湖泊光学-研究生课程

（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)
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。
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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
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方法二：
水动力及水华过程观测
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EMB01
EMB02
EMB03
水环境自动监测站点分类
EMB04
EMB08
EMB10 EMB11
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
CDOM吸收 光谱斜率比值
光谱斜率 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)
1、CDOM时空分布
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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 )
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。
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甲醇浸泡
次氯酸钠漂白 20
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。
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)
2、CDOM来源解析
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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
(Zhang et al., WR, 2009, 43: 4685–4697)
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
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
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 )
贫营养
中营养
CDOM 吸 收随营养 状态及高 度变化
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)
沉 水 植 被 消 退
沉水植物分布随营养盐和浊度变 化（Scheffer,Nature, 2001）
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
水色
MODIS影像
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
CDOM 浮游植物
非色素颗粒物 再悬浮
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：
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:
次级消费者
初级消 费者
浮游 动物
Karlsson et al., 2009, Nature
生产者水草 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
O Phosphate
2Ammonium
O2
Stratified Phosphate O2 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
2011年春、秋季北极上空臭氧层空洞 UV-B辐射后的浮游动物
Manney et al, Nature, 2011; Balskus et al., Science, 2010
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
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
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
颗粒物
后向散射
散射光
Iz
2020/8/7
纯水