東中國(guó)海水體懸浮顆粒物的光譜吸收特征研究

魏蘭蘇 孫德勇 李楠

【摘 要】深入了解水體光譜吸收特征，對(duì)于建立水色遙感光學(xué)模型，提高水色遙感的定量反演精度具有重要作用。本文結(jié)合2016年9月以及12月兩班航次的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算并比較東中國(guó)海三個(gè)海域的懸浮顆粒物的吸收系數(shù)、比吸收系數(shù)，再結(jié)合葉綠素a濃度及總懸浮顆粒物濃度對(duì)吸收特征進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，總懸浮顆粒物的光譜吸收特性、比吸收特性均與浮游藻類顆粒物的類似，其在波段440nm和675nm有明顯的吸收峰，非藻類顆粒物吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)增加而不斷減??；從整體上來(lái)看，渤海的吸收系數(shù)最大，黃海次之，東海最小。

【關(guān)鍵字】東中國(guó)海；懸浮顆粒物；吸收特征；比吸收特征

中圖分類號(hào)： P733.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）21-0058-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.027

【Abstract】Spectral absorption characteristics of water plays an important role in establishing an optical remote sensing of ocean color model and improving the accuracy of water color remote sensing quantitative inversion. Based on the measured data of two voyages in September 2016 and December， the absorption coefficient and specific absorption coefficient of suspended particles in the three sea areas of the East China Sea were calculated and compared， and the absorption characteristics were analyzed with the concentration of chlorophyll a and the concentration of total suspended particles. The results show that the spectral absorption and specific absorption properties of the total suspended particles are similar to those of the planktonic algae particles. The absorption peaks of the particles in the band 440nm and 675nm are obvious， and the absorption coefficient of nonalgal particles decreases with the increase of the wavelength. On the whole， the absorption coefficient of Bohai Sea is the largest， followed by the Yellow Sea， and the East China Sea is the smallest.

【Key words】East China Sea； Particulates； Absorption characteristics； Specific absorption characteristics

0 引言

東海、渤海和黃海的光學(xué)性質(zhì)不僅受到浮游植物及其降解物的影響，還與溶解物質(zhì)與陸源性懸浮顆粒物有關(guān)[1]，因此這三個(gè)海域均為典型的Ⅱ類水體，總懸浮顆粒物的濃度較高[8]。懸浮顆粒物影響著海水固有光學(xué)特性的變化，同時(shí)也在沿岸水域中起到重要作用[2-3]。除此之外，懸浮顆粒物中的浮游藻類物質(zhì)通過(guò)光合作用固定光能，從而影響水體的初級(jí)生產(chǎn)力[4]。懸浮顆粒物的光譜吸收特性通常由吸收系數(shù)表征，是水色遙感中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。因此，準(zhǔn)確測(cè)量水體中懸浮顆粒物光譜吸收系數(shù)，并研究懸浮顆粒物的光譜吸收特性，對(duì)于建立水色遙感光學(xué)模型、初級(jí)生產(chǎn)力估算和模擬生態(tài)過(guò)程具有重要意義[5]。

吸收系數(shù)是固有光學(xué)量之一，國(guó)內(nèi)外已有較多針對(duì)水體懸浮顆粒物吸收特征的研究。朱建華等學(xué)者[25]在對(duì)黃東海海區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)總懸浮顆粒物與浮游植物色素吸收系數(shù)光譜曲線相似，并得到浮游植物是懸浮顆粒物的主要組成部分，非色素吸收系數(shù)光譜呈e指數(shù)衰減趨勢(shì)的結(jié)論；王桂芬等學(xué)者[26]在對(duì)南海北區(qū)的研究中，發(fā)現(xiàn)表層水體的非藻類顆粒物吸收系數(shù)與總懸浮顆粒物濃度有線性關(guān)系；Wang Yuan-Dong等學(xué)者[1]在對(duì)查干湖的研究中發(fā)現(xiàn)總懸浮顆粒物與非色素顆粒物光譜吸收水平較高，浮游藻類吸收系數(shù)與葉綠素a濃度存在冪函數(shù)關(guān)系，浮游藻類比吸收系數(shù)與葉綠素a存在非線性關(guān)系；孫德勇等學(xué)者[5]在對(duì)太湖梅梁灣的研究中發(fā)現(xiàn)，非藻類顆粒物的光譜吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化遵循指數(shù)衰減規(guī)律，浮游藻類顆粒物吸收與葉綠素a濃度有關(guān)。

結(jié)合前人的研究，本文通過(guò)研究總懸浮顆粒物、浮游藻類顆粒物、非藻類顆粒物的光譜吸收特性與比吸收特性，同時(shí)結(jié)合葉綠素a濃度和總懸浮顆粒物濃度，進(jìn)一步分析其與浮游藻類顆粒物和總懸浮顆粒物光譜吸收特征的關(guān)系，得到東中國(guó)海的光譜吸收特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取方法

1.1.1 測(cè)量站位

本文的研究數(shù)據(jù)來(lái)源于2016年9月以及12月的國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的公開(kāi)航次。每個(gè)站位主要針對(duì)水體的吸收系數(shù)、懸浮顆粒物濃度、懸浮顆粒物粒徑、散射系數(shù)、后向散射系數(shù)等參量展開(kāi)測(cè)量。航次站位分布分別如圖1所示。

1.1.2 吸收系數(shù)的測(cè)量

目前我國(guó)測(cè)定水體懸浮顆粒物吸收系數(shù)大多采用 T方法[6]。T方法無(wú)法解決水樣的濾膜后向散射問(wèn)題，同時(shí)東中國(guó)海近岸水體渾濁度高，測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大誤差。因此，為了解決散射等參數(shù)造成的問(wèn)題，本文采用T-R方法，測(cè)量水樣中濾膜的透射率和反射率，可以明顯降低散射等參數(shù)造成的問(wèn)題。

將含有樣品的濾膜浸入甲醇溶液中[27]，對(duì)其進(jìn)行處理直至將膜上的色素都萃取出來(lái)并去除。此時(shí)，只剩下非藻類顆粒物留在膜上，用同樣的方式得到非藻類顆粒物的吸收系數(shù)ad（λ）。而浮游藻類顆粒物的吸收系數(shù)aph（λ）則憑據(jù)線性疊加原理，可以通過(guò)總懸浮物顆粒物的吸收系數(shù)ap（λ），減去非藻類顆粒物的吸收系數(shù)ad（λ）的光譜吸收系數(shù)計(jì)算得到[17]。

1.1.3 懸浮顆粒物濃度的測(cè)量

懸浮顆粒物的濃度（TSM）根據(jù)“海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范”稱量得到[20]。將總懸浮顆粒物的質(zhì)量與水樣的體積相除，即可得到總懸浮物濃度[19]，總懸浮顆粒物的濃度的計(jì)算公式如下：

1.1.4 葉綠素a濃度的測(cè)量

本文中采用萃取的方法測(cè)定海水中葉綠素a（chl-a）的濃度，首先在抽濾裝置的濾器中放入濾膜（玻璃纖維濾膜或混合纖維酯微孔濾膜）。抽濾后，用鑷子小心拿出濾膜，將其對(duì)折（向里的一面有藻類樣品），接著使用濾紙對(duì)其吸壓，除去濾紙上的水分。然后將濾膜靜置在100%的二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，在0℃的條件下萃取24h后，將膜取出，放入Trilogy熒光儀中測(cè)出熒光值，利用標(biāo)定的曲線，即可得到葉綠素a的濃度[21]。

1.1.5 比吸收系數(shù)的測(cè)量

目前已有的對(duì)海洋水體中非藻類顆粒物的比吸收特征的研究中，發(fā)現(xiàn)總懸浮顆粒物的比吸收系數(shù)a*p（λ）與總懸浮顆粒物的濃度（TSM）有關(guān)，它的比吸收系數(shù)a*p（λ）可由計(jì)算得到，滿足以下公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 懸浮顆粒物的吸收特征

2.1.1 總懸浮顆粒物的吸收光譜特征

水體中，懸浮顆粒物的光譜吸收由兩部分組成：浮游藻類顆粒物吸收和非藻類顆粒物吸收。受這兩部分影響大小和方面不同，懸浮顆粒物會(huì)呈現(xiàn)出不同的特性。東海、渤海、黃海的總懸浮顆粒物的吸收光譜曲線如圖2所示，三個(gè)海域的曲線都在440nm和675nm左右出現(xiàn)吸收峰，在600nm附近吸收系數(shù)達(dá)到最低值[24]，675nm波段附近比440nm波段附近的吸收峰更加明顯，可能是因?yàn)榉窃孱愵w粒物對(duì)吸收系數(shù)的影響在440nm處不明顯。同時(shí)，吸收系數(shù)的大小也受到不同海域的影響，東海、渤海和黃海的ap（440）分別為0-0.25m-1、0-0.4m-1、0-0.375m-1，ap（675）分別為0-0.15m-1、0-0.175m-1、0-0.15m-1，由此可以看出：總體上渤海的總懸浮顆粒物吸收系數(shù)最大，黃海次之，東海最小，可能是由于渤海的浮游藻類顆粒物的含量較高且無(wú)機(jī)顆粒物含量較低。

對(duì)三個(gè)海域的ap（440）與總懸浮顆粒物濃度做統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)海域之間存在差異，結(jié)果表明渤海和黃海的總懸浮顆粒物吸收系數(shù)與其濃度存在正相關(guān)，而東海則存在負(fù)相關(guān)，但三個(gè)海域二者的相關(guān)性均不大，可以說(shuō)明渤海和黃海海域的總懸浮顆粒物吸收系數(shù)均隨其濃度的增加而增大，而東海海域則存在減小的趨勢(shì)。

2.1.2 浮游藻類顆粒物的吸收光譜特征

浮游植物通過(guò)光合作用固定光能，從而影響水體的初級(jí)生產(chǎn)力。東海、渤海、黃海的浮游藻類顆粒物的吸收光譜曲線與總懸浮顆粒物趨勢(shì)和形狀大致類似，但比總懸浮顆粒物的變化更加明顯，且在675nm處浮游藻類顆粒物與總懸浮顆粒物吸收系數(shù)較為接近。再看不同海域?qū)ξ障禂?shù)的影響，東海、渤海和黃海的aph（440）分別為0.025-0.15m-1、0.025-0.325m-1、0.025-0.225m-1，aph（675）分別為0.01-0.075m-1、0-0.2m-1、0-0.15m-1，從結(jié)果可以分析出：渤海的浮游藻類顆粒物吸收系數(shù)最大，黃海次之，東海最小[23]，且渤海的浮游藻類顆粒物吸收系數(shù)變化范圍在三個(gè)海域中最大，可能是由于渤海為瓶頸式的半封閉內(nèi)海，又與多條河流相連，自然資源豐富，浮游藻類顆粒物濃度較高[28]。

浮游藻類吸收系數(shù)會(huì)受到葉綠素a濃度的影響并隨其變化，因此對(duì)三個(gè)海域的aph（440）與葉綠素a濃度做統(tǒng)計(jì)分析（圖3），結(jié)果得到東海、渤海和黃海的浮游藻類顆粒物吸收系數(shù)與葉綠素a濃度均有較好的正相關(guān)性，即三個(gè)海域的浮游藻類吸收系數(shù)均隨著葉綠素a濃度增加有增大的趨勢(shì)。其中，葉綠素a的濃度變化與水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)變化有關(guān)。

2.1.2 非藻類顆粒物的吸收光譜特征

非藻類顆粒物包括水體礦物沉積、藻類細(xì)胞降解物、排泄物、非色素有機(jī)物等。三個(gè)海域的非藻類顆粒物吸收系數(shù)ad隨波長(zhǎng)的增加而不斷減小。東海、渤海和黃海的ad（440）分別為0-0.15m-1、0-0.3m-1、0-0.14m-1，渤海的非藻類顆粒物吸收系數(shù)為三個(gè)海域中最高，黃海次之，東海最小，可能是因?yàn)椴澈：休^多來(lái)自內(nèi)陸的無(wú)機(jī)顆粒物，導(dǎo)致非藻類顆粒物濃度較高，微生物分解活動(dòng)加強(qiáng)[24]。

2.2 懸浮顆粒物的比吸收光譜特征

2.2.1 總懸浮顆粒物的比吸收光譜特征

總體上三個(gè)海域的總懸浮顆粒物的比吸收系數(shù)a*p與吸收系數(shù)ap曲線特征相似。不同海域?qū)Ρ任障禂?shù)的影響不同，東海、渤海和黃海的a*p（440）分別為0.01-0.13m2·mg-1、0-0.08m2·mg-1、0-0.0065m2·mg-1，a*p（675）分別為0-0.06m2·mg-1、0-0.03m2·mg-1、0-0.03m2·mg-1，總體上三個(gè)海域的總懸浮顆粒物比吸收系數(shù)相差不大。

對(duì)三個(gè)海域440nm處的總懸浮顆粒物比吸收系數(shù)a*p（440）與總懸浮顆粒物濃度做統(tǒng)計(jì)分析，從結(jié)果可以看出：在渤海和黃海海域，a*p（440）與總懸浮顆粒物的濃度間沒(méi)有明顯的相關(guān)性，而東海海域則存在正相關(guān)，說(shuō)明渤海和黃海的總懸浮顆粒物的比吸收系數(shù)相對(duì)較為恒定，東海海域的總懸浮顆粒物吸收系數(shù)隨其濃度的增加而增加。

2.2.2 浮游藻類顆粒物的比吸收光譜特征

地區(qū)、季節(jié)、環(huán)境的差異會(huì)造成葉綠素a濃度和浮游植物吸收光的能力變化，從而影響浮游藻類顆粒物的比吸收系數(shù)a*ph[23]。東海、渤海和黃海的浮游藻類顆粒物與總懸浮顆粒物的光譜比吸收系數(shù)曲線相似，東海、渤海和黃海的a*ph（440）分別為0.03-0.09m2·mg-1、0.035-0.09m2·mg-1、0.025-0.075m2·mg-1，a*ph（675）分別為0.015-0.04m2·mg-1、0.02-0.04m2·mg-1、0.015-0.035m2·mg-1，總體上東海、渤海、黃海的浮游藻類比吸收系數(shù)無(wú)明顯差異，表明這三個(gè)海域的營(yíng)養(yǎng)水平相近。

當(dāng)葉綠素a濃度增加時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生色素包裹效應(yīng)。對(duì)三個(gè)海域的浮游藻類顆粒物比吸收系數(shù)a*ph與葉綠素a濃度做統(tǒng)計(jì)分析（圖4），a*ph（440）與葉綠素a的濃度間存在微弱的相關(guān)性，雖然三個(gè)海域浮游藻類比吸收系數(shù)隨葉綠素a濃度增加均有減小的趨勢(shì)，但浮游藻類顆粒物比吸收系數(shù)相對(duì)較為恒定。這是由于海水營(yíng)養(yǎng)程度的增加，使得浮游植物色素濃度的增加更加明顯，促進(jìn)了色素的包裹效應(yīng)，使得浮游植物比吸收系數(shù)下降[23]。

3 討論

東海、渤海和黃海的總懸浮顆粒物與浮游藻類顆粒物的光譜吸收特性類似：整體上，渤海的吸收系數(shù)最大，黃海次之，東海最小?？赡苡捎诓澈槠款i式的半封閉內(nèi)海，又與多條河流相連，自然資源豐富，浮游藻類顆粒物濃度較高。另外，非藻類顆粒物吸收系數(shù)隨著波長(zhǎng)增加而不斷減小。其中，渤海的非藻類顆粒物的吸收系數(shù)較高，黃海次之，東海最小。可能是因?yàn)椴澈Ｖ杏休^多來(lái)自內(nèi)陸的無(wú)機(jī)顆粒物，使得非藻類顆粒物濃度較高，微生物分解活動(dòng)較強(qiáng)。東海、渤海與黃海的浮游藻類顆粒物吸收系數(shù)與葉綠素a的濃度有良好的正相關(guān)性，朱建華[25]等學(xué)者對(duì)黃海和東海懸浮顆粒物吸收特性的研究結(jié)果與本文相同，說(shuō)明本文關(guān)于這兩個(gè)海域的研究結(jié)果基本正確。王曉梅[8]等學(xué)者關(guān)于東海和黃海的研究中的總吸收系數(shù)光譜圖變化趨勢(shì)與本文并不相同，可能是因?yàn)楸疚脑谔幚頂?shù)據(jù)的過(guò)程中，忽略了空間和時(shí)間上水面粗糙度以及光照的影響。

東海、渤海和黃海的總懸浮顆粒物的光譜比吸收特性與浮游藻類顆粒物的相似，總體上各個(gè)海域的比吸收系數(shù)相差不大，說(shuō)明三個(gè)海域的營(yíng)養(yǎng)水平類似。受色素包裹效應(yīng)的影響，三個(gè)海域的浮游藻類顆粒物比吸收系數(shù)與葉綠素a濃度的相關(guān)性較差。孫德勇[5]等學(xué)者關(guān)于太湖懸浮顆粒物的比吸收特性研究中浮游藻類顆粒物的比吸收光譜圖與本文大致相同，使本文結(jié)論得到驗(yàn)證，然而孫德勇[5]等學(xué)者發(fā)現(xiàn)在太湖浮游藻類比吸收系數(shù)與葉綠素a的濃度有較好的的冪函數(shù)關(guān)系，這可能是因?yàn)閮?nèi)陸湖泊營(yíng)養(yǎng)水平比海洋高，藻類粒級(jí)結(jié)構(gòu)不同，由其導(dǎo)致的色素包裹效應(yīng)使比吸收系數(shù)發(fā)生的變化不同。

4 結(jié)論與展望

本文主要研究了東海、渤海和黃海的懸浮顆粒物的光譜吸收特征，結(jié)合2016年9月以及12月兩班航次的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算了東海、渤海和黃海的總懸浮顆粒物、浮游藻類顆粒物和非藻類顆粒物的吸收系數(shù)、比吸收系數(shù)，分析了不同波段不同海域的光譜吸收特征，并且結(jié)合葉綠素a濃度及總懸浮顆粒物濃度分析它們之間的關(guān)系。結(jié)果表明：整體來(lái)看，東海、渤海和黃海的總懸浮顆粒物與浮游藻類顆粒物具有類似光譜吸收特性和比吸收特性，在440nm和675nm附近出現(xiàn)吸收峰，且由于非藻類顆粒物的影響，675nm處較為明顯，在600nm附近吸收系數(shù)或比吸收系數(shù)達(dá)到最低值。渤海的吸收系數(shù)最大，黃海次之，東海最小；各個(gè)海域的比吸收系數(shù)相差不大，說(shuō)明三個(gè)海域的營(yíng)養(yǎng)水平類似；非藻類顆粒物吸收系數(shù)隨著波長(zhǎng)的增加而不斷減小。其中，渤海的非藻類顆粒物的吸收系數(shù)較高，黃海次之，東海最小。

在對(duì)東海、渤海和黃海懸浮顆粒物光譜吸收特征的研究過(guò)程中，由于數(shù)據(jù)量等原因，本文只對(duì)各種吸收系數(shù)、比吸收系數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單計(jì)算，并沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常值的原因進(jìn)行更深入的剖析，下一步會(huì)采用更加細(xì)致的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入處理。

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