海洋地质与环境重点实验室知识库

卫星遥感技术在海洋监测中的作用日益显著，基于海水中的生物光学特性反演出叶绿素与悬浮物含量等海洋环境要素以及估算海洋初级生产力是海洋水色遥感的重要研究内容。由于水体中的光场分布与水色要素的分布十分复杂，因此通过海表接收到的辐射信号来准确地反演出水体内部的成分是一项难度较大的研究。目前的研究表明，在全球多数海域均存在水色成分垂向分布不一致的现象，而在大部分海域的水色遥感算法对这种垂向变异仍考虑较少，因此会对遥感反演的结果产生较大的误差。西北太平洋海域属于全球海域中向大气输送辐射热量最强的海区，对全球的气候系统与热量循环具有重要的调控作用。本文以西北太平洋为研究海域，根据实测数据研究区域性的生物光学特性的垂向变化，并探讨其对海洋初级生产力估算的影响，研究成果为提高该海域水色要素的遥感反演算法与初级生产力估算的精度提供科学依据。
以现场实测的西北太平洋海域固有光学参量及其环境因子数据为基础，分析了该海域水体固有光学特性的垂向变化，了解与叶绿素与非藻类组分垂向分布不一致情况下的水体光学特性，分析叶绿素和非藻组分的垂向分布结构对遥感反射率的影响。首先对西北太平洋海域的水体中悬浮泥沙、叶绿素组分进行较为详细的研究，该海域在50~200m水深呈现显著的垂向叶绿素极大值与悬浮颗粒物总体积浓度极大值分布，且悬浮颗粒物极大值的深度普遍在叶绿素极大值深度以上40~50m，在水文跃层对营养盐的控制与混合层的作用以及海表光抑制的多重作用下形成叶绿素与悬浮颗粒物的垂向不一致分布。另外利用高斯函数较好地模拟了叶绿素的次表层极大值分布，各站位的相关系数均在0.92以上。
对西北太平洋海域水体光场特征进行了分析，水体中叶绿素浓度与漫衰减系数的相关性仅为0.30。对前人使用计算机模拟叶绿素的垂向结构参数对离水辐亮度的影响进行了验证，发现该影响不够明确，无法很好地证实此种影响的存在。研究了实测的叶绿素与非藻颗粒物吸收系数剖面分布情况，叶绿素吸收系数在SCM深度出现显著的峰值，而非藻颗粒物吸收系数在SCM深度仅呈现微弱的增大；在SCM深度以下，藻类吸收系数持续减小，而非藻颗粒物吸收系数基本不变，这使得非藻颗粒物吸收系数占总吸收系数的比例持续增大，最大可达80%，而在真光层内该比例普遍在10%~30%。另外根据经验函数的模拟，得出叶绿素与非藻组分的漫衰减系数的垂向分布，非藻组分的漫衰减作用与叶绿素的漫衰减相当。随着水深的增加，二者的漫衰减作用呈现相似的增大趋势，水体中非藻组分对光的衰减作用也具有较大的影响。
分析了在叶绿素与非藻组分共同作用下水体遥感反射率rrs的分布特征。在长波波段的遥感反射率随着水深的增大而增大；在短波波段，随着水深的增大，遥感反射率先减小后增大；而在450~500nm的波段，遥感反射率随水深的变化而基本保持不变。另外建立了遥感反射率与非藻颗粒物吸收系数占总吸收系数的比值之间的线性关系，拟合的相关性达0.70。另外使用了VGPM模型估算初级生产力，在VGPM参数改进后，各个站位的相对误差出现了大幅度的降低，平均相对误差由63.56%降低至29.46%。虽然参数改进后的精度有所提升，但近30%的误差不同不可忽视。这个结论同时也表明忽略叶绿素浓度的垂向分布结构，即只考虑叶绿素垂向均匀分布，会给遥感反演初级生产力带来较大的误差。本文为改进区域的水色要素反演模型以及获取海域初级生产力的准确估算提供了科学依据。