渤海近岸水體懸浮顆粒物對(duì)后向散射特性的影響研究

姜玲玲，段家輝，王 林，陳艷攏，高思雯，郭翔宇

1. 大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116026 2. 國家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023

引 言

懸浮顆粒物在很大程度上控制著海水固有光學(xué)特性的變化，并在水色變化中起著十分重要的作用。濃度、粒徑，是描述懸浮顆粒物的重要物理參數(shù)[1]。研究懸浮顆粒物的濃度和粒徑對(duì)水體固有光學(xué)量的影響可為水體懸浮顆粒物的遙感反演提供重要的指導(dǎo)依據(jù)，也可為我國海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)做出重要的貢獻(xiàn)。國內(nèi)外學(xué)者就顆粒物的光學(xué)特性已經(jīng)做了相關(guān)研究。主要針對(duì)以下幾個(gè)方面： 一是研究懸浮顆粒物的散射特性與后向散射特性。如顧艷鎮(zhèn)等分析了近岸水體懸浮顆粒物的散射系數(shù)與后向散射系數(shù)之間的關(guān)系[2]； 劉煒等通過在黃東海的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，研究了我國黃東海懸浮顆粒物后向散射特性[3]； 另一方面，學(xué)者們也關(guān)注了懸浮顆粒物濃度對(duì)水體固有光學(xué)量的影響。如Sawomir等做了懸浮顆粒物濃度與后向散射系數(shù)之間的關(guān)系研究，得到了它們之間的線性關(guān)系[4]； 宋慶君等和孫德勇等分別建立了黃東海近岸水體與巢湖水體的懸浮顆粒物濃度與后向散射系數(shù)之間的關(guān)系并建立模型[5-6]。此外，懸浮顆粒物組分與顆粒密度對(duì)水體固有光學(xué)量的影響也是近些年學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。如Boss等研究了水體顆粒物后向散射比的變化，并以此參數(shù)來區(qū)分顆粒物組分[1]； Astoreca等在北海南部海域進(jìn)行了后向散射特性與顆粒成分和濃度的相關(guān)性研究[7]； Neukermans等研究了后向散射系數(shù)與懸浮顆粒物顆粒密度的關(guān)系[8]； Flory等發(fā)現(xiàn)懸浮顆粒物的類型影響水體后向散射效率[9]； 周雯等通過模擬計(jì)算得出粒徑分布的變化很大程度影響散射系數(shù)及后向散射系數(shù)[10]； Wang等就渤海和黃海粒子的光束衰減和后向散射特性與顆粒粒徑特征的關(guān)系展開了研究[11]。然而，在不同季節(jié)，水體顆粒物的粒徑構(gòu)成不同，顆粒的粒徑大小、粒徑分布也有所不同，因此懸浮顆粒物對(duì)后向散射的影響特征也大不相同。本工作將結(jié)合渤海海域夏季和秋季的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，研究不同季節(jié)懸浮顆粒物粒徑組成及顆粒物濃度共同對(duì)后向散射特性的影響特征，建立相關(guān)關(guān)系模型，從而為更準(zhǔn)確地利用遙感手段獲取水體顆粒物信息奠定良好的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域及觀測(cè)站位

選取渤海海域秦皇島附近的區(qū)域。研究數(shù)據(jù)采集于2017年6月和9月，共兩個(gè)航次43個(gè)站位的采樣數(shù)據(jù)，每個(gè)斷面從河口開始布置，由于海洋受陸源輸入影響較大，從近岸由近到遠(yuǎn)呈現(xiàn)梯度變化，故采樣站點(diǎn)呈直線排布，具體夏秋季航次站位分布圖[如圖1(a,b)所示]。

圖1 測(cè)量站位分布圖 (a)： 夏季； (b)： 秋季Fig.1 Locations of the sampling station (a)： Summer; (b)： Autumn

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)量與處理

(1)顆粒物散射系數(shù)

水體光吸收-衰減系數(shù)測(cè)量?jī)xAC-S測(cè)量水體的光譜吸收系數(shù)absorption coefficient(a)和光束衰減系數(shù)beam attenuation coefficient(c)，再對(duì)吸收系數(shù)a和衰減系數(shù)c進(jìn)行溫鹽校正、散射校正和純水校正，從而可以計(jì)算出水體的總散散射系數(shù)scattering coefficient(b)

b=c-a

(1)

懸浮顆粒物的散射系數(shù)particulate scattering coefficient(bp)為總散射系數(shù)減去純水的散射系數(shù)water scattering coefficient(bw)

bp=b-bw

(2)

(2)后向散射系數(shù)

六通道后向散射測(cè)量?jī)x(HS-6)測(cè)量得到水體后向散射系數(shù)backscattering coefficient(bb)。HS-6是通過測(cè)量140°的體散射函數(shù)計(jì)算得到水體的后向散射系數(shù)water backscattering coefficient(bbw)，其測(cè)量的波長(zhǎng)分別為420，442，488，550，620和700 nm六個(gè)波段。校正后的測(cè)量值減去純水的后向散射系數(shù)即為懸浮顆粒物的后向散射系數(shù)particulate backscattering coefficient(bbp)

bbp=bb-bbw

(3)

(3)懸浮顆粒物粒徑

懸浮顆粒物粒徑的測(cè)量是由激光粒度儀LISST-100X(type B)測(cè)得懸浮顆粒物在32個(gè)粒徑下的體積濃度volume concentration of the particles in size bini(VCi)(i=1～32)，粒徑diameter(D)范圍為1.25～250 μm。各粒徑范圍粒子截面積濃度cross-sectional area concentration of the particles in size bini(ACi)由式(4)計(jì)算得出

(4)

則總粒子截面積濃度total cross-sectional area concentration(AC)為

(5)

懸浮顆粒物的平均粒徑mean diameter weighted by area(DA)

(6)

LISST-100中每組數(shù)據(jù)有32個(gè)不同粒徑值的體積濃度，水體懸浮物總體積濃度total volume concentration(VC)為不同粒徑體積濃度之和

(7)

從最小粒徑值對(duì)應(yīng)的體積濃度開始對(duì)32個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加計(jì)算，在累加和等于0.5倍VC時(shí)停止計(jì)算，此時(shí)的粒徑值即為中值粒徑median particle size(D50)。

(4)總懸浮顆粒物濃度

(8)

2 結(jié)果與討論

2.1 光譜變化分析

表1 光學(xué)參量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistics of optical parameters

圖2 各站位顆粒物后向散射系數(shù)光譜圖Fig.2 Observed particle backscattering coefficients spectral

本研究獲取了后向散射系數(shù)的光譜圖(如圖2所示)。后向散射系數(shù)bbp光譜整體隨著波長(zhǎng)的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，在低值區(qū)，其衰減程度較?。?隨著后向散射系數(shù)值的增大，衰減程度也呈增大趨勢(shì)。同時(shí)受葉綠素和水體顆粒物構(gòu)成的影響，顆粒物后向散射的光譜形狀在短波處也略有不同，與王林等在三種典型赤潮藻的散射特性研究的結(jié)果類似[14]。

圖3 各站位顆粒物比后向散射系數(shù)光譜圖Fig.3 The mass-specific backscattering coefficients spectral

圖4 后向散射系數(shù)bbp與總懸浮物濃度SPM關(guān)系圖 (a): 550 nm; (b): 700 nmFig.4 The SPM versus the backscattering coefficients (a): 550 nm; (b): 700 nm

圖5 各站位總懸浮顆粒物濃度SPM和后向散射系數(shù)變化趨勢(shì)圖Fig.5 The varieties of the SPM and particle the backscattering coefficients of each station

2.2 SPM對(duì)bbp的影響

通過上述分析，可以看出總懸浮顆粒物濃度對(duì)水體后向散射影響較大。孫德勇等利用巢湖的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)SPM和bbp呈正相關(guān)[6]； Sawomir B等也在波羅的海海域得到了相似的結(jié)論[4]； Zhang等利用黃東海的測(cè)量數(shù)據(jù)得出SPM與bbp呈線性關(guān)系，在676 nm處，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.909[15]。分別選取bbp(550)，bbp(700)與SPM建立了線性關(guān)系(如圖4所示)，可以看出，bbp整體隨SPM增大而增大，但分布較為離散，線性擬合的相關(guān)系數(shù)R2的值較小，僅為0.24和0.17，遠(yuǎn)小于Zhang等[15]所得到的結(jié)果。

研究發(fā)現(xiàn)，各波段bbp與SPM、粒徑的變化關(guān)系差異不大，同時(shí)Lee等在遙感反演的multiband quasi-analytical algorithm(QAA)半分析算法中，選取555或550 nm作為參考波段，能有效減少反演誤差，提高反演精度[16]，所以為了更好地探究SPM對(duì)bbp的變化影響，進(jìn)行了bbp(550)和SPM共同變化趨勢(shì)研究(如圖5所示)。D1和D2是6月(夏季)的站位，THK和SHK是9月(秋季)的站位。由圖5(a)和(b)可以看出，D1站位整體隨著離岸距離的增大，SPM逐漸減小，其最大值出現(xiàn)在離岸最近的位置，為12.4 mg·L-1，最小值出現(xiàn)離岸較遠(yuǎn)的站位，為4.67 mg·L-1。相應(yīng)的，bbp(550)的值變化趨勢(shì)與其基本一致，離岸由近及遠(yuǎn)，逐漸減小。D2站位離岸最近的SPM仍然最高，為15.4 mg·L-1，但是不同于D1站位，其他站位SPM并不隨離岸距離的增大而減小，離岸較遠(yuǎn)的站位SPM值也較大，為12 mg·L-1[如圖5(c)和(d)所示]，同樣受SPM的影響，bbp(550)的極值出現(xiàn)的站位與SPM的基本一致，它們整體變化趨勢(shì)大致相同，但是各別站位bbp(550)與SPM的變化趨勢(shì)則有所差異。不同于夏季，秋季站位的SPM隨著離岸距離的增大，呈現(xiàn)出不規(guī)則的變化趨勢(shì)[如圖5(e)和(g)所示]，大部分站位SPM相對(duì)較高，與胡文燁[17]在西北太平洋上層海水中測(cè)量的結(jié)果一致。同樣，大部分站位bbp(550)的變化趨勢(shì)與SPM基本一致，而各別站位略有不同[如圖5(g)，(h)所示]。同時(shí)還注意到，不同季節(jié)，SPM的濃度相近，但bbp(550)的值卻存在較大差異，因此懸浮顆粒物顆粒構(gòu)成、粒徑等可能是造成bbp(550)與SPM變化趨勢(shì)不同的主要原因。

2.3 粒徑對(duì)后向散射的影響研究

為了探究海域懸浮顆粒物的粒徑大小分布情況，本研究作出了各站位32個(gè)粒徑的體積濃度分布圖(如圖6所示)。秋季站位懸浮顆粒物以大顆粒物為主，粒徑大于100 μm的顆粒占主導(dǎo)。夏季站位粒徑分布較平均，顆粒粒徑整體比秋季站位的小。高永強(qiáng)等在長(zhǎng)江口及其鄰近海域得到的夏季以小顆粒為主[18]，胡文燁等在西北太平洋秋季測(cè)得懸浮顆粒物以大顆粒為主[17]，本研究實(shí)測(cè)結(jié)果與其相近。同時(shí)，本研究分別建立了夏季和秋季的中值粒徑D50和平均粒徑DA的回歸分析[如圖7(a)和(b)所示]。兩個(gè)季節(jié)都表現(xiàn)出DA隨D50增大而增大，夏季DA與D50呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)差異，R2為0.76，秋季兩者之間的關(guān)系不如夏季，R2僅為0.33。這主要是因?yàn)橄募舅w中不同粒徑顆粒物的體積濃度變化范圍不大，而秋季水體懸浮顆粒物的粒徑差異較大，導(dǎo)致DA與D50的分布不一致。

圖6 各站位粒徑的體積濃度分布圖Fig.6 The Volume concentration of different particle size distribution of each station

圖7 中值粒徑D50和平均粒徑DA關(guān)系圖 (a)： 夏季； (b)： 秋季Fig.7 The median particle size D50 versusthe average particle size DA (a)： Summer; (b)： Autumn

2.3.1DA對(duì)bbp的影響研究

為了研究DA對(duì)bbp的影響，針對(duì)所有站位建立DA和bbp的相關(guān)關(guān)系，由圖8發(fā)現(xiàn)二者之間的關(guān)系并不明顯。由于夏季和秋季懸浮顆粒物的粒徑構(gòu)成差異很大，本研究則針對(duì)不同季節(jié)分別建立DA與bbp的關(guān)系[如圖9(a)和(b)所示]，得出夏季，D50小于100 μm，懸浮顆粒物以小粒徑顆粒為主，這時(shí)bbp隨DA增大而增大，兩者呈非常好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.7； 秋季，D50介于100和200 μm之間，懸浮顆粒物以大粒徑顆粒為主，bbp與DA則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其隨DA的增大而減小，相關(guān)系數(shù)R2也相對(duì)較低，為0.3。Wang等[11]利用黃渤海海域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)研究了DA對(duì)顆粒物比后向散射系數(shù)之間的影響，并沒有得出明確的結(jié)論，同時(shí)針對(duì)粒徑構(gòu)成對(duì)水體顆粒物后向散射系數(shù)的研究較少，而研究發(fā)現(xiàn)水體以小顆粒為主的時(shí)，bbp隨DA增大而增大，以大顆粒為主的時(shí)，bbp隨DA增大而減小。這一結(jié)論為日后為判斷水體顆粒物構(gòu)成奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

圖8 顆粒物后向散射系數(shù)bbp和平均粒徑DA的相關(guān)關(guān)系圖Fig.8 The average particle size DA versus the backscattering coefficients

圖9 不同季節(jié)顆粒物后向散射系數(shù)bbp和 平均粒徑DA的關(guān)系圖 (a)： 夏季； (b)： 秋季

本研究進(jìn)行了D50對(duì)bbp的影響研究(如圖10所示)。同樣，D50與bbp兩者之間無良好的關(guān)系。但是當(dāng)我們針對(duì)不同季節(jié)建立了D50與bbp的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，[如圖11(a)和(b)所示]。夏季，水體懸浮顆粒物以小顆粒為主時(shí)，D50隨bbp的增大而減小，D50與bbp之間呈良好的冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.66； 秋季，水體懸浮顆粒物以大顆粒為主時(shí)，與夏季站位相同，D50也隨bbp的增大而減小，D50與bbp之間同樣呈比較好的冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.5。可見在同一季節(jié)，水體顆粒物的粒徑越小，其后向散射系數(shù)越大，這與Mie理論的結(jié)論是一致的，但是如果不分季節(jié)差異，現(xiàn)場(chǎng)水體顆粒物的粒徑構(gòu)成對(duì)bbp的影響將很難確定。

圖10 顆粒物后向散射系數(shù)bbp和中值粒徑D50相關(guān)關(guān)系圖Fig.10 The medium particle size DA versus the backscattering coefficients

圖11 不同季節(jié)顆粒物后向散射系數(shù)bbp 和中值粒徑D50相關(guān)關(guān)系圖 (a)： 夏季； (b)： 秋季

3 結(jié) 論

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，研究了現(xiàn)場(chǎng)水體顆粒物后向散射的變化特征，及其與水體總懸浮顆粒物濃度、粒徑之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(2) 夏季，水體以小顆粒為主，bbp隨DA增大而增大，兩者之間呈非常好的線性關(guān)系，R2為0.7； 而秋季，水體則以大顆粒為主，bbp隨DA增大而減小，R2僅為0.3。D50與bbp的關(guān)系則不同，兩者之間呈非常好的冪指數(shù)關(guān)系，即水體顆粒物粒徑越小，其后向散射系數(shù)越大。但是如果不分季節(jié)差異，現(xiàn)場(chǎng)水體顆粒物的粒徑構(gòu)成對(duì)bbp的影響將很難確定。

本研究在進(jìn)行總懸浮顆粒物和粒徑構(gòu)成對(duì)顆粒物后向散射的影響分析中，發(fā)現(xiàn)了季節(jié)差異，為了深入理解顆粒物對(duì)后向散射特性的影響以及日后有效地提高懸浮顆粒物的遙感反演精度，還需選取長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)并結(jié)合懸浮顆粒物構(gòu)成等信息進(jìn)行深入分析和研究。