基于2018年5月27日—31日长江口邻近海域的海洋科学综合调查,利用船载走航式表观光谱观测系统进行了定点及连续光谱测量,结合快速多参数水质仪和声学多普勒流速剖面仪同步观测结果,研究了悬浮颗粒物(SPM)的高频变化特征及其影响因素。研究结果表明,长江口邻近海域SPM浓度存在高频变化特征,且受潮汐作用影响显著。在退潮周期内,其浓度在定点站位内有明显的先上升后下降过程,且浓度高值与高流速相对应。断面走航观测显示,SPM在短时间内变化特征存在明显的空间差异。在水深较浅的区域中局地再悬浮过程的作用明显,且SPM浓度与流速之间有着良好的对应关系,而在水深较深、离岸较远的区域中SPM浓度的变化则可能与长江冲淡水过程相关。

基于南海海区2006年至2015年8个航次调查数据,采用导数光谱分析方法研究了浮游植物光谱吸收系数与南海典型色素浓度之间的相关特征,进一步建立了用于色素浓度估算的偏最小二乘回归模型(简称PLS回归模型)。研究结果表明:浮游植物吸收系数的导数光谱变化特征可用于关键色素浓度的定量估算,基于二阶导数光谱估算的结果稍优于四阶导数光谱;模型对总叶绿素a(TChl a)、光合有效类胡萝卜素(PSC)、岩藻黄素(Fuco)、19'-丁酰基氧化岩藻黄素(19But)、19'-乙酰基氧化岩藻黄素(19Hex)、硅甲藻黄素(Diadino)等表现出较高的精度,预测值与实测值之间的线性相关性较强,但对于光保护类胡萝卜素(PPC)和玉米黄素(Zea)的估算精度相对较低。与基于总叶绿素a浓度的经验模型相比,基于导数光谱的PLS回归模型对于PSC,Fuco,19Hex,Diadino等色素的估算效果相当,而对于19But,PPC,Zea等表现出一定的优势。不同种类色素浓度与吸收系数导数光谱之间的内在联系可能是造成不同色素估算精度差异的重要因素。建立的基于浮游植物吸收系数的导数光谱定量提取色素浓度的方法,可为深入细致研究浮游植物种群结构的高光谱水色卫星遥感提供参考。

基于遥感手段准确估算水体漫射衰减系数Kd(490), 可为有效评价近岸海域水质、准确估算真光层深度提供有力数据和方法支撑。利用2004~2012年在南海海域获得的9个航次的实测Kd(490)数据, 通过建立实测与遥感产品的时空匹配数据对, 获取与Kd(490)实测数据相对应的MODIS-Aqua遥感反射率(Rrs(λ))和叶绿素a浓度(Chl-a)产品, 分别采用算法Muller, Werdell, Morel, Lee和MODIS业务化算法KD2M对南海海域Kd(490)遥感产品进行精度评估与对比; 在此基础上, 考虑到南海海域水体的特异性, 基于相应的实测Rrs(λ)和Chl-a数据集, 利用上述算法对Kd(490)反演产品再次进行精度评估与对比, 进而探讨Kd(490)产品的误差来源和算法区域化修正的必要性。基于MODIS-Aqua遥感产品, 利用上述五种算法获得的MODIS-Aqua Kd(490)产品值与实测值的平均相对误差(APD)分别是2012%, 2922%, 17.98%, 22.61%和21.61%, 其中, Morel算法最优, 且相关系数最高达0.5; 基于相应实测数据, 利用上述算法反演获得的Kd(490)产品精度均有不同程度的提高, 特别是算法Lee和Werdell, APD分别为17.86%和1797%, 提高了5%~11%, 最优算法为Morel, 其APD可达15.44%。合理选取评估算法及进一步开展算法的区域性修正对于准确估算南海海域Kd(490)产品是非常必要的。

浮游植物粒级结构是海洋生态系统中的一个重要生物学因子。基于生物光学参数反演浮游植物粒级结构变化是当前水色遥感研究的热点问题。本文综合南海北部海区多年航次调查数据, 对现有几类反演算法进行了区域性优化和验证评价。根据叶绿素a浓度(Chl a)或浮游植物吸收系数(aph(443))的阈值可实现南海北部海区小型(Micro)和微微型(Pico)浮游植物主导的划分, 微型(Nano)的判别精度较差。基于归一化吸收光谱提取的粒级指数可定性地表征浮游植物粒级结构的综合变化趋势。基于叶绿素a浓度的三组分模型, 较好地模拟浮游植物粒级结构的变化规律, 可实现分粒级叶绿素a浓度的定量反演, Pico粒级的反演精度较高; 在此基础上, 耦合浮游植物吸收光谱变化规律和总叶绿素a浓度定量反演粒级结构的模型, 进一步提高了Micro和Nano粒级的反演精度, 且线性相关程度增强。

利用2004~2012年在南海获得的9个航次的实测Chl-a数据, 采用NASA标准业务化算法OC3和针对低Chl-a水体所发展的最新算法OCI反演获得了相应的MODIS-Aqua Chl-a产品。通过建立实测与遥感产品的时空匹配数据对, 开展了Chl-a产品的适用性评估, 并对比分析了上述两种算法的性能。在此基础上, 利用南海实测遥感反射率(Rrs(λ))和MODIS-Aqua Rrs(λ)产品以及相应实测Chl-a的匹配数据集, 分别对算法OC3和OCI进行了区域性修正。结果显示: 基于算法OC3和OCI反演所得的MODIS-Aqua Chl-a产品值均高估了实测值, 平均绝对误差(APD) 的精度分别为56.30%和42.58%, 且算法OCI可明显改善低Chl-a水体(<0.25 mg·m-3)的反演精度;采用南海MODIS-Aqua Rrs(λ)产品与实测Chl-a匹配数据集(N=82)修正后的区域性算法NOC3和NOCI的精度均有不同程度提高, APD精度分别为37.85%和36.74%;采用现场实测Rrs(λ)与Chl-a匹配数据集(N=123)进行区域性修正后的算法INOC3和INOCI的APD精度分别为36.61%和37.79%, 上述两种方案精度较为接近。因此, 对于南海海域而言, 算法的区域性修正对于改善MODIS-Aqua Chl-a产品精度非常重要。

室内测量了十六种浮游植物的吸收-衰减光谱, 及其粒径分布和叶绿素a浓度。 研究结果表明, 粒径和单位细胞叶绿素浓度是影响浮游植物吸收和衰减系数量值的两个重要因素; 粒径是决定衰减光谱形状的重要因子之一, 粒径与衰减光谱斜率之间存在非单调的变化关系; 粒径不是影响浮游植物吸收光谱的蓝-红波段比和光谱斜率的决定性因子, 但是, 藻细胞密度与粒径平方的乘积是决定吸收光谱斜率的关键量。 适用于均匀球体颗粒的Mie散射理论能对粒径与浮游植物吸收光谱和衰减光谱间的相关关系进行阐释, 该文研究的藻类其非均匀球体结构并没有从根本上改变粒径与吸收—衰减光谱间存在的内在规律。

针对有色溶解有机物(CDOM)和颗粒物在短波波段的强吸收特性对海冰内部及下层海水生物的区大影响，研究了辽东湾海冰内部CDOM和颗粒物的吸收特性。海冰内部CDOM的吸收为下层海水CDOM吸收的1/5~1/2，海冰内部CDOM吸收的最大值一般出现于海冰的表层和底层。由于大气的沉降作用，海冰内部颗粒物吸收的最大值出现于海冰表层。辽东湾海冰CDOM斜率范围为0.0122～0.0231 nm-1，下层海水CDOM斜率范围为0.0174～0.0190 nm-1。海冰生长速率和下层海水CDOM决定着海冰CDOM斜率剖面分布。较高的海冰内部CDOM和颗粒物浓度导致衰减系数的谷值向长波方向移动。

海冰反照率是研究海冰表面特性、 海冰分布、 海冰厚度和极地气候的重要光学量之一。 将卫星于不同位置所测量到的海冰双向反射率准确地转化为相应的反照率的值, 对于获得大规模海冰的时空特性是非常重要的。 研究了辽东湾海冰反照率与海冰双向反射分布函数之间的相关关系。 结果表明： (1)反照率与海冰组分密切相关, 海冰表层颗粒物浓度越高, 反照率α(λ)的值越小, 气泡的含量越高, α(λ)越大； (2)当仪器探头天顶角θ为0°时, 所测量的双向反射因子Ｒｆ与反照率α(λ)的值是相似的； 随着θ的增大, Ｒｆ的值逐渐增大, 且与探头方位角的相关性逐渐增强； 当θ的值等于太阳天顶角63°时, Ｒｆ的值最大, 且与探头方位角的相关性最强； (3)不同类型的冰具有不同的各向异性反射因子。

基于吸收光谱相关关系建立了一种海水总颗粒物吸收光谱(a_p(λ))分解模型,利用有约束的非线性优化算法实现了浮游植物(a_ph(λ))和非藻类颗粒物吸收光谱(a_NAP(λ))的分离。采用2004年南海北部航次调查水体的实测数据分析发现,在短波波段(a_ph(λ))可以较好地表示为a_ph (443)的二次多项式形式,a_NAP(λ)遵循普遍的指数衰减规律。基于这种光谱变化规律本文建立了a_p(λ)分解模型,并采用2005年同一海区实测数据进行验证,发现模型计算光谱与实测数据有较好的相似性,在主要的吸收波段如443,490和683 nm处的平均相对偏差值在17％以内,两者之间线性关系拟合的决定系数(R2)均在0.97以上,斜率接近于1.0。与现有的分解方法相比,该模型具有明显的区域优势,这种基于光谱相关关系的分解思想可进一步应用于水色遥感信息的反演和海水总吸收系数的分解。

研制了海洋水色高光谱辐射实时观测系统。该系统主要包括用于现场测量海面与海水近表层上行辐亮度和下行辐照度的高光谱光纤辐射计, 装载高光谱光纤辐射计及其它辅助设施的海上观测平台, 数据采集、实时通讯的控制系统。采用6通道光纤光谱仪解决了多参数测量同步性问题, 通过自动调整光谱仪CCD积分时间提高其测量的动态范围; 采用光纤光谱仪减小了光接收器的体积, 减小了自阴影效应的影响; 采用防污染装置解决了光学探头水下防污染问题。对系统的性能进行了室内测试及近海36 d试验。结果表明,光学系统零漂误差小于±5%, 光学系统稳定可靠; 浮标性能可很好地满足水下光辐射测量对浮标体姿态和稳定性的要求; 控制系统的数据采集和通讯可靠有效。