（自然地理学专业论文）长江口及邻近海域叶绿素的光学特性及其遥感应用.pdf

q 略 弋， 。、岛i f 、 弋 d i s r t 撕o no f m a s t e rc 锄d i d a t e2 0 1 1 e a s tc h i 】唿n o m mi n i v e r s 姆 删删f i f | f f f f f f | i f c y 19 0 3 岑型茑。 o p t i c a lp r o p e r t i e so fc h l o r o p h y ua n d r e m o t e s e n s i n ga p p l i c a t i o ni ny a n g t z e e s t u a r y a n d a d j a c e n ts e a i n s t i t u t e ： s 型坌k 曼y ! 丞2 q 堑q yq 垦墨地丛i n 曼坌丑亟g q l 垒l 重逢墨曼垒丝h s p e c i a l i ， r t n 坌地丛g 坌qg ! = 坌里h i 坌s i 星塾q 金 s 1 飞j d y 衄a ：q 坌曼i 迅g q ! q r 坌l 坠q 金s 坌n 曼i n g a d 、以s o r ： p r q 建曼墨q s h 坌ne 旦匹g c a n d i d a t e ： h q n gq 丛坌n l 也 一 m a y ，2 0 1 1 b 、 一 l j ! _ 3 ：丫- j - ￥ 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文长江口及邻近海域叶绿素的光学特性及其遥感应用， 是在华东师范大学攻读硕士学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期：0 一1 年厂月 jf 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 长江口及邻近海域叶绿素的光学特性及其遥感应用系本人在华东师范大学攻读学位 期间在导师指导下完成的萄叵孟博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学 所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机 构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华 东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论 文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它 方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 2 不保密，适用上述授权。 导师签名j j 兰豇 本人签名透：釜丛 b l 1 年了月1 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过 的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有 效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开 学位论文，均适用上述授权) c l r 二_ r h h 0 、 f 1 ， 警。x 、，o，q i k 学位论文导师意见 本人负责指导恢白柚学的硕士学位论文，据我所知，除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的 研究成果；经审阅认为该论文已达到我校硕士学位论文的学术水平， 同意该论文送审并答辩。 导师签名： 日期：如f 厂 7 指导小组导师意见 本人参与指导涝- 置抽学的硕士学位论文，经审阅认为该论文 已达到我校硕士学位论文的学术水平，同意该论文送审并答辩。 指导小组导师签名：凰乞一荔李于 指导小组导师签名：( 乞一桷修于 日期：，f 、jl 1 _ ， i u ，o一o 2 ： ? p 1 k ， 浮攉磐硕士学位论支答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 许惠平教授同济大学主席 周云轩教授华东师范大学 蒋雪中副教授华东师范大学 t 1 = ，?， l。， 0 0 1 ： 长江口及邻近海域叶绿素的光学特性及其遥感应用 中文摘要 论文摘要 长江口及邻近海域浮游植物光学特性研究对于长江口水质环境监测、水体初 级生产力以及碳循环研究有着重要意义。通过对长江口颗粒物吸收系数测定方法 的研究、长江口海域叶绿素a 浓度分布以及水体组分光学特性的分析，对长江口 的水体光学特性有了一个初步的了解。并在此基础上探讨了长江口叶绿素a 浓度 的反演模型。 分析对比颗粒物吸收系数测定的两种方法：透射法和透射反射法。认为在进 行颗粒物吸收系数测定时，含0 1 活性c l 的n a c l o 溶液对于颗粒物色素的提取 具有良好的效果。对使用褪色试剂后的样品进行冲洗能减少因n a c l o 残留产生的 误差。对于高浊度水体，由于散射的影响，使用透射法测量颗粒物吸收系数会产 生较大误差，不建议使用透射法来测量。因此在长江口羽状峰以西高浊度的水体 ( 含沙量 8 0 m 朗) ，本文建议使用透射反射法来测量颗粒物吸收系数。在羽状峰 以东，泥沙含量急剧减少( 含沙量q o m g 1 ) ，水体相对清澈，透射法和透射反射 法都可被用来测量颗粒物吸收系数。 2 0 0 9 年春、夏、秋三季长江口叶绿素a 浓度在口门内变化不大。口门外叶绿 素a 浓度高值区位于1 2 2 5 。e 1 2 3 。e 之间。随长江径流变化，高值区位置会出 现偏移。整个长江口叶绿素a 浓度分布呈“低一高一氐 分布特征。夏季四个水 层叶绿素a 浓度高值区位于舟山群岛附近，各个水层浓度的大小特征为：表层 5 米水层 1 0 米水层 1 5 米水层。分层现象较为明显。秋季四个水层叶绿素a 浓度分 层现象则不太明显，除表层外，其他三个水层叶绿素a 浓度分布都呈由西向东升 高的趋势。 长江口水体呈现复杂的光学特性，其遥感反射率光谱随各水色组分浓度的变 化主要有四种形状。水体总颗粒物吸收光谱由于叶绿素与泥沙浓度的比例不同而 呈现浮游植物吸收特征或非色素颗粒物吸收特征。在前人的基础上，对叶绿素吸 收系数进行参数化并对吸收光谱进行模拟，得到模拟曲线均方根误差为o 0 4 6 ，具 有较高精度。黄色物质吸收光谱随波长增加呈指数衰减，光谱斜率值分布在o 0 1 l o 0 1 6 姗- 1 ，其在长江口的分布特征为从口门向东南方向逐渐减小。非色素颗粒物 吸收光谱与黄色物质类似也随波长增加呈指数衰减，斜率值主要分布在0 0 0 5 -l了、。， q i _ 1j，、：， 一- - 一 长江口及邻近海域叶绿素的光学特性及其遥感应用中文摘要 0 0 1 1 m n 1 。 在长江口半分析模型的建立中，由于经验参数过多而且难以确定，并且受到 高散射特性以及复杂水色组分的影响，模型的反演精度不高，均方根误差高达 1 0 2 1 m g m 3 。通过对二波段、三波段以及s c i 模型的分析，对经验模型在长江口的 应用有了初步的了解。分别使用二波段比值法、三波段比值法以及s c i 模型对长 江口2 0 0 9 年夏季叶绿素a 浓度进行反演，结果显示s c i 模型在精度上要高于二波 段比值法和三波段比值法，无论是在清澈或者浑浊水体中都具有良好的应用效果。 关键词：长江口；叶绿素；吸收系数；光学特性；反演 o ， ： ， 卜 v f l a b s t r a c t t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fp h y t o p l a n l ( t o ni 1 1 y a n 酉z ee s t l j a i ya n d a 面a c e n ts e a i sag r e a ts i g n i f i c a l l c ei i lm o n i t o r 洫gt h ew a t e rq u a l i 坝p r i m a r y p r o d u c t i v 时a n dc a r b o nc y c l e nh a sac o n l p r e h e n s i v eu n d e r s t 2 u l d m gb y s t l l d y i n gc h l o r o p h y l l _ ac o n c e n t r a t i o n ，m e t h o d so fd e t e m i n a t i o no f p a n i c u l a t ea b s o 哦i o n c o e 蚯c i e n ta n d o p t i c a lp r o p e r t i e s o fw a t e r c o m p o n e n t s b a s e do nt h e s es t u d i e s ，t h e c h l o r o p h y l l - ac o n c e n t r a t i o n i n v e r s i o nm o d e lw a sd i s c u s s e d c o m p a r i n gt h e t r m s r n i s s i o nm e t h o da n d 仃a n s m i s s i o n r e f l e c t i o n m e t h o d ，i tw a sf - o u n dt h a tn a c l os o l u t i o nw h i c hh a s0 1 a c t i v ec l - h a da g o o de 虢c ti ne x t r a c t i o nt h ep i g m e n t a n dw a l s ht h es a l 】叩l ea r e rf a d e p r o c e s sc a nr e d u c et h ee r r o rc a u s e db yn a c l o f o rt h eh i g h t u r b i d i 够w a t e r ， t r a n s m i s s i o nm e t h o di sn o tr e c o m m e n d e d nw a ss u g g e s t e dt h a tu s et h e t r a l l s m i s s i o n r e f l e c t i o nm e t h o di nt h e 、s to ft h ep l u m e p e a k w b e r et h e s e d i m e n tc o n c e n 订a t i o nw a sa b o v e8 0 m la n du s eb o t ht h et r a n s m i s s i o n m e t h o da n d 缸叽s m i s s i o n r e f l e c t i o nm e t h o di 1 1 廿1 9e a s to ft h ep l u m e p e a k w h e r et h ew a t e ri sc l e a n ( s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n 5 1 1 1 ： 1o l t l ： 15 mi i ls u m m e r a n d i i l 饥l t u m n ，t h i sp h e n o m e n o ni sl e s s o b v i o u s 1 1 1a d d i t i o nt ot h es 抵e ，t h ec o n c e n t r a t i o no f c 1 1 l o r o p h y l l am t t l e o t h e rt h r e ew a t e rl a y e r s 洫c r e a s e d 行o mw e s tt oe a l s t y 撕g t z ee s t u a 巧s h o w sc o m p l e xo p t i c a lp r o p e r t i e s ，t h er e n e c t a n c e s p e c 舰p r e s e n t sf o u rs h a p e sw i t hm ec h a l l g eo ft h ec o n c e n 订a t i o n so fw 砷e r c o m p o n e n t s b e c a u s eo f 戗1 ed i 毹r e n tr a t i oo ft h ec o n c e n t r a t i o n so f p h 矿o p l a n h o na n ds e d i m e n t ，t h ea b s o r p t i o ns p e c 仃ao ft o t a lp a r t i c u l a t ei s c h a r a c t e r i z e db yp h y t o p l a n h o no rn o n a l g a ep a r t i c l e ( n a p ) b a s e do nt h e p a r 锄e t e r so fc h l o r o p h y l la b s o r p t i o nc o e 艏c i e n t ，w ec a ns i i n u l a t et h e a b s o 唧i o ns p e c t r aw i t ht h er o o tm e a ns q u a r ee r r o r0 0 4 6 t h ec o l o r e d d i s s o l v e do r g a l l i cm a t e r i a l s ( c d o h da n dn o n - a l g a ep 耐i c l ee x p o n e n t i a l d e c a yw i t hw a v e l e n g t h ，t h ec d o ms p e c 仃a ls l o p ed i s 仃i b u t i o ni i lt h e o 0 1 1 旬0 1 6 i u i l ，a 1 1 dt h en a pi so 0 0 5 旬0 1 1 1 1 i i l t h ed i s t r i b u t i o no f c d o mi nt h ey 撕舀z ee s t l l a 巧w a sd e c r e a s e 矗o mt h em o u t ht ot h e s o u t h e a s t t h ea c c u r a c yo fs e m i a n a l 弘i c a lm o d e li ny - a n g t z e e s t u a uw a sl o w a n dt h er o o tm e a ns q u a r ee 1 1 r r o rw a su pt 01 0 m m 3b e c a u s eo ft h ei m p a c t o f h i 曲s c a ：t t e 血g ，c o n l p l e xo fc o l o rc o m p o n e n t sa n dt o om a n ye x p e r i e n c e p a r 锄e t e r sw m c hw e r ed i 衔c u l tt od e t e m l i n e b yt h et w o _ b a n d ，l r e e - b a l l d i 、， 箩，j ，小l 2 一 长江口及邻近海域叶绿素的光学特性及其遥感应用 英文摘要 锄ds y i 】m e t i cc h l o r o p h y l l1 1 1 d e x ( s c i ) m o d e l ，t h ee m p i r i c a lm o d e l sf o r a p p l i c a t i o ni 1 1y n 时z ee s t u a 巧w e r ed i s c u s s e d ，1 、o - b 觚dr a t i om e t h o d ， t h r e e b a n dr a t i om e t h o da n ds c im o d e lw e r eu s e dt or e t r i e v a lo f c h l o r o p h y l l - ac o n c e r 血a t i o ni nt h es e ro f2 0 0 9my 撕酵z ee s u t 阱t h e r e s u l t ss h o 、dt h a tt h ea c c u r a c yo fs c im o d e lw a sb e t t e rt h a i lt 、- b a n d a n dt h r e e - b a n da l g o r i t h m ，a n db o t hi 1 1c l e a ro rt l l r b i dw a t e r ，廿1 es c im o d e l h a sa g o o de f | e e c to ni l w e r s e k e yw o r d ：y 觚g t z e e 咖a r y ；c t l l o r o p h y l l ；a b s o r p t i o nc o e m c i e n t ；0 p t i c a l p r o p e r t i e s ；h l v e r s i o n v i | v - l k ，- v 长江口及邻近海域叶绿素的光学特性及其遥感应用 目录 目录 论文摘要a a b s t r a c r 目录 第一章引言1 1 1 研究目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文的主要内容和创新点4 1 3 1 本文研究的主要内容4 1 3 2 本文创新点5 第二章研究区域及实验方法6 2 1 研究区域概况6 2 2 调查站点7 2 3 现场采样及数据采集：8 2 4 实验室内样品测定9 2 4 1 叶绿素a 浓度测量9 2 4 - 2 浮游植物吸收系数测量9 2 4 3 浮游植物吸收系数测量中褪色剂选取1 1 2 4 4 浮游植物吸收系数测量方法的对比1 4 第三章长江口及邻近海域叶绿素a 浓度的分布特征及变化一1 6 3 1 长江口海域表层叶绿素a 浓度的分布及变化1 6 3 2 长江口海域垂向不同深度叶绿素a 浓度分布1 8 3 3 ，j 、l 右：! ( ) 第四章长江口及邻近海域水体的光学特性2 l 4 1 长江口水体反射率光谱特征2 1 4 2 各水色组分吸收系数的特征2 2 4 2 1 长江口海域浮游植物吸收特性2 4 4 2 2 长江口海域黄色物质吸收特性2 9 4 2 3 长江口海域非色素颗粒物吸收特性3 2 4 3 小结一3 4 第五章长江口及邻近海域叶绿素a 浓度的遥感应用3 5 5 1 建立半分析模型反演长江口叶绿素a 浓度3 6 5 1 1 长江口水体遥感反射率光谱模拟3 6 5 1 2 反演模型的建立4 0 5 2 建立经验模型反演长江口叶绿素a 浓度4 l 5 2 1 反演模型的建立4 1 5 2 2 模型反演验证4 6 5 3 ，j 、结z 1 7 第六章总结一4 8 6 1 本研究的主要结果：4 8 6 2 本研究的不足之处：4 9 v 1 、 ， 【 l ， 长江口及邻近海域叶绿素的光学特性及其遥感应用 目录 参考文献5 0 发表的论文5 7 致谢5 8 v h i ， ， 华东师范大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 _ 1 研究目的和意义 叶绿素( c h l o r o p h y l l ) 是一类与光合作用有关的最重要的色素。光合作用是 通过合成一些有机化合物将光能转变为化学能的过程。叶绿素实际上见于所有能 进行光合作用的生物体，包括绿色植物、原核的蓝绿藻( 蓝菌) 和真核的藻类。 它主要的两个类型是叶绿素a 和b ，存在于高等植物及绿藻；叶绿素c 和d 见于各 种藻类，常与叶绿素a 并存。海洋中叶绿素a 浓度对于海洋生态系统中初级生产力 的研究至关重要，它是衡量浮游植物的生物量和富营养化程度的最基本的指标。 同时，叶绿素a 浓度分布的监测对于海洋大气系统中碳循环研究有着重要的 意义【1 1 。因此，在未来的海洋研究与开发中，对于浮游植物的分布以及变化机制的 研究应置于重要地位。 海洋中叶绿素a 浓度的遥感反演是通过对水体光学特性进行经验统计或是分 析等各种模型的计算，得到水体生物量的过程。它对于大范围海域内水质环境监 测具有重要意义。对水体中各种组分光学特性的充分了解是我们基于遥感图像建 立水体组分反演模式的前提。在水体中，黄色物质、浮游植物和非色素颗粒以及 水自身都对光有不同的吸收和散射。因此，利用光谱分析法来检测水体中各种物 质的组成和含量是可行的。通常是对卫星检测到的离水辐亮度进行光谱分析，根 据经验的、分析的、或是半经验半分析的方法来判定水体中浮游植物和悬浮泥沙 含量。但是在这过程中，卫星获得的信息除受到大气气溶胶干扰以外还受到水面 动态变化的影响，从而导致大量的误差。所以根据不同的区域，实地检测水体光 学特性以研究其变化状况就显得相当重要【2 】。另一方面，浮游植物、非色素颗粒物 和黄色物质作为影响水体光学特性的主要组分，这三者在遥感反演算法建立时， 相互之间的干扰对于算法精度有巨大的影响。因此，研究水体的光学特性是我们 建立遥感反演模式的前提和基础。 m o r e l 和p r i e u r ( 1 9 7 7 ) 将海水分为一类水体和二类水体【3 】o 在一类水体中， 水体光谱主要受浮游植物的影响，对于叶绿素a 浓度的反演也已经比较成熟。二 类水体成分复杂，叶绿素a 浓度的反演要受到非色素颗粒物以及黄色物质的影响【4 】， 各个地区具有很强的区域性，很难获得一个高精度、高普适性的二类水体反演算 法。长江口及邻近海域是一个典型的二类水体，每年约有4 1 0 8t 泥沙及大量污 华东师范大学硕士学位论文第一章引言 染物质被径流携带入海，其中作为浮游植物营养盐的n 、p 、s i 等的含量非常之高 【5 1 。如此大量的物质以及长江口特殊的水文条件使得长江口海域成为一个对环境污 染非常敏感的水域，同时也是历年赤潮多发的海域。自2 0 世纪8 0 年代初以来， 长江口邻近海域赤潮频发，尤其以3 0 。3 07 3 2 。n ，1 2 2 。1 2 3 。1 5 7 e 海域发 生最为频繁【6 】。长江口本身就是一个陆海相互作用的耦合带和高生产力区域，是人 类活动较为频繁的海域，各种因素十分复杂，其生态环境系统和生物资源的变化 与人类生活和经济发展密切相关。因此，对长江口及邻近海域的水体状况进行观 测与研究是相当必要的。唐军武、朱建华、王晓梅【7 - 1 1 】等对黄东海海水组分的光学 特性以及浓度的反演曾进行了调查研究，然而这些研究都避开了高浊度区域。因 此，为认识长江口水色组分光学特性及长江口浮游植物生物量的估算，有必要对 长江口水体光学特性进行研究。通过对长江口叶绿素a 浓度、浮游植物吸收系数 以及非色素颗粒物和黄色物质浓度与吸收系数的测量，在充分了解水体中各种成 分光学特性的基础上，建立并分析适合长江口水质条件的叶绿素a 浓度反演模型， 为长江口光学特性的进一步研究打下基础，为中国近海浮游植物光学特性的研究 作一次有意义的补充。 1 2 国内外研究现状 国内对于叶绿素光学方面的研究已经进行了将近十年时间。目前在国内，大 部分的研究都集中在内陆湖泊以及珠江口地区。而在国外，对于叶绿素的光学特 性以及模型算法研究则在很早以前就已经展开，并且对一类水体的反演算法已经 开发的相当成熟。但是无论在国内还是国外，对于长江口水体光学特性的研究资 料还是相当缺乏的，而且针对此地区叶绿素光学特性研究以及反演算法的研究也 很少见论文报道。 关于浮游植物吸收系数的测量，y e n t s c h 【1 2 】在1 9 6 2 年提出将颗粒富集到滤膜上 的测量方法，之后经过很多人的完善，m i t c h e l l 【1 3 】最终将该方法定义为定量滤膜 技术( q f t ，q u 肌t i t a 咖ef i l t e rt e c h n i q u e ) 。美国n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n d s p a c ea d i n i s t r a t i o n ) 以及t a s s a n 和f e r r a r i 【1 4 】贝0 对滤膜的具体测量提出了透 射法( t 法，t r a n s m i t t a n c em e 也o d ) 和透射一反射法( t - r 法，t r a i l s m i t t a i l c e r e n e c t a n c e m e t l l o d ) 。q f t 方法由于将原本是悬浮状态下的颗粒富集成固体滤膜，在测量时产 生多次散射，造成实际测量光程大于几何光程，因此在对吸收系数的计算中要进 行光程校正，所以引入了光程放大因子b 。t a s s a n 和f e r r a r i 在对纯藻以及近岸 水体的研究中，得到一个一元二次表达式来计算b 值，而董强等【1 5 】在对六种藻类 2 华东师范大学硕士学位论文 第一章引言 样品测定的基础上认为光程放大系数具有波长依存特性。 很多研究者对于浮游植物吸收系数与叶绿素a 浓度之间的关系模式进行了研 究。由于色素组成的影响，浮游植物吸收系数与叶绿素a 浓度之间的关系大多呈 非线性关系：p r i e u r 和sa ：c 1 1 y e n d r a n a 吐l 【1 6 1 、曹文熙掣1 7 】采用幂函数来拟合二者之间 的关系；c l e v e l a n d 【1 8 】等采用多项式来表述吸收系数和和浓度；而l 胞等【1 9 1 、 s a t h y e n d 瑚l l l a m 和p l a 仕【2 0 1 、s t u 砒等【2 1 】贝0 采用直角双曲线函数。这些方法都很好地 表述了浮游植物吸收系数与叶绿素a 浓度之间的关系。比吸收系数是吸收系数与 浓度的一个比值，它是一个生物变量，是许多因素综合影响的结果。在遥感反演 模型的建立中，通常将比吸收系数看成一个常量，通过平均观测海域内浮游植物 比吸收系数来获得这个常量。因此，比吸收系数的变异性就成为了遥感反演的一 个噪音。要提高遥感反演的精度，则要对比吸收系数的变化原因有充分的了解。 曹文熙等【1 7 】在研究中发现浮游植物吸收系数与浓度关系的离散性要比比吸收系数 与浓度关系的离散性大的多，这与非藻类颗粒物的加入有直接的关系；b r i c a u d 等 人口2 】则在研究中发现浮游植物比吸收系数的差异是由色素包裹效应引起的；而 n e l s o n 等人【2 3 】贝0 认为比吸收系数的变化与日光条件、营养盐以及色素包裹效应都 有关系。c a r d e r 【2 4 】贝0 提出了校正色素包裹效应的方法以改善生物光学模型。王桂 芬【2 5 】在南海北部的研究中探讨了浮游植物比吸收系数变化的情况与原因，认为浮 游植物比吸收系数变化主要受色素打包效应和色素成分的影响，并随叶绿素a 浓 度的增大而减小，二者具有良好的幂函数关系。 对叶绿素研究的另一个重要方面则是叶绿素a 浓度反演算法的建立。m o r e l 和 g o r d e n ( 1 9 8 0 ) 总结了三种基于现场光学要素来解译水色数据的方法：经验法、半经 验分析法和分析法。对于经验算法主要是通过大量的实测浓度数据与光学测量数 据结合，建立统计经验关系，然后对水体组分浓度进行估算的一种方法。这类算 法在一类水体中精度较高，算法成熟，有些已经得到业务化应用【2 6 】。然而在二类 水体中，由于高浊度悬浮泥沙的散射作用，使得水体组分反演成为一个难题。 d a l l 0 1 m o 等【2 7 】通过使用s e a w i f s 和m o d i s 数据的近红外波段比上红外波段的方 法来代替蓝绿波段比值方法，这种方法对于悬浮颗粒物在近红外波段的散射干扰 没有作很好的处理。d o e r f f e r 【2 8 】等则针对m e r i s 数据产品开发了c 2 p ( c a s e2 w a t e r sp r o c e s s o r ) 算法来反演二类水体水色组分，但由于长江口高浑浊含沙水 域，叶绿素a 浓度往往被高估或无效估计【2 9 】。1 瓠s a n 【3 0 】利用s e a w i f s 反射率数据 来反演浮游植物的色素浓度、黄色物质浓度以及无机颗粒浓度。对于叶绿素a 浓 度反演，他的方法是利用研究目标的吸收和反射波段相比，然后用另两个波段的 3 华东师范大学硕士学位论文第一章引言 比值来消除二类水体中黄色物质和悬浮泥沙的影响1 3 l 】。s h e n 等【2 明针对长江口高浑 浊含沙水域开发了s c i 模型，对于长江口高浊度水体叶绿素a 浓度的反演具有很 高的精度。生物光学模型又可以分为代数法、非线性优化法、主成分分析法和神 经网络法【3 2 捌：代数法又称为“半分析法”，它是用一定周期测量的光谱数据，建 立光谱特征与水中物质成分浓度之间的定量关系。l e e 等【3 4 】在对墨西哥海湾以及蒙 特利尔海湾的叶绿素测量时使用代数法开发了反演模型并与传统的模型计算结果 比较，发现精度较高。a n a t o l y 等【3 5 】利用代数法开发了一个基于三波段的半分析模 型，将之与二波段的模型比较，发现三波段的模型无论是在误差还是数据偏离量 上都比较小。非线性最优化法是一个先确定海洋水色模式，通过多次调整叶绿素 浓度、悬浮泥沙浓度、黄色物质浓度等输入参数做重复计算，最后达到辐射值与 实际测量的辐射率之间的误差最小的方法。b u k a t a 等( 1 9 9 1 ) 、l e e 等( 1 9 9 6 ，1 9 9 9 ) 、 g a r v e r 和s i e w e d ( 1 9 9 7 ) 都在非线性最优化上做了大量的研究【3 每3 9 1 。神经网络算 法和主成分分析法也是现今水色遥感中应用比较多的两种方法。唐军武等【_ 7 】建立了 由遥感反射率反演水色三要素浓度的神经网络模型，并与经验统计算法的结果进 行了比较，发现三要素同时反演的精度要低于经验统计算法，但每个要素独立反 演则精度比较高。 1 3 本文的主要内容和创新点 1 3 1 本文研究的主要内容 1 ) 对颗粒物吸收系数的测量方法进行研究 探讨在颗粒物吸收系数测量中，透射法与透射反射法的差别，选取对高浓度 悬浮泥沙海域颗粒物吸收系数测定最优的实验方法。简单分析几种浮游植物色素 褪色试剂的差异以及在实验过程产生的影响； 2 ) 分析长江口叶绿素a 浓度的时空分布 根据各季节实测数据分析长江口及邻近海域春、夏、秋三个季节叶绿素a 浓 度在水平以及垂向上的分布，并讨论各季节叶绿素a 浓度的变化； 3 ) 分析长江口及邻近海域浮游植物的光学特性 简单介绍长江口及邻近海域水体反射光谱特性，各组分吸收特性。着重介绍 长江口及邻近海域浮游植物光谱吸收特性及吸收系数的参数化。吸收系数的参数 化主要是研究叶绿素吸收光谱中各个波段之间吸收系数的关系，通过统计建立一 个基于某个波段的叶绿素吸收系数关系模型。建立浮游植物吸收系数与叶绿素a 4 华东师范大学硕士学位论文 第一章引言 浓度之间的统计关系并简单介绍水体组分散射特性； 4 ) 建立长江口水体反射光谱模拟公式并探讨叶绿素a 反演公式 通过对水体固有光学特性和表观光学特性的研究，建立长江口邻近海域水体 反射光谱的模拟公式。探讨长江口海域叶绿素a 浓度反演模式。 1 3 2 本文创新点 1 ) 研究了水体颗粒物吸收系数的测量方法，并指出了适合长江口及邻近海域 水体的颗粒物吸收系数测量方法。 2 ) 分析了长江口及邻近海域高浊度水体的光学特性及其季节性变化，并探讨 了叶绿素a 浓度的反演模型。 5 华东师范大学硕士学位论文第二章研究区域及实验方法 第二章研究区域及实验方法 2 1 研究区域概况 长江全长6 3 0 0 多公里，是我国最长的河流，其河口区自安徽大通向下到水下 三角洲前缘长达7 0 0 多公里。河口段自徐六泾( 1 2 2 。5 5 1 2 ”e ，3 1 。4 4 7 5 4 n ) 向下由崇明岛分为南、北两支水道；南支水道在吴淞口附近被长兴岛以及横沙岛 分割为南港和北港；而南港又被九段沙分为南槽和北槽，从而形成三级分叉，四 口入海的特征。长江口往外则为面积约1 万平方公里的水下三角洲，其前缘最东 可达1 2 3 。e 。 长江口水量丰沛，据大通站资料，长江口年平均流量2 9 3 万立方米每秒，年 径流总量9 2 4 0 亿立方米。由于季风的影响，长江流域径流量在一年中有明显的季 节性变化，其中5 1 0 月为长江洪季，径流占全年总量的7 1 7 。l l 4 月为枯季， 径流量占2 8 3 。一般在每年的7 月和2 月，长江入海口月径流量达到最大值和最 小值【4 0 1 。而在近年来，由于人口的增加、经济的发展，耗水量增加，加上长江中 上游大量水库的修建，使得长江流域径流量呈下降的趋势。在长江口外海域，由 长江冲淡水、台湾暖流和苏北沿岸流等交汇作用，形成了独特的生物化学过程。 长江冲淡水向外扩展呈双舌形状分布：首先，长江冲淡水顺河口乡东南方向流动， 在口门处一部分冲淡水穿过杭州湾及舟山群岛沿岸南下或自口门处向东南方向扩 展；另一部分则转向北或东北方向进入南黄海西酬4 1 1 。冬季，台湾暖流减弱，苏 北沿岸流增强，长江口冲淡水南下汇入江浙沿岸流。台湾暖流在向北扩展过程中， 其左前部与长江冲淡水相遇，在河口外形成上升流【4 2 】。 由于长江流域径流量巨大，长江每年随径流入海的泥沙平均达4 8 6 亿吨。受 径流量的年际以及季节性变化，输沙率的变化较为明显。每年7 月份输沙率是1 月份输沙率的3 2 倍左右，洪季的输沙量更是占总输沙量的8 7 。长江口入海泥沙 主要向东南方向扩散，通过卫星数据，我们可以发现浑水的舌端主要位于1 2 2 。e 以东。大量的泥沙在径流与潮流的共同作用下沉积于南支口门附近，南港口外水 下三角洲是主要淤积区。而在口外滞留点附近，大量悬浮泥沙长期滞留形成最大 浑浊带，范围约为2 5 4 6 公里，其表层含沙量约为0 1 o 7 公斤每立方米。到 1 2 2 。3 0 e 往外，悬浮泥沙浓度急剧减少。 长江口邻近海域中黄色物质主要来源于陆源溶解有机物，浓度从长江口向东 南和东北海域递减。在口外最大浑浊带区域，黄色物质的浓度达到最大。长江口 表层黄色物质浓度受潮汐活动影响显著。河口水层垂向混合过程显著时河口区黄 华东师范大学硕士学位论文第二章研究区域及实验方法 色物质趋于空间均匀分布，而在其他时候黄色物质呈现保守混合行为。随季节不 同黄色物质浓度有明显的差异。冬季浓度最高，春季最低。夏季浓度高于春季但 低于冬季1 4 3 1 。 长江口水体流动主要包括潮流和余流。潮流为往复流，受口外潮波的控制， 因径流作用和水位变化，在绝大部分区域落潮流大于涨潮流，落潮历时大于涨潮 历时。潮流具有季节、半月大小潮和日涨落潮周期变化。在长江口，2 3 月和8 9 月潮差大，潮流强；半月大小潮变化显著，且前后两个大小潮潮差和潮流具有较 明显变化；一天之中的两次涨潮和落潮日不等明显j 河口余流主要由径流、热盐 环流组成，其他还有风生流和潮致余流。长江口存在大范围水平横向环流。由于 冬季盛行北风，口外陆架向岸e k l a n 输运导致北支、北港向陆，南港、南槽和北 槽向海的横向水平风生环流。这种横向环流对各汉道的动力过程会产生显著的差 异【3 6 1 。 2 2 调查站点 为研究长江口水体光学特性及各组分间的关系，建立叶绿素a 浓度反演模型， 本研究共进行了8 次野外测量。测量站点如图2 1 所示。2 0 0 9 年4 月、6 月、7 月、 1 0 月及1 2 月为小航次，每次测量历时1 天。测量区域主要为长江口徐六泾以下到 南汇1 2 2 。e 的长江口航道，测量内容为水体表层各组分浓度及吸收特性。2 0 0 9 年 5 月、8 月和1 1 月为三个大航次。主要测量水体各组分浓度、吸收系数、水体反 射光谱、水体散射系数。0 9 年8 月份航次测量范围较大，主要在1 2 1 。5 0 7 e 1 2 4 。 e 、2 9 。3 0 7 n 3 2 。3 0 n 。而0 9 年5 月、1 1 月测量范围集中在1 2 l 。3 0 e 1 2 3 。 e 、3 0 。5 9 n 3 1 。4 0 7 n 。各航次站点分布覆盖了长江口径流、最大浑浊带、羽 状峰以及外海清澈水体，对于不同浑浊水体的光学特性都有涉及，这使我们对整 个长江口的水色状况有一个系统、全面的了解。每个航次调查区域详细信息见表 2 】。 7 华东师范大学硕士学位论文 第二章研究区域及实验方法 1 2 1 。o e1 2 1 。3 0 e1 2 2 。口e1 2 2 。3 0 e1 2 3 4 口e1 2 3 。3 0 e1 2 4 。口e 图2 1 研究范围与调查站点 表2 12 0 0 9 年各航次具体信息 21 3 现场采样及数据采集 水样的采集方法参考n a s a 的生物光学调查规范和国家海洋局9 0 8 专项办公 室编制的海洋生物光学调查技术规程，使用n i s k i n 采水器采集水样m 。在2 0 0 9 年 每月的长江口水质调查中，主要采集表层水样；而在几个大航次中则纵向分层采 样，主要采集表层、5 米、1 0 米以及1 5 米水样。采集的水样用来测量叶绿素a 浓 度、浮游植物吸收系数、悬浮颗粒物吸收系数、悬浮颗粒物浓度、黄色物质吸收 系数等。水样采集后现场过滤，叶绿素a 浓度与颗粒物吸收系数的过滤使用4 7 i i 姗 8 ， ， 华东师范大学硕士学位论文第二章研究区域及实验方法 直径、o 7 “m 孔径的玻璃纤维滤膜( g f f ) 。过滤前使用蒸馏水或m i l l i q 水清洗 过滤器。由于长江口悬浮泥沙含量较高，因此过滤的水样体积视情况增减，一般 在0 1 l l ，过滤中在一个大气压强的情况下对水样进行抽滤，过滤接近完毕时滴 加两滴饱和m g c 0 3 溶液。将用于叶绿素a 浓度测量的滤膜对折包于铝箔中，而用 于浮游植物吸收系数测量的滤膜则平展开置于培养皿中，然后用铝箔包住放到液 氮中保存。 黄色物质的过滤使用o 2 p m 孔径的聚碳酸酯滤膜，过滤前将滤膜浸泡在 1 0 h c l 溶液中1 5 分钟。滤器使用1 0 h c l 溶液清洗，然后用蒸馏水以及m i l l i q 水冲洗3 遍。将浸泡于h c l 溶液中的滤膜取出，用蒸馏水冲洗干净置于滤器中， 过滤2 0 0 m l 水样清洗滤器，再过滤大约2 0 0 m 1 水样，将滤液收集到棕色玻璃瓶中， 置于4 0 冰箱中存储。颗粒物浓度的过滤则使用醋酸纤维滤膜。 对于水体反射率光谱的测量，使用s a t l a n t i c 公司的h 帅e