东海赤潮多发区非均匀叶绿素浓度剖面对遥感反射比的影响.pdf

第4 0 卷第1 0 期 2 0 1 0 年1 0 月 中国海洋大学学报 P E R I o D I C A Lo FO C E A NU N I V E R S I T YO FC H l N A 4 0 ( 1 0 ) ：1 0 0 1 0 4 O c t 。2 0 1 0 东海赤潮多发区非均匀叶绿素浓度剖面 对遥感反射比的影响。 王云飞，贺明霞 ( 中困海洋大学海洋遥感研究所，山东青岛2 6 6 0 0 3 ) 摘要：赤潮增殖过程中，藻类首先在次表层发育，并形成非均匀的叶绿索浓度剖面，一般旱高斯分布。利用H y d r o l i g h t 4 1 模拟1 8 0 组数据用于研究该过程埘遥感反射比的影响。东海为赤潮多发区，通过比较叶绿素浓度在垂直非均匀和 垂直均匀情况下的模拟结果，给出高斯分布模犁4 个参数对遥感反射比的影响。町得到以下初步结沦：叶绿素浓度非均 匀剖面参数的，变化主要影响遥感反射比的绿黄波段，且有向长波段移动的趋势，而对蓝、红波段几乎没有影响；垂直非均 匀情况下的遥感反射比要高于垂直均匀的情况。 关键词：东海；赤潮；叶绿素浓度非均匀剖面；遥感反射比 中图法分类号：T V 8文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 2 5 1 7 4 ( 2 0 1 0 ) 1 0 - 1 0 0 - 0 5 周名江和朱明远L l j 提出东海春季大规模甲藻赤潮 的生消过程经历“起始( I n i t i a t i n g ) ”、“增殖( D e v e l o - p i n g ) ”、“爆发( P r o l i f e r a t i n g ) ”和“消散( D i s p e r s i n g ) ”4 个阶段的假设。起始阶段藻类密度低，相应的叶绿素 浓度较低。增殖阶段藻类首先在次表层发育，相应的 叶绿素浓度形成了非均匀剖面，一般呈高斯分布。爆 发阶段藻类大规模繁殖，相应的叶绿素浓度亦大大增 加且最大值上移至海面。消散阶段藻类迁移消散，相 应的叶绿素浓度减小，但浮游植物残渣仍会影响到海 面光谱辐射。海色传感器是唯一可以穿透海水一定深 度的传感器，或许具有探测赤潮增殖阶段的潜力。本 文利用数值模拟方法研究非均匀叶绿素浓度剖面对海 面光谱辐射的影响，以探讨用海色传感器预测赤潮大 爆发的可能性。 G o r d o n E 2 。3 1 在1 9 8 0 年代首先提出分层海水的假 设，并利用M o n t eC a r l o 方法数值模拟海中的辐射传 输。Z a n e v e l d L 4 。5 j 基于辐射传输理论研究了垂直非均匀 海洋的固有光学性质与遥感反射比之间的关系。P i s - k o z u b c 6 在此基础上对权重因子进行了进一步的讨论。 S t r a m s k a 7 提出在I 类水体中，叶绿素浓度垂直非均 匀剖面主要对蓝绿波段有影响，并会导致海色卫星数 据反演叶绿素浓度的高估。R a p q u e l ，F r e t t e 等也展开 了有关研究I s - 9 。本文基于光在海中辐射传输模拟软 件H y d r o l i g h t4 1 ，针对东海赤潮多发区，研究赤潮藻 增殖阶段中叶绿素浓度垂直结构对遥感反射比的影 响。 1 增殖阶段叶绿素浓度非均匀剖面模型及参数 东海原甲藻在赤潮多发区常年存在，每年3 4 月 在次表层孕育，5 6 月在表层形成大规模赤潮，消散后 迁移至深海区，成为翌年赤潮形成的种源。图l 给出 上述过程叶绿素浓度剖面的例图。本文采用高斯分布 描述增殖阶段非均匀叶绿素浓度剖面。1 9 8 3 年，M a r I o n 1 0 j 首次使用高斯分布函数表示叶绿素浓度随水深 的分布规律。1 9 8 8 年，P l a t t 1 1 将M a r i o n 的模型做r 改进。从图1 A 中也可看出叶绿素浓度垂直分布基本 呈高斯分布。高斯分布为公式( 1 ) 。 C h l ( z ) 一C h l o + h ( a 2 7 r ) e x p 一( 2 一) 2 2 c r 2 ( 1 ) 其中，C h l 。表示叶绿素浓度剖面的背景值，单位为 m g m ；h 代表总生物量，单位为m g 1 T I - 2 ；盯表示 叶绿素浓度峰值宽度，其中9 5 的积分生物量在2 盯 范围内，单位为m ；h ( a 2 丌) 表示叶绿素浓度最大值， 记为C h l , 。，单位为m g m - 3 ；Z r m ，表示出现叶绿素浓 度最大值的深度，单位为r f l 。 基金项目：国家自然科学基金重点项目( 6 0 6 3 8 0 2 0 ) 资助 收稿日期：2 0 0 9 1 2 0 2 ；修订日期：2 0 1 0 一0 1 1 9 作者简介：王云飞( 1 9 8 0 一) ，女，研究生。E - m a i l ：w a n g y f o r s i o u e e d u c n 万方数据 1 0 期王云飞，等：东海赤潮多发区非均匀叶绿素浓度剖面对遥感反射比的影响 1 0 1 ( A ：4 月上句，赤潮藻在次表层孕育；B ：5 月卜旬，表层出现大规模赤潮；C ：5 月下旬，赤潮消散后赤潮藻沉降到底层( 图中圆圈部分) r 空漉 。 A ：d e v e l o p i n gp e r i o do ft h ea l g a ei nt h es u b - s u r f a c ei ne a r l y A p r i lB ：p r o l i f e r a t i n gp e r i o do ft h ea l g a ei nt h es u H a c ei ne a r l yM a y ； C ；d i s p e r s i n gp e r i o do ft h ea l g a ei nt h el a t eM a y ( y e l l o wc i r c l es h o w e di nt h eg r a p h ) 。m a u o n ) 图1 东海原甲藻赤潮于前、中、后期在水体中的叶绿素浓度分布 F i g 1 P r o f i l e so fe h l m p h l l yc o n c e n t r a t i o ni nt h eb e f o r e 。d u r i n ga n dp o s tp r e r i o d so fa ne v o l u t i o no ft h eP r o r o c e n t r u md o n g h a i e n s e 图l A 给出了东海原甲藻前期在水体中的叶绿素和悬移质4 个组分。叶绿素浓度采用本文所设置的1 8 0 浓度分布，可看出I I - 卜绿素浓度垂直剖面摹本呈高斯分组非均匀剖面及与此相对应的均匀剖面。C O D M 在 布，其中出现叶绿素浓度最大值的深度( 。) 约为1 2m ，4 4 0n n l 处的吸收系数( a 9 4 4 0 ) 没为0 2m ，其浓度随 分布的宽度( 4 a ) 约为1 0m ，叶绿素浓度最大值深度不变；悬移质浓度设为lg m ，其浓度随深度不 ( C h i n ；) 约为1 5m g m 。变。模拟光谱分辨率为1 0n m ，范围为4 0 0 7 6 0n m 。 参考图1 A 并根据已有的研究结果 1 3 - 1 5 ，数值模拟所有的光学性质都与波长入相关。边界条件假设天空 输入参数设置如下：设置4 组。值，从l o 2 5m ，每 晴朗，太阳天顶角为3 0o ) ，海表面粗糙度相当于风速 5m 为一间隔。设置3 组d 值，分别为1 ，1 5 和2m 。 为5m s 的情况。非弹性散射中考虑了叶绿素a 荧光。 相应的，9 5 的积分生物量在( 2 ) m ，( ，3 ) m ， ( Z m a 。土4 ) m 范围内。G o r d o n 1 2 指出在均匀海洋中， 9 0 离水光子后向散射来自于穿透层深度锄。根据 东海赤潮多发区现场观测结果，穿透层深度锄( 5 6 0 ) 约 为2 1 0m 。因此，虽然有时z 。不能落在穿透层深度 z 。范围内，但考虑到峰值宽度d ，叶绿素浓度非均匀剖 面仍可落在锄范围内。同时设置4 组c h l 。，值，分别为 0 1 ，0 3 ，1 和3m g m 。如果叶绿素浓度背景值过 高，叶绿素非均匀剖面的信息将被掩盖。对每一对 C h l 。与z 。值，选择了3 个不同的盯值进行计算，对应 每个值选择相应的h 值，使其满足叶绿素浓度最大值， 范围为5 2 5m g m ，每5m g m _ 3 为1 个间隔，共 5 组。根据以E 设置，本文生成了1 8 0 组叶绿素浓度非 均匀剖面数据。相应的，对于用于比较的垂直均匀剖 面情况，表面叶绿素浓度设置同C h l 。 2 H y d r o l i g h t 4 1 参数设置 光在海中的辐射传递方程是一个复杂的微积分方 程，一般采用数值模拟计算水下光场分布。H y d r o l i g h t 是由M o b l e y c l 6 博士开发的光在水中的辐射传递模拟 计算软件，利用不变式嵌入数学方法求解有边界条件 的微积分辐射传递方程，最后得到水中光谱辐亮度分 布，它是水体深度、传播方向和波长的函数。 本文利用H y d r o l i g h t 4 1 进行辐射传输模拟。选 择C a s e2m o d e l ，包括纯水，叶绿素，黄色物质( ( X ) D M ) 图2 东海赤潮多发区I 司有光学性质吸收系数( A ) 和后向散射系数模型( B ) F i g 2 M o d e l so fa b s o r p t i o nc o e f f c e i n t s ( A ) a n db a c k s c a t t e r i n gc o e f f c e i n t s ( B ) f o rt h eE a s tS e a w h e r er e dt i d e so c c u rf r e q u e n t l y 东海赤潮多发区同有光学性质参数基于博士论 文 1 引。设置如下：纯水的吸收和散射分别来自于P o p e 万方数据 1 0 2 中国海洋大学学报 与F r y 1 8 和S m i t h 与B a k e 1 9 。单位叶绿素吸收系数 采用I 。e e 2 0 给出的经验公式，其中公式的系数由东海 赤潮多发区现场数据通过最小二乘优化得到。非浮游 植物粒子和C D ( ) M 指数函数模型的参数也是由东海 赤潮多发区现场数据通过最小二乘优化得到得，分别 设置为0 0 1 03 与0 0 1 70n m 。浮游植物的散射系 数模拟采用G o r d o n 与M o r e l 模型f 2 1 | ，非浮游植物颗 粒的散射系数采用宋庆军和唐军武 2 2 所提出的模型。 浮游植物和非浮游植物颗粒后向散射概率分别设为 0 0 0 4 和0 0 1 5 。图2 A 给出了叶绿素( 绿色) ，黄色物 质( 青色) ，非浮游植物颗粒( 蓝色) 在4 4 0n m 处归一化 单位吸收系数光谱曲线与纯海水吸收光谱曲线( 红 色) 。图2 B 给出了浮游植物( 绿色) ，悬移质( 蓝色) 单 位后向散射系数光谱曲线与纯海水后向散射光谱曲线 ( 红色) 。 3 模拟结果 3 1 固有光学性质非均匀剖面模拟结果 0 00 0 l0 0 2 0 0 30 ( ) 40 0 5 0 0 6 m 。1 图3 固有光学性质吸收系数a ( 5 5 0 ) ( A l ，A 2 ) 、 后向散射系数6 b ( 5 5 0 ) 垂直分布( B 1 ，B 2 ) F i g 3 V e r t i c a lp r o f i l e so fa b s o r p t i o nc o e f f i e n ta t5 5 0n m ( A 1 ，A 2 ) a