湖泊光学-研究生课程

平行因子分析法获得的4种组分三维荧光图谱及对半检验
(Zhang et al., L&O, 2010, 55: 2645–2659)
不同组分荧光强度及比例随营养状态、海拔高度变化
(Zhang et al., L&O, 2010, 55: 2645–2659)
外源性荧光组分随CDOM吸收系数变化
(Zhang et al., L&O, 2010, 55: 2645–2659)
水体光学分类：
Jerlov等（1976）将大洋水体分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，将沿岸 带水体分为1-9类。但现在用得最多的是Gordon & Morel （1983）的关于一类和二类水体的分法。一般将光学性质主 要由纯水，浮游植物以及它们降解后形成的碎屑和CDOM决 定的水体称之为一类水体，其中最典型的一类水体是大洋开 阔水体。二类水体是指光学特性主要由悬浮的沉积物、流域 河流携带的颗粒物和CDOM决定的水体。在二类水体里，浮 游植物和它们的降解产物对水体光学特性的影响有时可能并 不是主要的，典型的二类水体是近岸、河口区域、内陆河流、 浅水湖泊等水体，太湖属于典型二类水体。
光学基本概念－辐射通量和辐照度:
辐射通量(Flux) 在单位时间内通过某一面积的辐射能，称为通过该面积的 辐射通量。符号, 单位为W。如果是某个波长的辐射通量，则 记为()。 辐照度（Irradiance） 单位面积接收到的辐射通量，称为该处的辐照度。符号为 E，单位为W/m2、mol/m2s，如果是单位光谱波长上的，单位 为W/m2 m、 mol/m2s m 。
23
2、研究方法
研究方法：
方法一：
面上调查探讨水光学时空异 质性
25
方法二：
水动力及水华过程观测
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EMB01
EMB02
EMB03
EMB04
EMB08
EMB10
EMB11
水环境自动监测站点分类
方法三：
生物光学参数高频自动监测
Wetlabs CDOM探头
方法三：
室内模拟控制实验
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三、水体固有和表观光学特性
光学基本概念－固有光学特性:
指只与水体组份有关而不随光照条件变化而变化的光 学特性，表征水体固有光学特性的参数有纯水， chromophoric dissolved organic matter（CDOM）、浮游植物 和非藻类颗粒物光束衰减系数、吸收系数、散射系数、它们 的比吸收系数以及体散射函数等。根据Lambert Beer定律， 水体的总光束衰减系数、吸收系数、散射系数可表示为各种 光学成份光束衰减系数、吸收系数、散射系数的线性加和， 而吸收系数、散射系数之和即为光束衰减系数。
湖泊光学特性是湖泊水色遥感的理论基础
藻华
吸收光谱
一般水体
反射光谱
藻华
一般水体
MODIS影像 水色
Dierssen, 2010, PNAS
频繁水污染事件和蓝藻水华大范围长时 间暴发迫切需要开展水质遥感监测
褐红色
Dierssen, 2010, PNAS
绿色
全球气候变暖背景下迫切需要开展内陆 水体碳循环及碳估算研究
2、CDOM来源解析
41
Rainwater
Sediment release
湖泊水体CDOM来源：内源（白色）和外源（黑色）
42
CDOM吸收、DOC 浓度河流剖面 变化
采样期间水位 变化
(Zhang et al., OG, 2011, 510-519)
2005-2007年夏季8次采样CDOM吸收、荧光与叶 绿素a浓度关系
模拟UV-B辐射下CDOM吸收和荧光变化
光谱吸收系数损失及表层1cm吸收辐照度变化
(Zhang et al., Hydrobiologia, 2009, 627:159–168 )
夏季天然太阳辐射照射下CDOM吸收和荧光变化
(Zhang et al., Hydrobiologia, 2009, 627:159–168 )
2011年春、秋季北极上空臭氧层空洞 Manney et al, Nature, 2011; Balskus et al., Science, 2010 UV-B辐射后的浮游动物
富营养化引起浊度增加、水下光场结构变 化，造成浅水湖泊沉水植物大面积消退
沉 水 植 被 消 退
沉水植物分布随营养盐和浊度变 化（Scheffer,Nature, 2001）
初级消 费者
浮游 动物
生产者 Karlsson et al., 2009, Nature
水草
浮游植物
太阳辐射引起的温、风差异形成湖泊热力循环
O2
Mixed
Winter
Water temperature
Phosphate
O2 O2
Ammonium
Summer
Depth
Water temperature
19
甲醇浸泡
次氯酸钠漂白
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光学基本概念－表观光学特性:
是指不但与水体组份有关，而且会随光照条件变化而变 化的光学特性，表征表观光学特性的参数有向下辐照度、向 上辐照度、向下辐亮度、向上辐亮度、辐照度比、离水辐射 率、遥感反射率等以及这些参数的漫射衰减系数。
1 Ed ( , z ) K d ( ) ln z Ed ( ,0)
二、湖泊光学基本概念
1、基本概念
湖泊光学概念及理论框架
表观光学特 性：透明度、 反射率、漫 射衰减系数、 真光层深度 R、Rs
向上辐射
风浪波动 纯水 颗粒物 后向散射 散射光 CDOM
浮游植物
Iz
非色素颗粒物 再悬浮
2016/7/19
固有 光学特性： 吸收、 散射、后向散射系数等
湖泊光学中的参数：

Rrs ( ,0＋ ) 0.544Rrs ( ,0 )
0.544 (0.975- 0.629 0 ) bbt ( ) Q at ( ) bbt ( )
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光学基本概念－生物光学特性:
包括水体成份的固有光学特性、表观光学特性的定量 描述，表观光学特性与固有光学特性之间的关系以及表观光 学特性、固有光学特性与各组成物质浓度的关系。
(Zhang et al., WR, 2009, 43: 4685–4697)
降解过程中各组分荧光强度（a）及各自百分比变化（b）
(Zhang et al., WR, 2009, 43: 4685–4697)
3、CDOM消除途径
CDOM接受UV-B辐射降解实验
模拟UV-B辐射降解实验
模拟UV-B辐射与自然太阳 光强度对比
E ( ) d( ) dA
E() ---- 波长为的光谱辐照度; () ---- 光谱辐射通量W/m； A ---- 面积，单位m2
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光学基本概念－辐亮度:
辐亮度（radiance） 单位投影面积、单位立体角上的辐射通量。辐亮度的符号为L， 单位为W/m2/sr)，如果是单位光谱波长上的，单位为W/m2 m 17 sr。
Epilimnion
Depth
Metalimnion Thermocline
Stratified Phosphate
O2
Hypolimnion
Ammonium
臭氧层空洞引起UV-B辐射增强对生态 系统产生重要影响
1979
1984
1989
1994
1999
2006
2008
南极上空10月份臭氧层空洞面积变化
(Zhang et al., WR, 2009, 43: 4685–4697)
（ a）
（ b）
（a）浮游植物色素浓度；（b）：440、675 nm浮游植物特 征波长吸收，355 nm CDOM吸收系数
(Zhang et al., WR, 2009, 43: 4685–4697)
平行因子分析法得到的组分1、2三维荧光图谱及分半校验
CDOM吸收
光谱斜率
光谱斜率比值
M值
太 谱湖 斜 率 比吸 值收 及系 分数 子、 量光 表谱 征斜 参率 数、 光 CDOM
(Zhang et al., OG, 2011, 510-519)
CDOM吸收与光谱斜率、光谱斜率比值及表征分子量大 小参数M值关系
(Zhang et al., OG, 2011, 510-519)
CDOM吸收与COD浓度回归分析
CDOM吸收与DOC浓度线性回归关系
(Zhang et al., Hydrobiologia, 2007, 581: 43–52 )
CDOM 吸 收随营养 状态及高 度变化
贫营养
中营养
富营养
不同营养类型湖泊CDOM三维荧光图谱
(Zhang et al., L&O, 2010, 55: 2645–2659)
光学概念：立体角、辐射通量、辐射照度、 辐亮度等 固有光学特性：吸收系数、散射系数、光 束衰减系数等 表观光学特性：透明度、辐照度、辐亮度、 漫射衰减系数、辐照度比、遥感反射率等
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光学基本概念－立体角:
立体角(Solid Angle) ： 一个半径为r的球面，从球心向球面作任意形状的锥面， 锥面与球面相交的面积为A,则A/r2就是此锥体的立体角（一 般用符号表示，单位为球面度sr。 15
c cw () cCDOM c ph () cd ()
a aw () aCDOM a ph () ad ()
b bw ( ) bph ( ) bd ( )
18
吸收系数测定：
CDOM吸收系数测定：
a( ) 2.303D( ) / r
颗粒物吸收系数采用定量滤膜技术测定：
S a p ( ) 2.303 OD s ( ) V
ODs 0.378OD f 0.523OD f
a ph ( ) a p ( ) ad ( )
2
OD f 0.4
a *ph ( ) a ph ( ) / Chla
湖泊光学及其应用
张运林
中国科学院南京地理与湖泊研究所
2014年10月16日
ห้องสมุดไป่ตู้
课程提纲
一．研究背景和意义
二．湖泊光学基本概念 三．水体固有和表观光学特性
四．沉积物再悬浮的光学效应
五．光与初级生产力相互关系 六．湖泊光学遥感应用
一、研究背景和意义
太阳辐射是驱动湖泊生态系统的 源动力
三级消 费者
次级消费者
1、CDOM时空分布
CDOM光谱吸收
(Zhang et al., PPS, 2011, 469-482)
2月
5月
8月
11月
2005-2009年长期定位观测获得太湖CDOM时空分布
大 太 湖
梅 梁 湾
梅梁湾与大太湖水域CDOM吸收及其它参数对比
(Zhang et al., Hydrobiologia, 2007, 581: 43–52 )
Zeu( ) 4.605/ Kd( )
Eu (0, ) R(0, ) Ed (0, )
Rrs( , z) Lu ( , z) / Ed( , z )
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光学基本概念－固有、表观光学特性关系:
表观光学特性是入射太阳光与水体固有光学特性相互作 用的结果和产物。对于特定的太阳辐射场，即特定的太阳高 度角、漫射太阳光的角分布，表观光学特性可以由固有光学 特性计算得到。 1 1 2 Kd [a G( 0 )ab] 2 0
夏季天然太阳辐射照射下CDOM吸收和荧光变化
(Zhang et al., Hydrobiologia, 2009, 627:159–168 )
4、固有光学特性
（颗粒物、浮游植物吸收、散射）
固有光学特性－总颗粒物吸收:
颗粒物吸收的3种光谱类型
夏、冬季颗粒物吸收的光谱分布
(Zhang et al., Hydrobiologia, 2007, 592:105–120 )
G ( 0 ) g1 g 2 0 0.425 0.19 0
Eu (0 ) bb bb R( 0 ) f (0.975 0.6250 ) Ed (0 ) a bb a bb

Eu ( ,0 ) R( ,0 ) (0.975- 0.629 0 ) bbt ( ) Rrs ( ,0 ) Lu ( ,0 ) / Ed ( ,0 ) Q Ed ( ,0 ) Q Q at ( ) bbt ( )
固有光学特性－非色素颗粒物吸收:
非藻类颗粒物吸收光谱
典型站点非藻类光谱吸收系数实测值与模拟值对比
(Zhang et al., Hydrobiologia, 2007, 592:105–120 )
固有光学特性－浮游植物吸收: