膠州灣及青島近海水中顆粒物散射特性及其分類

劉曉燕，楊 倩*，陳樹果，胡連波，宗芳伊，劉巧君

1. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 2660002. 中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266000

引 言

水中粒子的散射系數(shù)和后向散射系數(shù)是衡量粒子屬性的兩個重要參數(shù)，利用水體的散射特性可以研究海水粒子的組成成分，這是近岸海洋光學(xué)研究的一個重要問題。研究表明粒子散射和后向散射系數(shù)的光譜模型都服從冪函數(shù)[1]，宋慶君等[2]利用中國黃、東海的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，得到該海區(qū)的水體總后向散射系數(shù)bb與水體總散射系數(shù)b的關(guān)系為乘冪關(guān)系。Van de Hulst[3]的研究顯示粒子的散射特性取決于粒子的大小、折射率、組成及形狀。因此，利用多個測量的光學(xué)參數(shù)可以推斷懸浮粒子的組成成分[4],海中懸浮粒子后向散射比bbp/bp可用于繪制近岸區(qū)域不同類型粒子的分布圖[5]。Zhang等[6]利用中國黃、東海的夏季現(xiàn)場光學(xué)實驗數(shù)據(jù)，計算粒子折射率信息分析了該海域的粒子組成。該研究顯示黃東海的粒子后向散射比光譜，即粒子后向系數(shù)與散射系數(shù)的比值bbp(λ)/bp(λ)，在442～676 nm不隨波長變化。McKee等[7]利用英國沿岸水體的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，通過回歸分析表明，對于礦物粒子主導(dǎo)的水體，粒子后向散射比具有光譜依賴性的。

本研究利用2014年8月和2015年10月在膠州灣及青島近海進行的兩次海洋光學(xué)現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，包括海水總吸收系數(shù)a和衰減系數(shù)c，以及粒子后向散射系數(shù)bbp。膠州灣是伸入內(nèi)陸的半封閉性海灣，屬于典型的二類渾濁水體,光學(xué)性質(zhì)較復(fù)雜,而且其富營養(yǎng)化問題突出,對其水質(zhì)進行實時有效監(jiān)測意義重大。分析了膠州灣及青島近海的水中顆粒物的散射特性，并應(yīng)用其散射特性研究了該海域的粒子組成及空間分布情況，最后研究了散射特性與懸浮顆粒物(SPM)濃度之間的關(guān)系。這是改進膠州灣及青島近海水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)生物光學(xué)反演算法、實現(xiàn)衛(wèi)星遙感監(jiān)測水質(zhì)的重要基礎(chǔ)。

1 數(shù) 據(jù)

圖1是2014年8月和2015年10月在膠州灣及青島近海進行現(xiàn)場光學(xué)實驗的站點位置圖。其中在膠州灣內(nèi)設(shè)有9個站位(JZ1—JZ9)，在青島近海設(shè)有7個站位(QD1—QD7)。其中，2015年航次不包含JZ8站位。

圖1 膠州灣及青島近海實驗站位圖Fig.1 The map of Jiaozhou Bay and Qingdao coastalexperiment stations

兩次實驗使用高光譜吸收衰減儀ac-s測量吸收系數(shù)剖面a(λ,z)和衰減系數(shù)c(λ,z)剖面，波長范圍為400～760 nm,共85個波段。實驗前對ac-s儀器進行空氣和純水校準。ac-s直接獲得水體吸收系數(shù)a(λ)和衰減系數(shù)c(λ),為了得到更為精確的吸收系數(shù)和衰減系數(shù),需對其作溫度、鹽度校正和散射校正[8-9]

amts-nw(λ)=am-nw(λ)-[Ψt(t-tr)+Ψs(s-sr)]

(1)

anw(λ)=amts-nw(λ)-amts-nw(λref)

(2)

式(1)是溫鹽校正，am-nw是測量的水體總吸收系數(shù)減去純水的吸收值，Ψt和Ψs是溫度和鹽度的校正系數(shù)，t和s分別是現(xiàn)場實測溫度和鹽度，tr和sr分別是校正的參考溫度和鹽度，amts-nw是溫鹽校正后的吸收系數(shù)； 溫鹽校正后做散射校正[式(2)],λref是散射校正的參考波長，選擇750 nm，anw是經(jīng)溫鹽和散射校正后的吸收系數(shù)。對衰減系數(shù)數(shù)據(jù)做同樣的校正處理，進而可以得到顆粒物散射系數(shù)bp(λ)=cnw(λ)-anw(λ)。

2014年8月航次實驗應(yīng)用后向散射儀BB9測得了隨水深變化的后向散射系數(shù)bbp(λ,z)剖面數(shù)據(jù)，波長為412,440,488,510,532,595,660,676和715 nm。使用Scale factor(由Wetlabs 公司提供) 校正由散射引起的衰減部分,得到117°的水體總體散射函數(shù)β(λ)，然后對體積散射函數(shù)β(λ)進行吸收校正[10]

β(λ)=βraw(λ)exp(0.031a(λ))

(3)

其中βraw(λ)和β(λ)分別是吸收校正前、后的總體散射函數(shù); 是吸收糾正前的總體散射函數(shù);a是相應(yīng)波段的校正后的吸收系數(shù)，由ac-s獲得。由校正后得到的總體散射函數(shù),減掉純水的體散射函數(shù),可獲得顆粒物的體散射函數(shù)βb(λ)，根據(jù)下列公式可得到顆粒物后向散射系數(shù)bbp(λ)

bbp(λ)=2πXβb(λ)

(4)

其中X=1.1。

2015年10月航次實驗應(yīng)用HS6測得了隨水深變化的剖面后向散射系數(shù)bbp(λ,z)數(shù)據(jù)，波長為410,442,488,532,550和640 nm。HS6測量的是水體140°方向上的體散射函數(shù)，可以計算得到后向散射系數(shù)。但由于水體的衰減作用，使得后向散射系數(shù)被低估，因此必須對測量的數(shù)據(jù)進行校正，即SIGMA校正?？衫胊c-s的吸收系數(shù)與散射系數(shù)數(shù)據(jù)進行SIGMA校正,校正過程如式(5)[11]

bbp=2πxbb[β(140)-βw(140)]

β=σ(Kbb)βu

σ(Kbb)=k1exp(kexpKbb)

Kbb=a+0.4b

(5)

其中： 2πxbb=6.79；r=4.32；λ0=525 nm；βw(λ0)=0.000 167；k1和kexp是與儀器相關(guān)的常數(shù)，可在定標文件中找到；βu是測量未校正的總體散射函數(shù)。

本研究中，計算各站位表層平均散射系數(shù)bp(λ)和后向散射系數(shù)bbp(λ)數(shù)據(jù)時，根據(jù)水深和剖面特性取深度前1～5 m內(nèi)的平均值。

2 粒子散射特性

圖2是2014年和2015年在膠州灣及青島近海測量的(a)散射系數(shù)、(b)后向散射系數(shù)的光譜曲線圖，其中紅色表示膠州灣內(nèi)站位，藍色表示青島近海站位。考慮到BB9后向散射儀在較短波段(<532 nm)的校正問題，圖2僅給出2015年HS6測量的后向散射系數(shù)光譜曲線。散射系數(shù)bp值隨波長的增大而減小，且膠州灣內(nèi)站位的散射系數(shù)bp光譜斜率(m=0.56)較青島近海站位大(m=0.44)?？偟膩碚f，膠州灣內(nèi)粒子的散射系數(shù)bp和后向散射系數(shù)bbp值普遍高于青島近海，且膠州灣內(nèi)越靠近岸邊的站位，其值越大。

Morel[1]的懸浮粒子散射系數(shù)光譜模型bp(λ)被廣泛應(yīng)用如式(6)

bp(λ)=bp(λ0)[λ/λ0]-m

(6)

利用膠州灣及青島近?，F(xiàn)場站位的bp數(shù)據(jù)擬合式(6)中的系數(shù)m，得出m的范圍在0.21～0.81之間，m的均值為0.50。

懸浮粒子后向散射系數(shù)光譜模型bbp(λ)與bp(λ)類似[1]，為

bbp(λ)=bbp(λ0)[λ/λ0]-n

(7)

利用膠州灣及青島近?，F(xiàn)場站位532～715 nm的bbp數(shù)據(jù)擬合式(7)中的系數(shù)n，得出n的范圍在0.36～0.95之間，n的均值為0.70。

圖2 2014年和2015年現(xiàn)場實驗的散射系數(shù)(a)與2015年現(xiàn)場實驗的后向散射系數(shù)(b)光譜曲線圖

海洋水色遙感中常用的是粒子后向散射系數(shù)模型，但現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量多以測量水體的散射系數(shù)為主(可由吸收系數(shù)和衰減系數(shù)計算得到)，如果知道了后向散射系數(shù)與散射系數(shù)之間的關(guān)系，那么將增加大量的后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)。利用2014年和2015年的膠州灣及青島近海的現(xiàn)場光學(xué)實驗數(shù)據(jù)，對水體后向散射系數(shù)和散射系數(shù)之間的關(guān)系進行了研究與分析。如圖3所示，以532 nm為例，對后向散射系數(shù)與散射系數(shù)進行了線性回歸(黑色曲線)和冪指數(shù)回歸(紅色曲線)兩種回歸形式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種回歸結(jié)果的相關(guān)性都很好，冪指數(shù)回歸形式略優(yōu)于線性回歸形式。值得注意的是該bbp導(dǎo)出bp的關(guān)系模型[式(8)]僅適應(yīng)于膠州灣及青島近海海域，對于具有不同顆粒物特性的水體不具有普適性。

bbp(532)=0.015bp(532)1.173

(8)

圖3 532 nm處后向散射系數(shù)與散射系數(shù)的關(guān)系模型

3 粒子折射率及分類

利用水體的散射特性可以分析水中粒子的組成。利用測量的粒子散射系數(shù)和后向散射系數(shù)，基于Twardowski[5]定義粒子折射率的公式[式(9)]研究了膠州灣及青島近海的粒子組成。

2.295 0r2+2.311 3r4]

(9)

式(9)中的r是粒子衰減系數(shù)的光譜斜率，可以用ac-s測量的去除純水貢獻的衰減系數(shù)光譜cnw(λ)擬合獲得每個站位的r；bbp可以從BB9和HS6的測量得到。代入式(9)，計算每個站位的粒子折射率np，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，膠州灣及青島近海的粒子折射率np值分布在1.097～1.197范圍內(nèi)。說明該海域水中顆粒物主要以無機礦物粒子為主。2014年夏季和2015年秋季，灣口站位(JZ1，QD1和QD7)的折射率變化不大。灣內(nèi)北部站位(JZ5，JZ6，JZ7和JZ9)的折

圖4 膠州灣及青島近海各站位點的粒子折射率np橫坐標表示站位，從左往右站位點順序依次為JZ1—9，QD1—7

射率相對較低，相比其他站位含有比例稍高的有機粒子。如果膠州灣內(nèi)以JZ5，JZ6，JZ7站位為斷面，以南水域的np值高于以北水域。這可能與環(huán)灣陸地上人類的活動狀態(tài)有關(guān)。

圖5是依次選取JZ9，JZ6，JZ3，JZ1，QD7，QD6和QD5站位為一不規(guī)則斷面(見圖1黑色實線)，計算其粒子折射率np隨站位及剖面的分布圖。可以看出在膠州灣灣口站位JZ1和QD7處，粒子折射率np大于灣內(nèi)與灣外的站位。灣內(nèi)從近岸(JZ9)到灣口(JZ1)，粒子折射率逐漸增大，灣內(nèi)粒子無機成分更多； 青島近海離岸越遠(QD7—5)，粒子折射率逐漸減小，有機粒子的成分增加。JZ6站位為靠近膠州灣大橋的站位點，粒子折射率明顯小于大橋兩邊的站位。2014年，QD6和QD5站位在7 m以下出現(xiàn)無機粒子再懸浮增大的趨勢。

圖5 2014年和2015年粒子折射率剖面分布圖Fig.5 The vertical distribution of particlerefractive index in 2014 and 2015

4 懸浮物后向散射系數(shù)與濃度的關(guān)系

基于散射特性的粒子組成分霄表明膠州灣及青島近海的粒子組成主要是無機顆粒物。因此，利用2015年海洋光學(xué)現(xiàn)場實驗中測量的懸浮物濃度SPM和后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)，研究了后向散射系數(shù)與SPM濃度的關(guān)系，如圖6所示，為基于海洋水色遙感數(shù)據(jù)的SPM濃度反演工作提供依據(jù)?？梢钥闯觯?32 nm后向散射系數(shù)與懸浮物濃度SPM之間的線性擬合結(jié)果與冪指數(shù)擬合結(jié)果的相關(guān)性都較好(相關(guān)系數(shù)分別為0.74和0.85)，但冪指數(shù)擬合的結(jié)果優(yōu)于線性擬合結(jié)果。因此，在膠州灣及青島近海海域bbp(532)與懸浮物濃度SPM的冪指數(shù)關(guān)系為

bbp(532)=0.012[SPM]1.229

(10)

圖6 532 nm的后向散射系數(shù)與SPM濃度的關(guān)系

5 結(jié) 論

利用2014年8月和2015年10月在膠州灣及青島近海進行的兩次海洋光學(xué)現(xiàn)場實驗測量的海水吸收系數(shù)a和衰減系數(shù)c，以及后向散射系數(shù)bb，分析了該海域懸浮粒子的散射特性。膠州灣內(nèi)的散射系數(shù)和后向散射系數(shù)值普遍高于青島近海； 膠州灣及青島近海海域的粒子后向散射系數(shù)和散射系數(shù)之間存在冪指數(shù)的回歸關(guān)系。利用粒子折射率信息分析了該海域的粒子組成及其空間分布情況，該海域的粒子折射率在1.097～1.197之間，粒子組成以無機礦物粒子為主。分析了后向散射系數(shù)與懸浮物濃度SPM的關(guān)系，冪指數(shù)回歸結(jié)果優(yōu)于線性回歸結(jié)果，但是SPM的實測數(shù)據(jù)量較少，后續(xù)工作將增加現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)繼續(xù)進行研究。