南海颗粒物光学特性与遥感算法研究-XG

南海颗粒物光学特性与遥感算法研究摘要2011年夏末（8月20日至10月3日），在中国国家科学基金（NSFC）的支持下，在中国南海（SCS）进行了一个海洋观测开放航次，测定了该海域的生物光学和生物地球化学性质。

本研究的重点在于由Hydroscat-6后向散射传感器测量的后向散射特性。

结果显示：1）所有样品中，在510nm处，粒子承担了总的后向散射系数（b b）的大概50%；而表面样品中，颗粒后向散射只占总值的1/3；2）在珠江口区域，海表面的颗粒后向散射系数（b bp）比其他区域高了2倍，相应的后向散射斜率（γb bp）低了大约50%；3）b b与其斜率(γb b)呈幂函数形式的负相关关系(所有值:r2 = 0.663, N=19704；表面值:r2 = 0.827, N=108)；4）表面b bp（510）与颗粒有机碳（POC）浓度呈良好的正相关关系(r2 = 0.81, N=98)，这一结果可以用于卫星遥感POC的南海局地算法；5）此外，当叶绿素浓度-a[Chla]低于0.1 mg m-3时，b bp基本不再变化。

此结果与Behrenfeld等在2005年利用全球遥感数据所得出的结果基本一致。

关键词：南海，光学后向散射，颗粒有机碳，叶绿素a。

AbstractBio-optical and biogeochemical properties of South China Sea (SCS) were measured in an open cruise during late summer 2011 (from 20 Aug. to 3 Oct.), supported by National Science Foundation of China (NSFC). The present study focuses on the backscattering characteristics which were measured by Hydroscat-6 backscattering sensor. Results showed that, 1) at 510nm, for all samples, particle was responsible for ~50% total backscattering coefficients (bb); while for the surface samples, particulate backscattering was only 1/3 in total values; 2) the surface particulate backscattering coefficients (bbp) in the Pear River Estuary (PRE) were twice higher than other areas, and the corresponding backscattering slope (γbbp) was lower about 50%; 3) bb were negatively related to its slope (γbb) by a power function (R2 = 0.663, N=19704 for all values and R2 = 0.827, N=108 for surface ones); 4) A good positive relationship between surface bbp(510) and particulate organic carbon (POC) concentration was found (R2 = 0.81, N=98), which is applicable to satellite-based POC estimate in SCS; 5) In addition, a leveling pattern of bbp when [Chla] lower than 0.1 mg m-3 was firstly recorded in situ, as same as the results obtained by Behrenfeld et al. (2005), based on the global remotely-sensed data.Keywords:South China Sea(SCS), backscattering coefficients(bb), particulate organic carbon (POC), [Chla].目录1.引言 (2)2.材料和方法 (2)2.1研究区域 (2)2.2光学后向散射 (3)2.2.1光学后向散射系数 (3)2.2.2后向散射系数理论基础 (3)2.2.3光学后向散射系数的测定与处理 (4)2.3颗粒有机碳（POC）浓度 (4)2.3.1 POC (4)2.3.2 POC浓度的测定方法 (4)2.3.3 POC误差分析 (5)2.4 叶绿素浓度-a (5)2.4.1叶绿素浓度-a介绍 (5)2.4.2叶绿素浓度-a的测定 (6)2.5后向散射斜率的推导 (6)3．结果与讨论 (6)3.1后向散射光谱 (6)3.2 珠江口（PRE）的光学后向散射 (7)3.3后向散射斜率.......................................v (8)3.4 颗粒有机碳浓度（POC）和后向散射的关系 (10)3.5叶绿素和后向散射的关系 (11)4. 结论 (12)1.引言自然水域中的光后向散射特性的认识和理解对于海洋水色遥感的应用是非常重要的(Mobley, 1994; Maffione, 1997; Stramski et al., 2004)。

卫星遥感是研究大时间尺度和大空间尺度的上层海洋物理动力学及生物地球化学变化的一个极好的工具，同时，传统的观察在相当低的时空分布接近长期欠采样的。

光谱后向散射系数bb(λ),在卫星遥感中起着最为重要的作用，因为它正比于海洋水色的一阶近似，换句话说，空间传感器主要探测海洋表层内的自然光学后向散射(Stramski et al., 2004).此外，在与海洋颗粒悬浮物知识相关的海洋科学中，对于b b及其在自然水域中变化的详细了解是至关重要的，在世界各地的各种各样的水域，前人已做了大量后向散射特性的研究(Stramski et al., 1999; Balch et al., 2001; Stramska et al., 2003; Loisel et al., 2006, 2007; Whitmire et al., 2007; Hout et al., 2008; Dall'Olmo et al., 2009; Gordon et al., 2009; Westberry et al., 2010; Antoine et al., 2011)。

然而，中国南海（SCS）的后向散射研究仍然很少。

中国南海（SCS）位于中国大陆南方，与东海、太平洋、印度洋相连，北邻中国广东省、台湾省、海南省、广西地区壮族自治区，西邻越南、柬埔寨、泰国、马来西亚、新加坡，是东南亚最大的边缘海，平均水深1212m，最大深度超过5000米，是中国最深的海（孙湘平，2008），是热带西太平洋的一部分。

它的气象条件主要受亚洲冬季季风和东印度洋夏季季风期间之间的温度差异的影响。

此外，大量进入南海的河水（珠江和一般地表径流）对于海洋条件也产生显著的影响。

在南海北部，陆架水包括水体的混合物，主要受由珠江径流携带的大量有机和无机物质的影响。

珠江口海域是指受珠江入海口及其径流影响的大片水域，光学性质变化受珠江口径流影响显著，其水体类型丰富。

珠江口区域（PRE）是含有丰富的黄色物质和悬浮物的二类水体区域。

除了沿海水域，深盆地区作为开放的海洋，其水体是很清洁的（一类水体）（高等，2010）。

2011年夏末，在中国国家科学自然基金委的组织下，对于南海进行了一次全面的海洋调查，并且对垂直光谱后向散射系数、叶绿素荧光和POC浓度进行了原始观测。

在这项研究中，得出了中国南海（SCS）的垂直后向散射特性，并进行了分析和讨论。

2．材料和方法2.1研究区域在此次开放航次中（称为“DFH1108”），在“东方红二号”研究船上收集到了从2011年8月20日到10月3日的南海现场数据。

该航次共安排了108个站位，但由于天气恶劣原因，只对其中102个站位进行了后向散射的测量(110-120°E, 11-24°N)。

图1显示了站位图，阴影部分则显示了包括21个站位的珠江口区域（PRE）。

总的来讲，该研究区域涵盖了包括河流径流、沿岸水域到清澈的开放水域在内的多样水域。

同样地，海水的深度变化也较大，从珠江口区域（PRE）的27.8m到南海中心的4348m之间变化。

特别是，在珠江口的所有21个站位都是在很浅的水域（小于100m）。

Pear River EstuarySouth China Sea图1：2011年夏末，中国南海（SCS）的各观测站位地图。

阴影区域代表珠江口区（PRE）的21个站位。

Fig. 1：Station map observed in the South China Sea (SCS), in late summer 2011. 21 stations in the shadow region represents the Pearl River Estuary (PRE) zone.2.2光学后向散射2.2.1光学后向散射系数后向散射系数（ｂｂ）是水色遥感的一个重要基础光学参数，其大小只与水体中各组分的浓度有关，是重要的固有光学量之一。

水体的后向散射系数在光学遥感的海洋学应用方面具有重要作用。

水体后向散射信息由颗粒群密度、粒径以及折射率决定，通过颗粒物后向散射系数即可推导颗粒群的粒度分布和构成等相关信息；另外，其与水体的遥感反射率Ｒ（λ）具有密切联系，只要建立两者的关系模型，便可通过Ｒ（λ）直接反演水体组分，为水色组分浓度的遥感反演奠定了基础。

由此可见，水体后向散射性质对于海洋光学研究、水色组分遥感研究以及海洋生物地球化学研究等均具有重要意义和价值。

2.2.2后向散射系数的理论基础光学后向散射系数理论基础：光学后向散射系数是体散射函数β（θ）散射角（θ）对后向半球的积分，依据积分中值定理，有：。

Ｍｉｅ散射理论是经典的光散射理论之一，也是颗粒物散射和体散射函数研究的重要理论基础之一。

Ｍｉｅ理论为１９０８年德国科学家Ｇ．Ｍｉｅ基于麦克斯韦方程组和边界条件给出的球形颗粒散射的精确解，在此基础上，得出对于等粒径的多颗粒群而言，颗粒群的体散射函数β（θ）可以表示为：，其中：Ｖ为悬浮液体积，Ｎ为等效颗粒数，ｉ（θ）为散射光强。