（海洋生物学专业论文）南海西部水体光吸收特征及其对水色遥感的启示.pdf

内容摘要 受沿岸上升流、气旋式冷涡及其夹带的冲淡水的影响，夏季( 2 0 0 7 年) 南 海西部水体吸收特征与冬季( 2 0 0 6 年) 迥异。冬季水体吸收分布较稳定：浮游 植物吸收a p h ( 4 4 3 ) 表层值在o 0 1 0 0 2m 1 间；次表层最大 o 0 4m - 1 ，深度在5 0 7 5 m 间；c d o m 吸收a g ( 4 4 3 ) 表层值均小于0 0 0 5m - 1 ，在底层或浮游植物吸收最大 层出现最高值，可超过0 0 3m - 1 。夏季水体吸收分布则要复杂许多。观测期间发 现三处高盐低温中心( 1 1 0 e 1 3 5 n 、1 1 1 e 1 2 5 n 、1 1 2 e 1 4 5 n ) ，由气旋式冷涡 或沿岸上升流所致；1 3 n 以南表层大面积覆盖低盐水，可能是冷涡( 1 1 2 e 1 4 5 n ) 夹带的湄公河冲淡水。在三处冷水中心，浮游植物吸收a p h ( 4 4 3 ) 相对周边站位次 表层最大上抬( - - 2 5mv s 7 0m ) ，值升高( 最高达0 1 5 7m - 1 ) ，但表层没有显著 差别；相比其他站位，冲淡水所及表层a p h ( 4 4 3 ) 提高，都在0 0 1m - 1 之上。与冬 季相似，夏季6 7 5 、4 4 3n l i l 浮游植物吸收与叶绿素a 呈幂函数关系；但夏季浮 游植物比叶绿素a 吸收系数a ( 口h ) 相比冬季略低，可能因为冲淡水、深层涌 升水诱发了相对大粒级浮游植物的生长，增大色素打包效应。而就c d o m 吸收 而言，相比1 3 n 以北，1 3 n 以南a g ( 4 4 3 ) 表层值均在0 0 1m - 1 以上，a g ( 4 4 3 ) 表层 分布与盐度呈显著反相关，冲淡水的影响极其显著。冷涡、沿岸上升流对c d o m 的影响则要复杂许多。在低温中心，a g ( 4 4 3 ) 表层值并未升高，可能因为深层冷 水上抬强度不够，未及表层；虽然对于多数站位，a g ( 4 4 3 ) 次表层最大与a p h ( 4 4 3 ) 的对应，显示浮游植物是c d o m 的来源，但在低温中心并未出现高值，可能 c d o m 更多来源于浮游植物的降解，二者之间存在时滞性。但总体上夏季南海 西部海域c d o m 吸收要远高于冬季，除了冲淡水的直接输入，冷涡、沿岸上升 流以间接的方式通过诱发浮游植物生长提高了整个水柱的c d o m 含量。与水团 性质相符，c d o m 吸收光谱斜率s ( 3 0 0 5 0 0n m ) 冬季集中在0 0 2 0 0 4a m - 1 之 间，属典型离岸水体特征；夏季则有近5 0 低于0 0 2a m 1 ，显示有陆源的输入； s 在两个季节均与a g ( 4 4 3 ) _ 呈反相关分布。 尽管非色素吸收( c d o m 与非色素颗粒吸收之和) 并不高，南海西部表层 浮游植物吸收与非色素吸收之间不共变。在夏季实测遥感反射率风基础上，用 全球经验c h la 算法反演南海西部表层c h la ，与实测相比，低值区被大大高估( c h l a 0 0 1m f o rs t a t i o n ss o u t ht o13 nl a t i t u d e ，c o n v e r s e l yr e l a t e dt o s a l i n i t y t h o u g ht h ev e r t i c a ls t r u c t u r eo fa g ( 4 4 3 ) w a ss i m i l a rt oa p h ( 4 4 3 ) f o rm o s to f t h es t a t i o n s ，n e i t h e rt h es u r f a c en o rt h es u b s u r f a c em a x i m u mv a l u eh a ds i g n i f i c a n t c h a n g ea tt h et h r e ec o l dw a t e rc e n t e r i ti sc o n s i s t e n tw i t ht h eo t h e rs t u d yt h a tc d o m h a dat i m e l a gw i t hp h y t o p l a n k t o na b s o r p t i o n h o w e v e r , c d o ma b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t si nt h es u m m e rw e r eg e n e r a l l yh i g h e rt h a nt h o s ei nt h ew i n t e r i tm a yb e p r i m a r i l yo w n e dt ot h ei n p u tb yr i v e rp l u m e ，a n dt h ed e g r a d a t i o no fp h y t o p l a n k t o n w h i c hw e r ei n d u c e db yt h ec o a s t a lu p w e l l i n ga n dt h ec y c l o n i ce d d i e si nt h es u m m e r c o m p a r e dt ot h ev a l u em a i n l yv a r i e df r o m0 0 2 - 0 0 4n m 1i nt h ew i n t e r , 5 0 o ft h e c d o ma b s o r p t i o ns p e c t r a ls l o p e ，s ( d e t e r m i n e db e t w e e n3 0 0 5 0 0n m ) i nt h e s u m m e rw a s 0 0 2n m 。1 ，c o i n c i d e n tt ot h et e r r e s t r i a li n p u tb yr i v e r p l u m e t h o u g hs u r f a c ea d g ( a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fc d o ma n dt h ed e - p i g m e n t e d p a r t i c l e s ) i sg e n e r a l l ys m a l l e rt h a na p hi nt h ew e s t e r ns o u t hc h i n as e a , i tw a sn o t c o v a d e dw i t ha p h t h u si ti sn o ts u r p r i s i n gt h a tt h es u r f a c ec h lad e r i v e df r o m0 c 4 a l g o r i t h mh a dh i g hr m s ( 1 51 2 ，r o o tm e a l ls q u a r ee r r o r ) c o m p a r e dt ot h ef i e l d m e a s u r e dc h la h o w e v e r , as e m i - a n a l y t i c a la l g o r i t h m ( q a a ) p e r f o r m e dm u c hb e t t e r i nt h i sw a t e r ( r m s = 8 2 3 1 i tf u r t h e rd e m o n s t r a t e st h a to l i g o t r o p h i cw a t e r sa l en o t n e c e s s a r i l yc a s e 一1 k e y w o r d s ：w e s t e ms o u t hc h i n as e a , a b s o r p t i o n ，p h y t o p l a n k t o n ，c d o m ，e d d y ， r e m o t es e n s i n g 厦门大学博士后研究工作报告著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用博士后研究工作 报告的规定。厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定 机构送交该报告的纸质版和电子版，有权将该报告用于非赢 利目的的少量复制并允许该报告进入学校图书馆被查阅，有 权将该报告的内容编入有关数据库进行检索，有权将博士后 研究工作报告的标题和摘要汇编出版。保密的博士后研究工 作报告在解密后适用本规定。 本研究报告属于：l 、保密() ，2 、不保密( 4 ) 纸本在年解密后适用本授权书； 电子版在年解密后适用本授权书。 ( 请在以上相应括号内打“4 ) 储虢罗梅愉吼1 年钼卵 导师签名：易素 日期：叫呷年g 月r 寥日 1 前言 吸收系数是水体固有光学性质之一，与水体散射共同决定了水色遥感信号， 是水色遥感的基础( g o r d o ne ta 1 1 9 8 8 ) 。除了水本身，水体的吸收主要包括三部 分：浮游植物吸收绵h 、非色素颗粒吸收a d 、c d o m 吸收魄，通常将后二者合称 非色素吸收a 妇( m i t c h e l le ta 1 ，2 0 0 2 ；曾银东等，2 0 0 6 ) 。吸收作为半分析算法的 反演参数之一，已作为遥感产品发布( 以d h 、a d g ) 。相对于传统的全球经验算法获 取水色产品c h l a ，半分析算法在辐射传输模式的基础上将不同水色成分的贡献分 开( c a r d e re ta 1 ，1 9 9 9 ；l e ee ta 1 ，2 0 0 4 ) ，可以更真实反映水体成分的变化，体现 水团的变动及其诱发的生物、化学响应，为越来越多的研究者所采用。h ue ta 1 ( 2 0 0 6 ) 通过多年高分辨遥感吸收数据发现，在北大西洋c d o m 吸收的高峰、 低谷要滞后浮游植物吸收2 4 星期，按常用的全球经验算法( 比值法) ，在春季 水华期，表层叶绿素a ( c h l 口) 要被高估1 0 ，相反在秋季，c h la 要被低估1 0 ； s h a n ge ta 1 ( 2 0 0 8 ) 选择用s e a d a s 发布的q a a 吸收产品间接计算台风前后c h l a 的变化，发现2 0 0 1 年l i n g l i n g 台风过后，南海特定区域表层吸收明显升高，但 台风过后l 天非色素吸收a d 。( 4 4 3 ) 1 构提高占总吸收变化的6 4 ，再2 天后总吸收 变化的7 4 则来自浮游植物吸收a p h ( 4 4 3 ) ，在此基础上从浮游植物吸收计算c h la ， 可避免由于c d o m 引起的c h la 的高估。另一方面，也有研究将水体吸收信号的 变动用于示踪水团运动，如，从遥感信号分析，受台风的扰动和混合作用，台风 过后表层c d o m 吸收提高，从c d o m 吸收可以明显看到台风的移动轨迹( h o g e e ta 1 ，2 0 0 2 ) ；与台风的作用相似，涡对水体的幅散或幅聚作用也可能在水体光 学特征上有所体现一h o g ee ta 1 ( 2 0 0 5 ) 从遥感信号反演m a b ( m i d d l ea t l a n t i c b i g h t ) 的浮游植物吸收a p h ( 4 1 2 ) 、c d o m 吸收a a g ( 4 1 2 ) 、后向散射b b p ( 4 1 2 ) ，发现 a d g ( 4 1 2 ) 可以很好指示g u l f s t r e a mr i n g 的形成、衰减及移动过程；类似的，c o r r e d o r e ta 1 ( 2 0 0 4 ) 从m o d i s 的k 4 9 0 数据( 漫衰减系数，吸收系数与散射系数之和) 可清楚看到加勒比海东部气旋式涡对o r i n o c o 河羽流的夹带。然而，需要指出的 是，以上研究均只是遥感观测，缺乏同步的现场支持，类似台风、中尺度涡，其 对水体吸收特征的影响如何，其运动是否可以从吸收信号得到反映，都尚需现场 进一步调查。 南海处于亚洲季风区，其表层环流总体上呈反气旋式，冬季呈气旋式( w y r t h ， 1 9 6 1 ；f a n ge ta 1 ，2 0 0 2 ) 。同时，南海是个多涡的海域，存在许多中尺度涡及其他 环流结构，水团运动频繁。已有研究显示，从海面高度异常分析，1 9 9 3 - - 2 0 0 0 年间南海共有5 8 个反气旋式和2 8 个气旋式中尺度涡存在，其中尤以吕宋西南部、 越南中部以东为多( w a n ge ta 1 ，2 0 0 3 ) 。本研究的调查海域即为南海西部( 越南 中部以东) 海域。越南中部尤以其夏季特殊的环流特征吸引大量研究者的关注， 现场、遥感、模型结果均显示，夏季越南中部( 1 2n ) 常可观测到沿岸射流 ( c o a s t a l j e t ) ，同时常伴有一对冷、暖涡( 偶极子) ( f a n ge ta 1 ，2 0 0 2 ；w a n ge ta 1 ， 2 0 0 3 ；g a ne ta 1 ，2 0 0 6 ；管秉贤，袁耀初，2 0 0 6 ) ；同时多年遥感平均显示表层c h la 相对周边大幅度提高( x i ee ta 1 ，2 0 0 3 ) 。然而，作为水色遥感的基础，水体吸收 特征在南海越南中部海域的分布尚属未知，其在常态下如何? 涡动、上升流等存 在情况下又如何? 对水色遥感意味着什么? 这些对正确评估特定事件中的生物、 化学响应有重要的意义。 2 2 1 样品采集 2 采样与方法 图l 南海西部采样站位图为2 0 0 6 年冬季站位；为2 0 0 7 年夏季站位 e 2 0 0 6 年冬季在南海进行为期一个月的调查( 1 1 月2 6 日至1 2 月2 1 日) ，包 括南海东北部、西部( 越南中部以东) 和吕宋西部；2 0 0 7 年夏季再次调查南海 区域( 8 月1 4 日至9 月1 5 日) ，主要对象为越南中部以东海域。本论文只针对 两个航次所共同调查区域一南海西部。2 0 0 6 年冬季航次观测站位较少，且站位 分布较零散，主要有十字m 断面；2 0 0 7 年夏季较多，根据航线，航次可分为前 后两个航段，第一航段8 月1 4 8 月2 9 日，观测范围在1 3 0 n ( y 9 0 所在断面) 以北；第二航段8 月3 0 日一9 月l o 日，观测范围在y 9 0 所在断面以南。 样品采集参数包括颗粒吸收( 包括浮游植物吸收、非色素颗粒吸收) 、c d o m 吸收、叶绿素；部分站位采集光谱数据。 2 2 测定方法 2 2 1 颗粒吸收( 包括浮游植物吸收、非色素颗粒吸收) 颗粒吸收样品的过滤、测定严格按照n a s a 标准规范( m i t c h e l le ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 用孑l 径为0 7t x m 的2 5m i l lg f f 滤膜过滤一定体积的水样获取颗粒吸收样 品，泵压控制在 0 2 m g m 3 的站位，o c 4 反演结果很好，与实测值接近( 图1 7 a ) ；但对于c h l 口 0 2m g m 。3 ) 的两个站位被严重低估，但总体上相对全球c h la 经验算法 ( r m s = 1 5 1 2 ) ，r m s 降低了近一半( 8 2 3 ) 。对于低表层c h la 的南海西部， q a a 反演c h l 口的性能要优于全球经验算法。 需要指出的是，q a a 为半分析算法，除了辐射传输模式，其反演流程部分 引进了经验关系，以上反演用到的参数均采用默认值，这可能也是导致高值区低 估的原因。进一步工作尚需要大量获取现场i k 、吸收系数、后向散射系数、c h l 口的匹配数据，对其中的参数进行区域化调整。 0 6 0 4 0 2 0 0 0 0 0 00 20 40 6 a p h ( 4 4 0 ) 一d e t e r m i n e d ( m 一1 ) 图1 8q a a 反演4 4 0n n l 浮游植物吸收a p h ( 4 4 0 ) 与实测值关系图 o 024681 0 c h la _ d e t e r m i n e d ( m g m 。3 ) 图1 9q a a 反演表层c h l 口( c h la _ q a 与实测值( c h la _ d e t e r m i n e d ) 关系图 一7)qd。一10i荨一qd毽 o 8 6 4 2 0 1 o 一7鼋眦)diqu 4 总结 2 0 0 6 年冬季、2 0 0 7 年夏季对南海西部水体吸收进行调查，两个季节特征存 在差异，与夏季沿岸上升流、气旋式冷涡及其夹带的冲淡水影响有关。冬季南海 西部水团分布均匀，水体吸收站位间差异不大：浮游植物吸收a p h ( 4 4 3 ) 表层值在 o 0 1 0 0 2m 1 间；次表层最大 o 0 4m - 1 ，深度在5 0 7 5m 间；c d o m 吸收口g ( 4 4 3 ) 表层值均小于0 0 0 5m 1 ，在底层或浮游植物吸收a p h ( 4 4 3 ) 最大层出现最高值，可 超过o 0 3m - 1 。夏季观测期间发现三处高盐低温中心( - 1 1 0 e 1 3 5 n 、1 1 2 e 1 4 5 n 、 1 1 1 e 1 2 5 n ) ，由气旋式冷涡或沿岸上升流所致；1 3 n 以南表层大面积覆盖低盐 水，可能是冷涡( 11 2 e 1 4 5 n ) 夹带的湄公河冲淡水。在三处冷水中心，浮游植 物吸收均有响应，a p h ( 4 4 3 ) 相对周边站位次表层最大上抬( - 2 5m v s 7 0m ) ，值 升高( 最高达0 1 5 7m 1 ) ；相比其他站位，冲淡水所及表层a p n ( 4 4 3 ) 都在o 0 1m 1 之上。与冬季相似，夏季6 7 5 、4 4 3n r f l 浮游植物吸收与c h la 呈幂函数关系；但 夏季浮游植物比叶绿素a 吸收系数( 口h ) 相比冬季略低，可能因为冲淡水、深 层涌升水诱发了相对大粒级浮游植物的生长，从而色素打包效应增大。总体上南 海西部浮游植物比吸收系数高于其他海域，与其低c h la 有关。而就c d o m 吸收 而言，相比1 3 n 以北( 小于o 0 lm - 1 ) ，1 3 n 以南口。( 4 4 3 ) 表层值均在0 0 1m 以以 上， a g ( 4 4 3 ) 表层分布与盐度呈显著反相关，冲淡水的影响极其显著。冷涡、沿 岸上升流对c d o m 的影响则要复杂许多，在低温中心，口。( 4 4 3 ) 表层值并未升高， 可能因为深层冷水上抬强度不够，未及表层；虽然站位a g ( 4 4 3 ) 次表层最大与 a p h ( 4 4 3 ) i 拘i 对应，但在低温中心并未出现高值，可能c d o m 更多来源于浮游植物 的降解，二者之间存在时滞性。但总体上夏季南海西部海域c d o m 吸收要远高 于冬季，除了冲淡水的直接输入，冷涡、沿岸上升流更多以间接的方式提高了整 个水柱的c d o m 含量深层冷水上抬，诱发浮游植物生长，而浮游植物降解 又释放c d o m 。与水团性质相符合，c d o m 吸收光谱斜率s ( 3 0 0 5 0 0n m ) 冬 季集中在0 0 2 0 0 4n m 1 之间，属典型离岸水体特征；夏季则有近5 0 低于o 0 2 n m 1 ，显示有陆源的输入；s 在两个季节均与a g ( 4 4 3 ) 呈反相关分布。 对于水色遥感所关注的表层水体，南海西部浮游植物吸收a p h ( 4 4 0 ) 与非色素 吸收( c d o m 与非色素颗粒吸收之和) a d 。( 4 4 0 ) 之间没有显著的共变关系。在夏 2 4 季实测遥感反射率如基础上，用全球经验c h la 算法反演南海西部表层c h la ， 与实测相比，常见的低值区被大大高估( c h la 0 2m g m 3 ) ，均方根误差 r m s = 1 5 1 ；改用半分析模式q a a 算法，浮游植物吸收a p h ( 4 4 0 ) 的反演 1 w s = 3 7 8 ，c h la 的反演r m s = 8 1 2 。在南海西部绝大多数海域( 表层c h la 0 2m g m - 3 ) ，性能有待提高，尤其是南海西部常有中尺度涡活动，兼受 湄公河冲淡水的影响，其嵌入经验参数需进一步工作进行区域化调整。 参考文献： 1 】b a r o c i o l e o n0a ，m i l l a n n u n e zrs a n t a m a r i a - d e l - a n g e le ，e ta 1 b i o - o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fap h y t o p l a n k t o nb l o o me v e n t