黃海水體生物發(fā)光所致離水輻亮度變化及其與固有光學性質和深度的聯系

張雨瀟，王 希，陳樹果, 2, *，劉召偉，胡連波, 2

1.中國海洋大學海洋技術學院/三亞海洋研究院，山東 青島 266100/海南 三亞 572024 2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237 3.國家衛(wèi)星海洋應用中心，北京 100081

引 言

機械刺激下的生物發(fā)光作為全球海洋水體普遍存在的自然現象，其定量化研究(光譜特征和發(fā)光動力學特征)無論對于海洋生態(tài)還是水下目標探測均具有重要的意義[1-4]。Gordon[5]于1984年通過一些假設對生物發(fā)光的星載傳感器探測的可行性以及依賴性進行了理論上的分析。Yi等[6]對生物發(fā)光的可探測性進行深入的研究，然而這些研究都是理論上的探討。2005年，Miller等[7]利用美國防衛(wèi)氣象衛(wèi)星DMSP-OLS(夜間衛(wèi)星)成功探測到位于印度洋的著名“牛奶海”的細菌發(fā)光現象，該項研究意義重大，雖然造成該發(fā)光的生物有機體是細菌而不是浮游生物，但其研究結果證明了海洋生物發(fā)光的實際星載傳感器的可探測性，并進一步分析了星載可探測的生物發(fā)光強度的閾值范圍。Moline[8]等與Oliver[9]等圍繞機械刺激所致的生物發(fā)光的強度分布及其輻射傳輸特性展開研究，其研究結果表明，生物發(fā)光的輻射傳輸特性的決定因素分別是發(fā)光浮游生物的分布及水體的固有光學性質。黃海海域具有發(fā)光能力的生物有機體分布廣泛，數量豐富，其中部分發(fā)光生物有較高的濃度，為所在地區(qū)的優(yōu)勢物種，并且生物發(fā)光現象在黃海水體普遍存在。我國黃海受長江及黃河輸入的影響，其水體性質在時間和空間上都有著劇烈的變化，即黃海水體的固有光學性質在時間與空間分布上差異較大[10]，從而影響生物發(fā)光的輻射傳輸特性。

基于機械刺激下浮游生物發(fā)光的重要意義，Moline等圍繞美國新澤西州近岸水體展開了生物發(fā)光輻射傳輸特性的研究[8]，本研究主要圍繞固有光學性質差異較大的黃海，針對機械刺激下浮游生物發(fā)光的輻射傳輸特性展開研究。通過在黃海廣泛測量的浮游生物發(fā)光強度及固有光學性質數據，模擬水下生物發(fā)光輻射傳輸過程，分析黃海水體浮游生物發(fā)光的輻射分布特征與季節(jié)變化趨勢，并討論黃海水體固有光學性質及光源深度對浮游生物發(fā)光光譜變化的影響。

1 實驗部分

1.1 數據

1.1.1 數據來源

本研究所使用的數據包括生物發(fā)光強度(the mechanical-stimulated bioluminescence potential, MBP)以及水體固有光學性質(inherent optical properties)數據。水體固有光學性質包括吸收系數、后向散射系數和衰減系數。為了獲取上述所需的研究數據，從而研究黃海水體生物發(fā)光輻射傳輸特性，分別于2017年12月20日至次年1月10日(冬季航次)，2018年3月28日至4月16日(春季航次)、2018年7月24日至8月8日(夏季航次)，搭乘“東方紅2號”科學考察船在黃海海域測量了3個季節(jié)整個水體剖面的黃海海域生物發(fā)光強度數據以及固有光學性質數據，測量站位分布如圖1所示。

圖1 測量站位分布圖

1.1.2 測量儀器

本研究所使用的測量儀器在使用前后均進行了嚴格的實驗室定標處理。其中，生物發(fā)光分析儀(underwater bioluminescence assessment tool，UBAT)用于生物發(fā)光強度的測量。吸收系數與衰減系數采用美國 WET Labs公司研發(fā)的反射管式水體吸收衰減測量儀(spectral absorption and attenuation meter，AC-S)測量。后向散射系數采用美國WET Labs公司研發(fā)的后向散射儀(Scattering Meter，BB9)測量。使用溫鹽深剖面儀Seabird SBE19 PLUS 進行同步測量水體溫度、鹽度以及深度信息。對于AC-S，利用同步測量的溫度和鹽度數據進行溫度和鹽度校正，然后根據散射誤差與相應波段散射系數之間的比例關系進行散射校正。對于BB9，使用校正后的AC-S數據進行路徑補償校正。儀器手冊給出了上述儀器的具體校正方法及數據的具體處理方法，本文不再贅述[11-13]。將以上儀器安裝固定在光學剖面籠中，使用絞車以0.15 m·s-1的下降速度將光學剖面籠從水面下放至海底3 m以上深度(避免儀器觸底遭受損壞)，從而獲取水體生物發(fā)光強度和固有光學性質等從表層至底層的連續(xù)剖面測量數據。

1.1.3 水下光學深度

光學深度τ定義如式(1)所示，與幾何深度z、衰減系數c以及波長有關，其中，z1為ACS測量剖面初始水深，z2為光源的幾何深度，本研究所計算的為不同幾何深度，不同峰值波長下的光學深度。

(1)

1.2 生物發(fā)光輻射傳輸模擬方法

水下生物發(fā)光所產生的離水輻射強度和光譜形狀與水體衰減系數有關[14]。因此，為了揭示固有光學性質對生物發(fā)光所致離水輻亮度(Lw-bio)的幅值以及光譜變化的影響，本研究使用Hydrolight(v5.0)輻射傳輸軟件[15-16]，通過以下步驟進行輻射傳輸模擬，得到Lw-bio，從而構建生物發(fā)光模型。

(1)將實測浮游生物發(fā)光測量剖面劃分為以1 m深度為間隔的多個水下發(fā)光源，將相應的輸入數據按1 m間隔進行插值，實測數據從水下3 m起至海底3 m以上。

(2)輸入參數：將實測黃海海域固有光學性質作為輸入，使用Pope等所提供的純水吸收系數[17]，體積散射函數由測量的bb(λ)/b(λ)根據Petzold計算[18]，bb(λ)為水體后向散射系數，b(λ)為水體總散射系數。本研究僅針對生物發(fā)光現象，因此需排除外部光源的影響，為此采用夜間模式，將太陽輻射設置為0，確保模擬所得輻亮度僅來自于生物發(fā)光。表1給出了Hydrolight輻射傳輸模型輸入參數的配置情況。

(3)生成Lw-bio：不同生物體所產生的生物發(fā)光光譜是不同的，而對于黃海海域，引起生物發(fā)光的生物主要是甲藻，Moline等使用已知的光譜從甲藻等生物發(fā)光光譜中對生物發(fā)光譜進行了光譜重建[8]。因此，本研究使用Moline構建的光譜將MBP通過式(2)轉化為不同波長下的能量形式E(W·m-3·nm-1)。其中h為普朗克常量，值為6.63×10-34J·s，c為光速，值為3×108m·s-1，P(percent of total photons)為Moline構建的光譜中光子數在不同波長下所占百分比，λ為波長，波長范圍350～680 nm。E作為生物發(fā)光輻射傳輸模型的光源輸入，通過輻射傳輸方程[19]，最終得到光譜Lw-bio。其中，2.1節(jié)中所使用的Lw-bio為Lw-bio光譜積分所得。

E=hc×MBP×P/λ

(2)

2 結果與討論

2.1 黃海水體生物發(fā)光所致離水輻亮度幅值季節(jié)變化及空間變化特征

通過Lw-bio，結合實測MBP分析黃海水體Lw-bio幅值的分布特征。圖2—圖4展示了黃海海域不同季節(jié)不同光源深度下Lw-bio空間分布(不同海域水深不同，為確保不同深度下均有數據，選取4，8和15 m深度為發(fā)光光源)。

圖2 春季黃海海域光源深度為4 m(a)，8 m(b)，15 m(c)時Lw-bio空間分布

圖3 夏季黃海海域光源深度為4 m(a)，8 m(b)，15 m(c)時Lw-bio空間分布

圖4 冬季黃海海域光源深度為4 m(a)，8 m(b)，15 m(c)時Lw-bio空間分布

由圖2，春季黃海海域Lw-bio高值區(qū)位于山東半島威海附近海域、山東半島以南海域以及北黃海東北部海域，上述海域衰減系數較低，發(fā)光浮游生物豐度較高，MBP在整個黃海海域處于較高水平[18]。北黃海中部海域、山東半島東南部近岸海域以及南黃海東部海域的Lw-bio處于較低的水平。隨著光源深度的增加，春季黃海海域的Lw-bio幅值僅在數值上呈現減小趨勢，分布特征并未出現明顯的變化。整體上，春季Lw-bio幅值呈近岸高遠岸低的特征。

由圖3，夏季黃海海域Lw-bio低值區(qū)集中在北黃海海域與山東半島東部海域，高值區(qū)位于南黃海海域，當光源深度為4 m時，Lw-bio的分布特征呈北低南高。隨著海水深度增加，MBP含量發(fā)生改變，當光源深度加深時，Lw-bio分布特征也發(fā)生了改變：光源深度為8 m時，低值區(qū)由山東半島東部海域延伸至山東半島南部海域及南黃海中部海域，高值區(qū)縮小至南黃海東部海域；光源深度為15 m時，低值區(qū)縮減至南黃海東北海域。不同光源深度下，夏季Lw-bio分布呈現差異，整體上，呈現南部高北部低的特征。

在鋼結構橋梁工程施工中，對于鋼結構構件，可由加工工廠統(tǒng)一制作，各個結構的精準度和質量比較高。另外，鋼結構重量比較小，結構連接形式簡單，運輸便捷。通過橋梁上部結構與下部結構同事實施施工，可縮短施工周期。

由圖4，在冬季黃海海域，當光源深度位于為水下4 m時，低值區(qū)分別出現在北黃海中部、南黃海南部海域以及山東半島東南部近岸海域。高值區(qū)位于北黃海東北部海域和山東半島以南海域。隨著生物發(fā)光光源深度的加深，冬季黃海海域的Lw-bio僅在數值上呈現減小趨勢，分布特征并未出現明顯的變化。整體上，冬季黃海海域Lw-bio呈現中部高南部低的特征。

三個季節(jié)的Lw-bio空間分布特征呈現較大差異，Lw-bio季節(jié)變化趨勢十分顯著。自冬季至春季，山東半島威海附近海域Lw-bio由低值區(qū)轉為高值區(qū)，南黃海東部海域的Lw-bio轉變?yōu)榈椭祬^(qū)，總體特征由中部高南部低轉變?yōu)榻陡哌h岸低(西部高東部低)。自春季至夏季，山東半島東南部近岸海域Lw-bio始終保持較低水平，北黃海東北部海域、山東半島以南海域和山東半島威海附近海域Lw-bio由高值區(qū)變?yōu)榈椭祬^(qū)，南黃海東部海域Lw-bio由低值區(qū)變?yōu)楦咧祬^(qū)，分布特征由近岸高遠岸低(西部高東部低)轉變?yōu)槟喜扛弑辈康汀?/p>

光源深度為4 m時(表2)，春季Lw-bio范圍在4.59×10-10～2.60×10-4W·m-2·sr-1之間，平均值為2.84×10-5W·m-2·sr-1，夏季Lw-bio范圍在7.86×10-9～4.71×10-3W·m-2·sr-1之間，平均值為2.69×10-4W·m-2·sr-1，冬季Lw-bio范圍在1.81×10-9～1.39×10-4W·m-2·sr-1之間，平均值為1.50×10-5W·m-2·sr-1。隨著光源深度加深，Lw-bio整體呈減小趨勢。當光源深度一定時，自冬季至春季，春季至夏季，Lw-bio依次增大，具有顯著季節(jié)變化特征。引起Lw-bio幅值變化的主要原因有以下兩點：(1)由表3可知，發(fā)光浮游生物MBP由冬季至夏季逐漸增大；(2)固有光學性質影響著Lw-bio幅值，由實測數據及前人研究[10]可知，黃海海域吸收系數、衰減系數、及后向散射系數由冬季至夏季逐漸減小。

表2 不同季節(jié)不同光源深度下Lw-bio分布

表3 不同季節(jié)不同光源深度下MBP分布

2.2 黃海水體生物發(fā)光所致離水輻亮度的光譜變化

生物發(fā)光光譜呈近高斯分布特征，生物發(fā)光光源處所產生的上行生物發(fā)光輻亮度(Lu-bio)峰值波長在474 nm附近，隨著光傳輸至海面，Lw-bio峰值波長發(fā)生改變，圖5匯總了三個季節(jié)黃海海域不同發(fā)光源深度下Lw-bio的光譜分布。在不同海域、不同深度下，Lw-bio峰值波長漂移(Δλ)的范圍在2～104 nm。一方面，Δλ隨著光源深度加深而增大；另一方面，Δλ與固有光學性質也有緊密的聯系：結合實測固有光學性質數據，在水體剖面不包含純水的488 nm波段衰減系數(c488)低于1 m-1，吸收系數(a488)低于0.15 m-1，后向散射系數(bb488)低于0.02 m-1的海域，Δλ小于30 nm；在c488介于1～5 m-1之間，a488介于0.15～0.3 m-1之間，bb488介于0.02～0.1 m-1之間的海域，Δλ介于30～70 nm；在c488大于5 m-1，a488大于0.3 m-1，bb488大于0.1 m-1的海域，Δλ大于70 nm。較大的衰減系數可使得峰值波長由藍光波段變?yōu)榫G光波段(474 nm附近移動至578 nm附近)。而在衰減系數較小的水體中，輻亮度光譜變化較弱，若光源位于水深10 m以內，其Δλ僅在5 nm以內，即使光源位于水深30 m以下，其峰值波長最大僅漂移26 nm，仍在藍光波段范圍內。

圖5 黃海海域不同發(fā)光源深度下Lw-bio光譜(不同曲線代表不同深度)

Moline等基于新澤西州近岸水體的實測生物發(fā)光數據進行輻射傳輸模擬，并指出隨著生物發(fā)光光源深度的增加，Lw-bio峰值波長由藍光波段移動至綠光波段，波長漂移大于90 nm。本研究模擬了固有光學性質差異較大的黃海海域生物發(fā)光輻射傳輸過程，結果表明，Δλ不僅與光源幾何深度有關，與固有光學性質也存在緊密的聯系：在固有光學性質其值較大的水體，隨著光源深度的增加，其Δλ大于90 nm，而清潔水體中發(fā)光生物所產生的Δλ小于30 nm。

2.3 黃海水體生物發(fā)光光源的幾何深度及光學深度與Lw-bio的聯系

為了更好地將本研究應用于其他領域，如生物發(fā)光的光源反演，本研究分析了光源的光學深度τ和幾何深度d分別與Δλ及峰值Lw-bio的關系。圖6與圖7分別展示了τ，d，與Δλ及峰值Lw-bio之間的聯系：(1)從平均值上看，Δλ隨著τ的增大而增大，與d無顯著的遞增或遞減關系；從整體上看，在不同海域，由于固有光學性質的差異，即使光源的幾何深度或光學深度相同，Δλ也呈現較大波動。(2)峰值Lw-bio與τ以及d存在一定的關系：峰值Lw-bio隨著τ與d的加深而減小。基于此，使用τ與d分別與Δλ及峰值Lw-bio進行二元線性擬合，結果如圖8和圖9所示。d與Δλ及Log10(Lw-bio)二元擬合的決定系數R2=0.64，均方根誤差RMSE=9.39，擬合關系為d=17.42-16.91Log10(Lw-bio)-7.458Δλ。τ與Δλ及Log10(Lw-bio)二元擬合的決定系數R2=0.90，均方根誤差RMSE=4.99，擬合關系為τ=14-14.47Log10(Lw-bio)+1.18Δλ，τ包含了水體的固有光學性質信息及峰值波長信息，因此τ的擬合結果優(yōu)于d。

圖6 幾何深度d、Δλ以及峰值Lw-bio的變化

圖7 光學深度τ、Δλ以及峰值Lw-bio的變化

圖8 幾何深度d與Δλ及峰值Lw-bio擬合結果

圖9 光學深度τ與Δλ及峰值Lw-bio擬合結果

基于上述結論，本研究考慮將光譜Lw-bio作為輸入，用于增加水體光學信息及光譜信息，以此討論生物發(fā)光光源的幾何深度反演可行性。本節(jié)構建了簡單的神經網絡模型，將模擬所得光譜Lw-bio(波長數44)作為輸入，輸出為光源的幾何深度。結果如圖10與圖11所示，回歸系數R=1.00，均方誤差MSE=0.14，最大誤差為1.84 m(由圖11可知)，且超過97%的數據，其誤差小于1 m，反演精度顯著提升。

圖10 生物發(fā)光光源的幾何深度反演結果(直線為1∶1線)

圖11 幾何深度反演結果誤差統(tǒng)計(誤差=實際值-預測值)

本節(jié)僅對光譜Lw-bio與幾何深度的關系進行了初步的神經網絡擬合，結果表明，生物發(fā)光光源的幾何深度可以通過神經網絡模型，由光譜Lw-bio反演所得。在未來，我們將圍繞反演深度所需的最少波長數，展開進一步的研究。

3 結 論

利用在不同季節(jié)獲取的黃海水體生物發(fā)光強度數據，結合同步測量的固有光學性質數據，基于輻射傳輸模擬，分析了生物發(fā)光所致離水輻亮度(Lw-bio)的數值變化和光譜變化特征，并討論其與固有光學性質及生物發(fā)光所處深度的聯系。

主要結論如下：

(1)隨著光源深度加深，Lw-bio整體呈減小趨勢。當光源深度一定時，自冬季至春季，春季至夏季，Lw-bio依次增大，具有顯著季節(jié)變化特征。在空間變化方面，春季黃海海域Lw-bio幅值分布呈近岸高遠岸低的特征，夏季分布呈現南部高北部低的特征，冬季分布呈現中部高南部低的特征。

(2)在光譜變化方面，Δλ隨著光源深度加深而增大，并與固有光學性質有緊密的聯系：在c488低于1m-1，a488低于0.15 m-1，bb488低于0.02 m-1的海域，Δλ小于30 nm；在c488介于1～5 m-1之間，a488介于0.15～0.3 m-1之間，bb488介于0.02～0.1 m-1之間的海域，Δλ介于30～70 nm；在c488大于5 m-1，a488大于0.3 m-1，bb488大于0.1 m-1的海域，Δλ大于70 nm。較大的衰減系數可使得峰值波長由藍光波段變?yōu)榫G光波段(474 nm附近移動至578 nm附近)。而在衰減系數較小的水體中，輻亮度光譜變化較弱，若光源位于水深10 m以內，其Δλ僅在5 nm以內，即使光源位于水深30 m以下，其峰值波長最大僅漂移26 nm，仍在藍光波段范圍內。

(3)黃海海域寬泛的固有光學性質對生物發(fā)光光源的幾何深度反演影響較大，但可通過Lw-bio的光譜信息，反演光源的幾何深度。

致謝：感謝“東方紅2號”科考船上工作人員的支持，感謝出海期間所有采集數據的人，感謝課題組薛程、史鑫皓、李藝師、甘思銘四位同學的幫助。