM模型计算真光层水柱积分初级生产力的公式：

水柱的最大碳固定速率PoptB计算式：PAR强度由总辐射数据根据下式得到：

梅梁湾各站点年平均初级生产力的多年变化(Zhangetal.,JPR,2007,

29:707–719)

各站点多年月平均日初级生产力的逐月变化

(Zhangetal.,JPR,2007,

29:707–719)

VGPM模型和经验模式得到逐月日平均初级生产力对比(Zhangetal.,JPR,2007,

29:707–719)

年初级生产力的逐年变化及年内变化

1995-2003年梅梁湾多年平均年初级生产力为5.85×104tC。(Zhangetal.,JPR,2007,

29:707–719)1053、初级生产力影响因素影响初级生产力的主要因素分析沉积悬浮物对初级生产力的影响风浪扰动造成大量悬浮物底泥发生再悬浮，营养盐释放，增加了水体的初级生产力悬浮物浓度的增加引起水体透明度的下降，水体真光层深度的下降，从而制约了水体的初级生产力类别Category

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ悬浮物浓度范围Rangeofsuspendedsolidconcentration(mg/L)<5050-6970-99>100样本数Numberofsample

7

7

8

7当悬浮物浓度分别增加66.1%、137.1%及312.2%时，标准化后的初级生产力分别降低了28.8%、41.3%及52.0%。初级生产力及标准化后初级生产力与悬浮物浓度关系温度对初级生产力的影响温度过高或过低对初级生产力都有着一定的制约六、湖泊光学遥感应用1、叶绿素a与浮游植物吸收遥感估算及应用叶绿素a浓度与反射峰位置的关系及反射峰位置法估算值与实测值对比一阶微分法决定系数变化及估算值与实测值对比叶绿素a浓度反演三波段模型及估算值与实测值对比(Zhangetal.,IEEETGRS,2009,1937–1948)浮游植物吸收反演三波段模型及估算值与实测值对比模拟MERIS数据反演浮游植物吸收系数三波段和二波段模型(Zhangetal.,JPR,2010,1023–1037)优化后三波段模型、MERIS数据三波段、二波段模型独立样品检验实测值与估算值对比模型平均相对误差随浮游植物吸收系数的变化(Zhangetal.,JPR,2010,1023–1037)基于MODIS影像反演的太湖叶绿素a浓度

117建立色素组成比例表征浮游植物群落遥感反演模型模型构建模型检验影像提取精度检验(Shietal.,WR,