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。

海底光谱反射率是光学浅水中太阳辐射传输的重要组成部分, 影响着海水表面离水辐亮度的光谱特性, 因此底质光谱信息的准确获取对于浅海遥感工作的开展至关重要。 专门设计了一套海底光谱反射率测量系统填补了国际上在这方面的空白。 采用可自由伸缩并旋转角度的参考白板贴近目标物测量, 以消除探头到目标物之间水体吸收衰减的影响, 双光路采集系统同步测量的设计避免了水下光场迅速变化对辐射测量的影响。 于2018年9月3日—8日, 用该系统在三亚珊瑚礁保护区进行原位海底反射率测量试验, 测量对象包括珊瑚、 海草、 泥沙、 沙滩等多种底质。 各底质类型之间具有光谱可分性, 具体表现为, 在波长大于580 nm的长波段, 浅海沙子底质与岸上沙滩光谱反射率特征差异明显, 表明相对于空气中, 水体和水中微藻介质的吸收散射作用严重影响着水下光谱辐射的测量, 证实了空气中测量的目标光谱不可替代水中的结果。 珊瑚和水草的光谱反射率特征主要区别在于海草反射率光谱在540～600 nm波段有一个宽反射峰, 而珊瑚的典型特征是在575, 600和650 nm附近有三个特征反射峰。 此外, 珊瑚、 沙子和沙滩三种碳酸盐质底质在395, 430, 490和520 nm存在反射峰, 485和585 nm处有一个小吸收峰, 而海草则相反, 在395, 430, 490和520 nm存在吸收峰, 485和585 nm处显示反射峰。 以上数据为将来利用底质反射率提取底栖物质组成信息奠定了基础, 同时其结果也能够证实系统的可靠性和有效性。

浮游植物粒级通常采用采集水样的分级叶绿素法来测定, 比较费时且难以实现剖面连续测量。本文提出了一种基于测定海水光吸收来反演浮游植物粒级结构的原位测量系统。该测量系统硬件主要由高稳定光源、光学窗口、样品管、光纤高精度微型光谱仪、数据采集系统等组成。测量数据基于遗传算法来分析浮游植物粒级结构。海上初步试验结果表明, 该仪器能够测定水下300 m之内的浮游植物粒级结构, 实现1 m剖面分辨率的连续测量, 尤其适用于分析50~80 m深度叶绿素最大值层的浮游植物粒级结构变化, 在未来海洋浮游植物粒级结构测定中有良好的应用前景。

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。

海水中的有色溶解有机物(CDOM)对海洋生态系统具有重要影响。 针对当前CDOM测量的问题, 基于Teflon AF 液芯波导(LWCC/LCW)技术, 设计了一套全自动CDOM走航式测量仪。 该仪器具有光程可调、 测量动态范围广、 灵敏度高等特点, 适合于各类水体。 其过滤和进样系统, 实现了水样的自动过滤、 进样和样品池清洗。 基于LabVIEW语言开发的软件控制平台, 可高效地控制仪器的运行状态和数据(光谱数据、 GPS数据及海水温盐数据)的采集。 通过对照实验和现场海上测试, 证实了测量数据的可靠性和仪器的稳定性。

由于Teflon AF具有气体渗透性结构、 疏水性、 化学惰性、 比水低的折射率等特点， 因此Teflon AF液芯波导在吸收、 荧光、 拉曼光谱分析、 气体传感器等诸多领域得到了广泛的应用。 本文将剖析Teflon AF液芯波导的特性， 分析Teflon AF液芯波导的应用研究进展， 展望Teflon AF液芯波导的应用研究前景。

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。

海冰是地球气候系统中的关键要素之一， 为此设计了用于测量海冰光学特性的海冰高光谱辐射测量系统， 可实现3个通道的同时测量， 设计了2种类型的光学探头， 解决了探头水密性的问题， 搭配“L”型支架实现冰下辐射的现场测量。 设计了双向反射率支架， 搭配角度传感器可实现探头于任一角度位置对海冰双向反射率的测量。 系统积分时间智能设定， 实现了积分时间设定的最优化和自动化。 解决了低温工作的难题。 另外系统还集成了4个温度探头和1个全球定位系统GPS。 通过在辽东湾附近海域对海冰的现场实验， 验证了系统的可靠性及准确性。