中国近海海洋光学特性及其分布*

2014-12-02汪小勇李铜基周虹丽毕大勇

中国海洋大学学报（自然科学版） 2014年1期

汪小勇，李铜基，周虹丽，毕大勇

（国家海洋技术中心，天津 300112）

海洋光学（可见光、近红外波段部分）主要研究海洋水体对光辐射的反射、散射、吸收等性质及光辐射在海洋中的传播规律。固有光学性质（Inherent Optical Properties，IOP’s）是只由介质本身决定的光学性质，它独立于介质的环境光场，其代表性参数为水体总吸收系数、水体主要成分吸收系数（黄色物质吸收系数、浮游植物色素吸收系数、悬浮颗粒物吸收系数）、衰减系数、散射系数、后向散射系数等；表观光学性质（Apparent Optical Properties，AOP’s）是由介质与环境光场几何结构共同决定的光学性质，其代表性参数有：离水辐亮度、遥感反射比、水中下行辐照度漫衰减系数等。影响水体光学性质的物质主要有3类，分别是浮游植物、有色溶解有机物（也称黄色物质）和无机悬浮颗粒物（主要指悬浮泥沙），这些水色要素的浓度与种类的变化不同，对光学性质的影响也不相同。

随着遥感技术的发展，光学（水色）遥感成为研究水体光学性质的一个重要手段，而水体光学性质研究是水色遥感应用研究的基础。在洁净的一类水体中，由于水体成分相对简单且稳定，水体的光学性质主要由浮游植物及其降解物质色素所决定，基于大量现场数据开发的经验算法可以较好地用于水色要素的反演，且具有较好的适用性。1960年代，以美国Charles S.Yentsch为代表的海洋科学家针对水体成份对光的吸收和散射的影响进行了研究。从1970年代开始，随着海洋光学遥感的发展，客观上需要对水体光谱特征进行深入的研究。其中，Morel、Priuer、Jerlov等［1－3］对一类水体的光学量的研究给出了奠基性的结果；美国Scripps研究所的Petzold等［4］在1972年给出了典型水体的散射结果，被一直引用至今；Gordon等［5］对水体的固有光学量、表观光学量相互关系的研究及海洋光学遥感方法都给出了系统结果。1980年代，各主要发达国家都对海洋光谱特征研究加大了支持力度，使得水体的各个基本光学参数被精确地测量出来，如水分子在各波段的吸收、散射特性，大洋平均的叶绿素的单位吸收和单位散射系数，黄色物质的吸收特性等。Mobley等［6］在1990年代对在水中的传播规律进行了较全面的总结，基础研究和算法开发等研究活动进入了快速发展时期［7－12］。

对于二类水体，特别是我国近海水体，由于水体成分复杂，且区域性变化明显，在研究水体光学性质时，主要是开展区域性光学特性研究。唐军武［13］、李铜基［14］、汪小勇［15－18］（2004，2008，2011）、杨安安［19］、毕大勇等［20］对水体表观光学性质的观测方法进行深入研究，提出了适合中国海区特点的数据处理方法，并对测量误差进行全面的分析。汪小勇等［21－23］针对我国黄东海表观光学和固有光学特性进行经验模式研究；而在固有光学性质研究方面，最早受关注的是黄色物质，吴永森［24］等对黄色物质的吸收特性进行了测量与研究。曹文熙［25］分析珠江口及临近海域的实测总颗粒吸收系数、非色素颗粒吸收系数与色素吸收系数特点，总结得出非色素颗粒的吸收系数斜率经验值为0.012±0.002。浮游植物色素的吸收明显地随叶绿素a浓度呈非线性增加，其关系可用幂函数描述。朱建华等［26］研究了非色素颗粒与黄色物质吸收系数的性质，获得非色素颗粒和黄色物质吸收系数的光谱模型（吸收系数斜率经验值），其结果与国际公布的结果相近，具有很强的区域实用性。而在南海北部的研究中，王桂芬等［27］指出叶绿素比吸收系数与叶绿素a浓度之间存在较好的幂指数关系，随叶绿素a浓度的增大而减小，但拟合系数与其它海区存在明显的差别，许大志、曹文熙等［28］对南海北部海区叶绿素a浓度模型进行了研究，周虹丽等［29］基于908专项光学调查结果，对南黄海和珠江口海区非色素颗粒物光谱吸收特性进行了研究。

由于当前主要针对中国近海水体光学特性研究大多是区域性的和单一季节的，难以体现中国近海各海区间量值的比较以及季节性变化情况，本文将采用我国近海2年4个季节的海洋光学调查资料，对我国近海区域水体光学特性进行总体分析，便于宏观了解各主要区域光学要素量值相对大小、分布特点和变化趋势。

1 数据来源

本文采用的数据来源于“我国近海海洋综合调查与评价专项”中的光学调查项目，分别于2006年夏季、冬季和2007年春季、秋季在中国近海9个海区：渤海、北黄海、南黄海、长江口、东海、台湾海峡、珠江口、南海、北部湾开展了同步调查。表观光学测量设备为高光谱地物光谱仪，数据采集采用水面之上法［13，15，30］，三要素吸收系数测量设备为双光路分光光度计，采用现场分层采样，过滤后测量样品的方法［30］，数据处理方法符合《我国近海海洋光学调查技术规程》的要求［30］，获取的数据经过自检和第三方评估，数据质量可靠。

2 表观光学特性分布特点

2.1 特征波段遥感反射比季节性分布特点

412和490 nm是海洋光学与水色遥感的特征波段，412nm水色光学数据主要用于黄色物质和混浊度反演，490nm是海洋“视窗”波段，主要用于叶绿素浓度的反演。Rrs（412）和Rrs（490）是最重要的表观光学参数之一，通过分析4个季节Rrs（412）和Rrs（490）的平面分布情况，结果表明其具有明显的季节性和区域性变化特点。

通过分析Rrs（412）要素的在中国近海主要河口的分布特点，可以得出如下主要结论。

（1）黄河口及其周边区域，4个季节的Rrs（412）分布及变化的特点和趋势基本一致，从地理位置上来看，离岸距离由近到远，其量值的变化特点是由大到小，量值范围由0.015～0.003 5sr－1，最大值出现在黄河入海口附近区域。

（2）长江口及其周边区域，4个季节的Rrs（412）分布及变化的特点基本一致，从地理位置上来看，离岸距离由近到远，其量值的变化特点是由大到小，量值范围由0.02～0.005sr－1，最大值出现在长江入海口附近区域。

（3）珠江口及其周边区域，冬、春季的Rrs（412）分布与变化趋势一致，离岸距离由近到远，其量值的变化特点是由大到小，量值范围由0.015～0.01sr－1，最大值出现在珠江入海口附近；而夏、秋季分布及变化特点与其冬、春季不同，离岸距离由近到远，其量值的变化特点是由小到大，量值范围由0.007 5～0.015sr－1（见图1），最大值出现在离珠江入海口较远的区域。

图1 2006年夏季、冬季与2007年春季、秋季中国近海水体Rrs（412）分布图Fig.1 Plan distribution figure of Rrs（412）about China coastal water in summer，winter of 2006and spring，autumn of 2007

相对于Rrs（412）而言，Rrs（490）的分布特点比较简单，4个季节中国近海的分布及变化趋势基本一致，而且在沿岸及各主要河口区域均有较好的重复性，离岸由近到远，其量值变化特点是由大到小，量值范围由0.035～0.007 5sr－1（见图2）。

以上2个波段遥感反射比变化特点也表明了中国近海主要河口水体光学特性受悬浮泥沙影响较大。

2.2 中国近海主要区域遥感反射比光谱特性

图3是2006年夏季获取的中国近海主要海区遥感反射比光谱图。

图2 2006年夏季、冬季与2007年春季、秋季中国近海水体Rrs（490）分布图Fig.2 Plan distribution figure of Rrs（490）about China coastal water in summer，winter of 2006and spring，autumn of 2007

图3 中国近海主要海区遥感反射比光谱Fig.3 Spectrum of remote sense reflectance ratio in main area of China offshore

由图分析可知：

（1）渤海、南黄海、东海、台湾海峡以及北部湾部分区域的近岸水体光谱海区水体光谱为570nm左右单峰谱形，且遥感反射比光谱形状变化小，在外观上属于中等浑浊水体，这是中等浓度悬浮泥沙高光谱遥感反演与研究的主要敏感波段之一［31－32］。从这些水体主要成分含量（或400nm吸收系数比例）来分析，主导影响成分为悬浮颗粒物（主要成分是悬浮泥沙），而黄色物质和色素影响较小，光谱量值因水中颗粒物粒径和含量的变化有较大的变化。从水体光谱学角度，很直观地体现了悬浮泥沙的重要影响。这与文献［33］的研究结果类似。

（2）北黄海及北部湾等部分海区水体光谱形状主要是400～500nm呈上升趋势，500～565nm相对平缓，565 nm以后下降，至近红外波段趋近于0。从水体主要成分含量（或400nm吸收系数比例）来分析，主导影响成分为黄色物质，悬浮颗粒物和浮游植物为次要影响因素，且两者的贡献相当，属于水体光学特性比较复杂的水体。

（3）在长江口、珠江口、江苏浅滩附近，大部分水体光谱400～565nm呈上升趋势，565nm以后缓慢下降或保持水平，在长江口区域同时发现了400～700nm呈上升趋势的水体光谱。在外观上属于高浑浊水体。高浑浊水体的遥感反射比量值随着悬浮泥沙浓度的增加而缓慢增加，其光谱形状变化较小［23，33］。从这些水体主要成分含量（或400nm吸收系数比例）来分析，主导影响成分为悬浮颗粒物（主要成分是悬浮泥沙），而黄色物质和色素影响几乎可以忽略不计，光谱量值因水中颗粒物粒径和含量的变化有较大的变化。从水体光谱学角度，很直观地体现了悬浮泥沙的决定性影响，且水体浑浊度高对应的遥感反射比光谱总体量值也越大。

（4）在南海北部、珠江口外部、黄海外部和东海外部区域，主要为清洁和较清洁水体，其光谱形状体现490～700nm呈下降趋势，遥感反射比总体量值较小。从水体主要成分含量（或400nm吸收系数比例）来分析，主导影响成分为浮游植物，其余两者影响较小。

3 固有光学特性分布特点

3.1 水色要素吸收系数中国近海分布情况

黄色物质和非色素颗粒物是影响中国近海水体光学特性的主要物质。图4为中国近海400nm非色素颗粒物ad（400）、黄色物质的吸收系数ag（400）在中国近海分布图（这里未考虑其季节性变化）。

图4 中国近海非色素颗粒物（左）和黄色物质（右）400nm吸收系数分布Fig.4 Distribution trend about the absorption coefficient of de-pigmented particles and CDOM at 400nm

由图分析可以得出：

（1）非色素颗粒物吸收系数在中国近海沿岸、海湾、河口区域的值普遍较高，高值区主要分布在渤海、江苏浅滩、长江口附近区域、珠江口附近区域及雷州半岛周边，最大值达到167m－1，低值区在南海北部区域，最小值为0.002m－1，平均值为1.411m－1，约有80%的站位值均小于1m－1，整体呈现北高南低的特点。这种现象反映了近岸非色素颗粒物主要受河流的陆源物质输入影响，进而影响其水体光学特性。

（2）黄色物质吸收系数量值较大的区域分布在渤海湾、辽东湾、长江口；其次是渤海中部、南黄海、珠江口和北部湾，最大值达到0.83m－1；量值较小的区域分布在东海以东及南海部分海域，最小值约为0.009m－1，平均值约为0.146m－1，约有70%的站位的测量值都小于0.200m－1，而高于0.500m－1的站位极少。这种现象反映了近岸黄色物质主要受陆源河流的影响，而浮游植物及其腐烂降解的产物对水体中黄色物质浓度产生的影响不大，体现了河流的陆源对黄色物质的重要贡献。

3.2 400nm三要素吸收系数占总吸收系数比例分析

在不同的海区，这3种物质相对含量的变化导致水体光学特性的变化。图5分别是400nm浮游植物色素吸收系数af（400）、非色素颗粒物吸收系数ad（400）和黄色物质吸收系数ag（400）占400nm总吸收系数百分比的中国近海分布图，图6是统计得到的9个海区（渤海、北黄海、南黄海、长江口、东海、台湾海峡、珠江口、南海、北部湾）的三要素占总吸收系数百分比。

图5 400nm三要素吸收系数占总吸收系数百分比中国近海分布图Fig.5 The relative contribution of phytoplankton，CDOM and de-pigmented particles to total absorption coefficient of seawater at 400nm

图6 9个海区400nm三要素吸收系数占总吸收系数百分比统计图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

由图分析可以得出：

（1）从400nm吸收系数的分布特点及比例分布来看，渤海、江苏浅滩、长江口区域，非色素颗粒物占总吸收的比例分布较高，在水体总吸收中起主导作用；南黄海大部分区域、东海大部、台湾海峡及珠江口外部，黄色物质和浮游植物色素占总吸收的比例分布较高，共同主导水体总吸收的光学特性，而北黄海中部、长江口外部以东及海南岛以东区域，由浮游植物色素为水体总吸收的主要影响因素。

（2）结合三要素400nm吸收系数分布图分析可以得出，非色素颗粒物吸收系数量值高的区域，其占总吸收百分比也高，非色素颗粒物是该区域水体光学特性的主导因素；而黄色物质吸收系数量值高的区域，其占总吸收百分比不一定高，黄色物质不一定是该区域水体光学特性的主导因素。

4 结语

中国近海水体受多种因素影响，导致水体光学特性复杂。典型波段412nm的遥感反射比Rrs（412）在珠江口区域季节性变化特点明显，不同季节变化趋势不同，而Rrs（490）在主要河口季节性变化趋势基本上是一致的，而且在主要河口和沿岸区域多季节具有较好的重复性；遥感反射比光谱方面，主要河口的浑浊水体光谱一般峰值在565nm附近，长江口附近大颗粒水体光谱400～700nm呈上升趋势，而相对较清洁水体光谱在490nm之后呈下降趋势；非色素颗粒物吸收系数在中国近海沿岸、海湾、河口区域的值普遍较高，整体呈现北高南低的特点；黄色物质吸收系数量值较大的区域分布在渤海湾、辽东湾和长江口，主要体现了河流陆源物质对非色素颗粒物和黄色物质的重要贡献。

本研究成果基于“我国近海海洋综合调查与评价”专项光学调查资料分析而成，具有一定的代表性，表观光学调查资料实现了四个季节中国近海全覆盖，而三要素吸收系数未能实现多季节在中国近海全覆盖，限于此，因此未能对其进行季节性分布特点分析研究。规律性研究成果需要多个周期和大量的现场调查资料来验证，因此本文给出的研究成果是初步的，需要今后进一步分析和验证。

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