中國近海海洋光學(xué)特性及其分布*

汪小勇，李銅基，周虹麗，畢大勇

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

海洋光學(xué)（可見光、近紅外波段部分）主要研究海洋水體對(duì)光輻射的反射、散射、吸收等性質(zhì)及光輻射在海洋中的傳播規(guī)律。固有光學(xué)性質(zhì)（Inherent Optical Properties，IOP’s）是只由介質(zhì)本身決定的光學(xué)性質(zhì)，它獨(dú)立于介質(zhì)的環(huán)境光場，其代表性參數(shù)為水體總吸收系數(shù)、水體主要成分吸收系數(shù)（黃色物質(zhì)吸收系數(shù)、浮游植物色素吸收系數(shù)、懸浮顆粒物吸收系數(shù)）、衰減系數(shù)、散射系數(shù)、后向散射系數(shù)等；表觀光學(xué)性質(zhì)（Apparent Optical Properties，AOP’s）是由介質(zhì)與環(huán)境光場幾何結(jié)構(gòu)共同決定的光學(xué)性質(zhì)，其代表性參數(shù)有：離水輻亮度、遙感反射比、水中下行輻照度漫衰減系數(shù)等。影響水體光學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)主要有3類，分別是浮游植物、有色溶解有機(jī)物（也稱黃色物質(zhì)）和無機(jī)懸浮顆粒物（主要指懸浮泥沙），這些水色要素的濃度與種類的變化不同，對(duì)光學(xué)性質(zhì)的影響也不相同。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)（水色）遙感成為研究水體光學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要手段，而水體光學(xué)性質(zhì)研究是水色遙感應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。在潔凈的一類水體中，由于水體成分相對(duì)簡單且穩(wěn)定，水體的光學(xué)性質(zhì)主要由浮游植物及其降解物質(zhì)色素所決定，基于大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)算法可以較好地用于水色要素的反演，且具有較好的適用性。1960年代，以美國Charles S.Yentsch為代表的海洋科學(xué)家針對(duì)水體成份對(duì)光的吸收和散射的影響進(jìn)行了研究。從1970年代開始，隨著海洋光學(xué)遙感的發(fā)展，客觀上需要對(duì)水體光譜特征進(jìn)行深入的研究。其中，Morel、Priuer、Jerlov等［1－3］對(duì)一類水體的光學(xué)量的研究給出了奠基性的結(jié)果；美國Scripps研究所的Petzold等［4］在1972年給出了典型水體的散射結(jié)果，被一直引用至今；Gordon等［5］對(duì)水體的固有光學(xué)量、表觀光學(xué)量相互關(guān)系的研究及海洋光學(xué)遙感方法都給出了系統(tǒng)結(jié)果。1980年代，各主要發(fā)達(dá)國家都對(duì)海洋光譜特征研究加大了支持力度，使得水體的各個(gè)基本光學(xué)參數(shù)被精確地測量出來，如水分子在各波段的吸收、散射特性，大洋平均的葉綠素的單位吸收和單位散射系數(shù)，黃色物質(zhì)的吸收特性等。Mobley等［6］在1990年代對(duì)在水中的傳播規(guī)律進(jìn)行了較全面的總結(jié)，基礎(chǔ)研究和算法開發(fā)等研究活動(dòng)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期［7－12］。

對(duì)于二類水體，特別是我國近海水體，由于水體成分復(fù)雜，且區(qū)域性變化明顯，在研究水體光學(xué)性質(zhì)時(shí)，主要是開展區(qū)域性光學(xué)特性研究。唐軍武［13］、李銅基［14］、汪小勇［15－18］（2004，2008，2011）、楊安安［19］、畢大勇等［20］對(duì)水體表觀光學(xué)性質(zhì)的觀測方法進(jìn)行深入研究，提出了適合中國海區(qū)特點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理方法，并對(duì)測量誤差進(jìn)行全面的分析。汪小勇等［21－23］針對(duì)我國黃東海表觀光學(xué)和固有光學(xué)特性進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯?；而在固有光學(xué)性質(zhì)研究方面，最早受關(guān)注的是黃色物質(zhì)，吳永森［24］等對(duì)黃色物質(zhì)的吸收特性進(jìn)行了測量與研究。曹文熙［25］分析珠江口及臨近海域的實(shí)測總顆粒吸收系數(shù)、非色素顆粒吸收系數(shù)與色素吸收系數(shù)特點(diǎn)，總結(jié)得出非色素顆粒的吸收系數(shù)斜率經(jīng)驗(yàn)值為0.012±0.002。浮游植物色素的吸收明顯地隨葉綠素a濃度呈非線性增加，其關(guān)系可用冪函數(shù)描述。朱建華等［26］研究了非色素顆粒與黃色物質(zhì)吸收系數(shù)的性質(zhì)，獲得非色素顆粒和黃色物質(zhì)吸收系數(shù)的光譜模型（吸收系數(shù)斜率經(jīng)驗(yàn)值），其結(jié)果與國際公布的結(jié)果相近，具有很強(qiáng)的區(qū)域?qū)嵱眯?。而在南海北部的研究中，王桂芬等?7］指出葉綠素比吸收系數(shù)與葉綠素a濃度之間存在較好的冪指數(shù)關(guān)系，隨葉綠素a濃度的增大而減小，但擬合系數(shù)與其它海區(qū)存在明顯的差別，許大志、曹文熙等［28］對(duì)南海北部海區(qū)葉綠素a濃度模型進(jìn)行了研究，周虹麗等［29］基于908專項(xiàng)光學(xué)調(diào)查結(jié)果，對(duì)南黃海和珠江口海區(qū)非色素顆粒物光譜吸收特性進(jìn)行了研究。

由于當(dāng)前主要針對(duì)中國近海水體光學(xué)特性研究大多是區(qū)域性的和單一季節(jié)的，難以體現(xiàn)中國近海各海區(qū)間量值的比較以及季節(jié)性變化情況，本文將采用我國近海2年4個(gè)季節(jié)的海洋光學(xué)調(diào)查資料，對(duì)我國近海區(qū)域水體光學(xué)特性進(jìn)行總體分析，便于宏觀了解各主要區(qū)域光學(xué)要素量值相對(duì)大小、分布特點(diǎn)和變化趨勢。

1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的數(shù)據(jù)來源于“我國近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)”中的光學(xué)調(diào)查項(xiàng)目，分別于2006年夏季、冬季和2007年春季、秋季在中國近海9個(gè)海區(qū)：渤海、北黃海、南黃海、長江口、東海、臺(tái)灣海峽、珠江口、南海、北部灣開展了同步調(diào)查。表觀光學(xué)測量設(shè)備為高光譜地物光譜儀，數(shù)據(jù)采集采用水面之上法［13，15，30］，三要素吸收系數(shù)測量設(shè)備為雙光路分光光度計(jì)，采用現(xiàn)場分層采樣，過濾后測量樣品的方法［30］，數(shù)據(jù)處理方法符合《我國近海海洋光學(xué)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》的要求［30］，獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過自檢和第三方評(píng)估，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

2 表觀光學(xué)特性分布特點(diǎn)

2.1 特征波段遙感反射比季節(jié)性分布特點(diǎn)

412和490 nm是海洋光學(xué)與水色遙感的特征波段，412nm水色光學(xué)數(shù)據(jù)主要用于黃色物質(zhì)和混濁度反演，490nm是海洋“視窗”波段，主要用于葉綠素濃度的反演。Rrs（412）和Rrs（490）是最重要的表觀光學(xué)參數(shù)之一，通過分析4個(gè)季節(jié)Rrs（412）和Rrs（490）的平面分布情況，結(jié)果表明其具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性變化特點(diǎn)。

通過分析Rrs（412）要素的在中國近海主要河口的分布特點(diǎn)，可以得出如下主要結(jié)論。

（1）黃河口及其周邊區(qū)域，4個(gè)季節(jié)的Rrs（412）分布及變化的特點(diǎn)和趨勢基本一致，從地理位置上來看，離岸距離由近到遠(yuǎn)，其量值的變化特點(diǎn)是由大到小，量值范圍由0.015～0.003 5sr－1，最大值出現(xiàn)在黃河入海口附近區(qū)域。

（2）長江口及其周邊區(qū)域，4個(gè)季節(jié)的Rrs（412）分布及變化的特點(diǎn)基本一致，從地理位置上來看，離岸距離由近到遠(yuǎn)，其量值的變化特點(diǎn)是由大到小，量值范圍由0.02～0.005sr－1，最大值出現(xiàn)在長江入?？诟浇鼌^(qū)域。

（3）珠江口及其周邊區(qū)域，冬、春季的Rrs（412）分布與變化趨勢一致，離岸距離由近到遠(yuǎn)，其量值的變化特點(diǎn)是由大到小，量值范圍由0.015～0.01sr－1，最大值出現(xiàn)在珠江入海口附近；而夏、秋季分布及變化特點(diǎn)與其冬、春季不同，離岸距離由近到遠(yuǎn)，其量值的變化特點(diǎn)是由小到大，量值范圍由0.007 5～0.015sr－1（見圖1），最大值出現(xiàn)在離珠江入海口較遠(yuǎn)的區(qū)域。

圖1 2006年夏季、冬季與2007年春季、秋季中國近海水體Rrs（412）分布圖Fig.1 Plan distribution figure of Rrs（412）about China coastal water in summer，winter of 2006and spring，autumn of 2007

相對(duì)于Rrs（412）而言，Rrs（490）的分布特點(diǎn)比較簡單，4個(gè)季節(jié)中國近海的分布及變化趨勢基本一致，而且在沿岸及各主要河口區(qū)域均有較好的重復(fù)性，離岸由近到遠(yuǎn)，其量值變化特點(diǎn)是由大到小，量值范圍由0.035～0.007 5sr－1（見圖2）。

以上2個(gè)波段遙感反射比變化特點(diǎn)也表明了中國近海主要河口水體光學(xué)特性受懸浮泥沙影響較大。

2.2 中國近海主要區(qū)域遙感反射比光譜特性

圖3是2006年夏季獲取的中國近海主要海區(qū)遙感反射比光譜圖。

圖2 2006年夏季、冬季與2007年春季、秋季中國近海水體Rrs（490）分布圖Fig.2 Plan distribution figure of Rrs（490）about China coastal water in summer，winter of 2006and spring，autumn of 2007

圖3 中國近海主要海區(qū)遙感反射比光譜Fig.3 Spectrum of remote sense reflectance ratio in main area of China offshore

由圖分析可知：

（1）渤海、南黃海、東海、臺(tái)灣海峽以及北部灣部分區(qū)域的近岸水體光譜海區(qū)水體光譜為570nm左右單峰譜形，且遙感反射比光譜形狀變化小，在外觀上屬于中等渾濁水體，這是中等濃度懸浮泥沙高光譜遙感反演與研究的主要敏感波段之一［31－32］。從這些水體主要成分含量（或400nm吸收系數(shù)比例）來分析，主導(dǎo)影響成分為懸浮顆粒物（主要成分是懸浮泥沙），而黃色物質(zhì)和色素影響較小，光譜量值因水中顆粒物粒徑和含量的變化有較大的變化。從水體光譜學(xué)角度，很直觀地體現(xiàn)了懸浮泥沙的重要影響。這與文獻(xiàn)［33］的研究結(jié)果類似。

（2）北黃海及北部灣等部分海區(qū)水體光譜形狀主要是400～500nm呈上升趨勢，500～565nm相對(duì)平緩，565 nm以后下降，至近紅外波段趨近于0。從水體主要成分含量（或400nm吸收系數(shù)比例）來分析，主導(dǎo)影響成分為黃色物質(zhì)，懸浮顆粒物和浮游植物為次要影響因素，且兩者的貢獻(xiàn)相當(dāng)，屬于水體光學(xué)特性比較復(fù)雜的水體。

（3）在長江口、珠江口、江蘇淺灘附近，大部分水體光譜400～565nm呈上升趨勢，565nm以后緩慢下降或保持水平，在長江口區(qū)域同時(shí)發(fā)現(xiàn)了400～700nm呈上升趨勢的水體光譜。在外觀上屬于高渾濁水體。高渾濁水體的遙感反射比量值隨著懸浮泥沙濃度的增加而緩慢增加，其光譜形狀變化較小［23，33］。從這些水體主要成分含量（或400nm吸收系數(shù)比例）來分析，主導(dǎo)影響成分為懸浮顆粒物（主要成分是懸浮泥沙），而黃色物質(zhì)和色素影響幾乎可以忽略不計(jì)，光譜量值因水中顆粒物粒徑和含量的變化有較大的變化。從水體光譜學(xué)角度，很直觀地體現(xiàn)了懸浮泥沙的決定性影響，且水體渾濁度高對(duì)應(yīng)的遙感反射比光譜總體量值也越大。

（4）在南海北部、珠江口外部、黃海外部和東海外部區(qū)域，主要為清潔和較清潔水體，其光譜形狀體現(xiàn)490～700nm呈下降趨勢，遙感反射比總體量值較小。從水體主要成分含量（或400nm吸收系數(shù)比例）來分析，主導(dǎo)影響成分為浮游植物，其余兩者影響較小。

3 固有光學(xué)特性分布特點(diǎn)

3.1 水色要素吸收系數(shù)中國近海分布情況

黃色物質(zhì)和非色素顆粒物是影響中國近海水體光學(xué)特性的主要物質(zhì)。圖4為中國近海400nm非色素顆粒物ad（400）、黃色物質(zhì)的吸收系數(shù)ag（400）在中國近海分布圖（這里未考慮其季節(jié)性變化）。

圖4 中國近海非色素顆粒物（左）和黃色物質(zhì)（右）400nm吸收系數(shù)分布Fig.4 Distribution trend about the absorption coefficient of de-pigmented particles and CDOM at 400nm

由圖分析可以得出：

（1）非色素顆粒物吸收系數(shù)在中國近海沿岸、海灣、河口區(qū)域的值普遍較高，高值區(qū)主要分布在渤海、江蘇淺灘、長江口附近區(qū)域、珠江口附近區(qū)域及雷州半島周邊，最大值達(dá)到167m－1，低值區(qū)在南海北部區(qū)域，最小值為0.002m－1，平均值為1.411m－1，約有80%的站位值均小于1m－1，整體呈現(xiàn)北高南低的特點(diǎn)。這種現(xiàn)象反映了近岸非色素顆粒物主要受河流的陸源物質(zhì)輸入影響，進(jìn)而影響其水體光學(xué)特性。

（2）黃色物質(zhì)吸收系數(shù)量值較大的區(qū)域分布在渤海灣、遼東灣、長江口；其次是渤海中部、南黃海、珠江口和北部灣，最大值達(dá)到0.83m－1；量值較小的區(qū)域分布在東海以東及南海部分海域，最小值約為0.009m－1，平均值約為0.146m－1，約有70%的站位的測量值都小于0.200m－1，而高于0.500m－1的站位極少。這種現(xiàn)象反映了近岸黃色物質(zhì)主要受陸源河流的影響，而浮游植物及其腐爛降解的產(chǎn)物對(duì)水體中黃色物質(zhì)濃度產(chǎn)生的影響不大，體現(xiàn)了河流的陸源對(duì)黃色物質(zhì)的重要貢獻(xiàn)。

3.2 400nm三要素吸收系數(shù)占總吸收系數(shù)比例分析

在不同的海區(qū)，這3種物質(zhì)相對(duì)含量的變化導(dǎo)致水體光學(xué)特性的變化。圖5分別是400nm浮游植物色素吸收系數(shù)af（400）、非色素顆粒物吸收系數(shù)ad（400）和黃色物質(zhì)吸收系數(shù)ag（400）占400nm總吸收系數(shù)百分比的中國近海分布圖，圖6是統(tǒng)計(jì)得到的9個(gè)海區(qū)（渤海、北黃海、南黃海、長江口、東海、臺(tái)灣海峽、珠江口、南海、北部灣）的三要素占總吸收系數(shù)百分比。

圖5 400nm三要素吸收系數(shù)占總吸收系數(shù)百分比中國近海分布圖Fig.5 The relative contribution of phytoplankton，CDOM and de-pigmented particles to total absorption coefficient of seawater at 400nm

圖6 9個(gè)海區(qū)400nm三要素吸收系數(shù)占總吸收系數(shù)百分比統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Statistical figure of relative contribution of phytoplankton，CDOM and de-pigmented particles to total absorption coefficient of seawater at 400nm in nine area of China coastal sea

由圖分析可以得出：

（1）從400nm吸收系數(shù)的分布特點(diǎn)及比例分布來看，渤海、江蘇淺灘、長江口區(qū)域，非色素顆粒物占總吸收的比例分布較高，在水體總吸收中起主導(dǎo)作用；南黃海大部分區(qū)域、東海大部、臺(tái)灣海峽及珠江口外部，黃色物質(zhì)和浮游植物色素占總吸收的比例分布較高，共同主導(dǎo)水體總吸收的光學(xué)特性，而北黃海中部、長江口外部以東及海南島以東區(qū)域，由浮游植物色素為水體總吸收的主要影響因素。

（2）結(jié)合三要素400nm吸收系數(shù)分布圖分析可以得出，非色素顆粒物吸收系數(shù)量值高的區(qū)域，其占總吸收百分比也高，非色素顆粒物是該區(qū)域水體光學(xué)特性的主導(dǎo)因素；而黃色物質(zhì)吸收系數(shù)量值高的區(qū)域，其占總吸收百分比不一定高，黃色物質(zhì)不一定是該區(qū)域水體光學(xué)特性的主導(dǎo)因素。

4 結(jié)語

中國近海水體受多種因素影響，導(dǎo)致水體光學(xué)特性復(fù)雜。典型波段412nm的遙感反射比Rrs（412）在珠江口區(qū)域季節(jié)性變化特點(diǎn)明顯，不同季節(jié)變化趨勢不同，而Rrs（490）在主要河口季節(jié)性變化趨勢基本上是一致的，而且在主要河口和沿岸區(qū)域多季節(jié)具有較好的重復(fù)性；遙感反射比光譜方面，主要河口的渾濁水體光譜一般峰值在565nm附近，長江口附近大顆粒水體光譜400～700nm呈上升趨勢，而相對(duì)較清潔水體光譜在490nm之后呈下降趨勢；非色素顆粒物吸收系數(shù)在中國近海沿岸、海灣、河口區(qū)域的值普遍較高，整體呈現(xiàn)北高南低的特點(diǎn)；黃色物質(zhì)吸收系數(shù)量值較大的區(qū)域分布在渤海灣、遼東灣和長江口，主要體現(xiàn)了河流陸源物質(zhì)對(duì)非色素顆粒物和黃色物質(zhì)的重要貢獻(xiàn)。

本研究成果基于“我國近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)”專項(xiàng)光學(xué)調(diào)查資料分析而成，具有一定的代表性，表觀光學(xué)調(diào)查資料實(shí)現(xiàn)了四個(gè)季節(jié)中國近海全覆蓋，而三要素吸收系數(shù)未能實(shí)現(xiàn)多季節(jié)在中國近海全覆蓋，限于此，因此未能對(duì)其進(jìn)行季節(jié)性分布特點(diǎn)分析研究。規(guī)律性研究成果需要多個(gè)周期和大量的現(xiàn)場調(diào)查資料來驗(yàn)證，因此本文給出的研究成果是初步的，需要今后進(jìn)一步分析和驗(yàn)證。

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