基于卫星数据对渤海近岸海域CDOM的遥感反演

唐博　谭锦瑾　詹斌　黄慧杰

摘要：通过遥感方法监测水体有色可溶性有机物（CDOM）的变化是海岸带环境动态监测的重要技术手段。文章介绍了遥感监测CDOM的原理，并通过渤海近岸海域系统进行CDOM光学性质季节性遥感调查实例，揭示了在海岸带地区，CDOM变化与溶解氧、溶解盐度等的含量密切相关。

关键词：CDOM；遥感反演；海岸带监测；卫星数据；渤海近岸海域 文献标识码：A

中图分类号：TP79 文章编号：1009-2374（2017）02-0019-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.009

碳的研究对于生物的自身生存和生存环境有重要意义。首先，碳是整个生物地球化学循环的重要组成元素；其次，环境中碳的含量直接影响全球气候的变化。

海洋中的有机物存在大量的活性碳，而海洋占据地球的大部分面积，所以研究海洋有机物有重要意义。

有色可溶性有机物（Chromophoric or colored dissolved organic matter，简称CDOM）又称作可溶性有机发色团或者粘质胶性溶解物，是一些腐烂物质，这种物质可以吸收紫外-可见光，因此不同含量CDOM的水呈现不同的颜色。随着CDOM含量增加，水的颜色呈现蓝色-绿色-黄绿色-褐色。由于它们这种吸收光和荧光的性质，可以利用光谱分析手段来反演CDOM，用来分析监测海岸带的情况。

1 国内外研究进展

目前，国内对于CDOM的研究主要集中于湖泊及近岸沿海区域，研究仅集中在CDOM浓度较高的河口及近岸区域，主要是因为用光学遥感反演低盐湖泊水体盐度较为困难。如刘英等2014年以干旱区的博斯腾湖（博湖）为例，探讨了光学遥感数据反演低盐湖泊水体盐度的可行性。用光学数据反演水体盐度要求盐度足够高，盐度和CDOM存在梯度，并满足CDOM扩散守恒，因此用光学遥感反演低盐湖泊水体盐度較为困难。

国内外对CDOM在河口地区的保守混合行为研究较多，主要体现在对CDOM与盐度的相关性研究。如Del Vecchio&Blough根据1997～2003年6个航次的数据研究发现，CDOM吸收与盐度均呈反相关关系，与季节无关，呈保守行为，证明陆源为该区域CDOM的主要来源。

王林等对大洋河河口海域水体调查，结果显示（CDOM）在河口混合过程中近似呈保守行为，可作为水团运动的示踪剂，研究区域CDOM主要来自河流输入，成分相对较稳定。

海水中CDOM主要来源于陆地，对于离岸较远的海水有学者倾向于主要来源于浮游生物。主要是因为在离岸区域CDOM与叶绿素a有很好的相关性，而在近岸区域CDOM与叶绿素a的相关性不大。

CDOM在特定波段有明显的荧光性。如王林等研究表明，在大洋河河口波长275～295nm的光谱斜率和波长400nm的吸收系数对CDOM分子量的相对大小均具有一定的指示作用，该区域的CDOM存在保守混合行为。

2 渤海近岸海域CDOM的遥感反演

2.1 CDOM遥感反演原理

CDOM遥感反演主要是利用光的反射完成的。当主要光源太阳光射到水里，遇到水体中CDOM反射回来的光线会被卫星监测到，根据监测到的光谱特征来分析水中CDOM的特性。

CDOM对光的吸收值为由红外光谱区向紫外可见光区逐渐增大，吸收系数与波长之间近似指数关系。CDOM不仅与波长有关，还与光谱斜率（S值）有关。其关系近似如下：

a（λ）=a（λ0）exp[S（λ0-λ）]

式中：a（λ）是波长为λ时的吸收系数，它反映出特定水体中CDOM的浓度；λ0是参考波长；S是光谱斜率，其数值大小反映了CDOM的光密度随波长增加而逐渐降低的程度。

本文利用以上CDOM与波长和S值的关系，应用BEAM软件对渤海近岸海域的CDOM进行遥感反演。

2.2 CDOM的遥感反演

2.2.1 研究数据与研究区域。研究区域位于渤海北纬37.86°至北纬40.6°之间的海域。渤海素有“天然鱼池”之称，该区域富有高含量的营养盐与浮游植物。数据采用2014年10月29日ENVISAT上的MERIS数据，光谱范围为390～1040nm以及同一时间的该海域站点的盐度以及溶解氧的实测数据。利用BEAM软件对数据进行分析。

2.2.2 BEAM遥感反演CDOM。通过BEAM软件处理数据获得如下反演结果：

图1 20141029渤海近岸CDOM含量反演图

色标条

然后根据同站位实测盐度和溶解氧做出表格：

表1 数据对比

点位 维度 经度 时间 CDOM反演浓度（1/m） 实测

盐度 实测溶解氧浓度

ZD-TJ096 38.6178 117.95 201410291208 1.3804 32.22 7.893

ZD-TJ097 38.6178 117.739 201410291222 1.4911 31.94 8.007

TJX-3 38.6194 117.646 201410291304 1.6885 30.00 8.518

同样可得出20150430的渤海近岸CDOM反演数据：

图2 20150430渤海近岸CDOM反演图

色标条

2.2.3 数据分析。由图1可以看出渤海近岸CDOM浓度呈近岸高远岸低的现象，这是因为在近岸来源于陆地，浓度高，在远岸CDOM的含量比较低，由3个站点实测CDOM浓度的大小也可以看出这个特点。而由图2可以看出，整体趋势和图1差不多，说明这几年海域CDOM来源与去除基本没有太大变化，但是图2近岸的CDOM高浓度区域没有图1大，可以推断在2015年4月30日风浪潮汐比较大，近岸和远岸的海水混合比较厉害，所以使其高浓度区域变小，中等浓度区域增大。

从表1可以看出CDOM的浓度与盐度呈负相关关系，与溶解氧呈正相关关系。

CDOM浓度与盐度呈负相关关系可以看出渤海近海海域研究区域的CDOM主要来源为陆源。可以由此推出：海水的盐度比较高，而河流的盐度比较低，当二者混合时盐度变低，但CDOM由陆源输入海洋，浓度反而增加。

CDOM浓度与溶解氧呈正相关关系，这主要是由于CDOM的光降解产生的营养物质成为浮游植物食物链中的一环，相对浮游植物的增多间接使得海水中溶解氧浓度升高。

3 结论与展望

通过以上分析研究可以得出以下结论：（1）渤海近岸海域CDOM浓度由近岸向远岸递减；（2）CDOM浓度受潮汐风浪影响，潮汐风浪越大浓度会减小；（3）CDOM吸收的遥感信息揭示了海岸带河海的相互作用；（4）在海岸带地区，在不同的季节，不同的水样深度，CDOM的光学性质表现出的特性不同，其变化与盐度、溶解氧等因素的含量有密切关系，是海岸带调查研究的重点。

由于数据的缺乏，不能对该海域或其他海域做更多的分析。可以继续探索，用更多的数据，对更多的海域进行实验来监测该海域的CDOM分布特性。另外，可以实测CDOM的数值来分析空间尺度变化上CDOM与盐度溶解氧之间的相关关系，同样也可以研究在时间尺度变化上它们之间的相关关系。

参考文献

[1] 刘英，包安明，陈曦.低盐湖泊水体盐度光学遥感反演研究——以博斯腾湖为例[J].遥感学报，2014，18（4）.

[2] Del Vecchio，Blough.Spatial and seasonal distribution of chromophoric dissolved organic matter and dissolved organic carbon in the Middle Atlantic Bight[J].Mar.Chem，2004，89（1-4）.

[3] 王林，赵冬至，杨建洪，陈艳拢.大洋河河口海域有色溶解性有机物的光学特性及遥感反演模型[J].海洋学报，2011，（1）.

（责任编辑：黄银芳）