黄渤海悬浮颗粒物密度的空间分布及其对固有光学特性的影响

【目的】研究悬浮颗粒物密度在黄渤海的空间分布特征及其对水体固有光学特性的影响。【方法】利用2014年11月以及2015年8月现场实测数据,计算得到黄渤海悬浮颗粒物密度,绘制出黄渤海悬浮颗粒物密度的空间分布图。将研究区域悬浮颗粒物密度与固有光学特性进行拟合分析。【结果】两个航次悬浮颗粒物密度的空间分布比较复杂,但整体趋势显示中层密度要小于表层和底层。在表层、中层和底层的密度分布图中,黄河口附近均有密度小值区域,山东半岛附近有密度大值区域,随着深度增加该大值区域有南移趋势。悬浮颗粒物密度与比固有光学特性c_p~*、b_p~*、b_(bp)~*拟合所得到的P值绝大部分小于0.05,与固有光学特性c_p、b_p、b_(bp)拟合得到的P值全部大于0.05,而与Q_(ce)、Q_(be)、Q_(bbe)拟合得到的P值多数大于0.05。【结论】悬浮颗粒物密度对比固有光学特性变化影响较大,尤其对c_p~*影响达到51%;对Q_(ce)、Q_(be)、Q_(bbe)的变化影响一般;对c_p、b_p、b_(bp)变化影响较小。     

渤黄海水体漫衰减系数的遥感反演

【目的】针对中国渤黄海水体类型复杂的特性,建立一个同时适用于浑浊水域与清澈水域的漫衰减系数反演算法。【方法】利用2000年7月至2004年2月在中国近海海域现场测量的238组光谱数据,针对浑浊水域与清澈水域分别建立漫衰减系数的半分析算法和经验算法,并基于加权方法将两算法结合,构建水体联合算法。【结果】新建立的联合算法精度较高且较为稳定:算法的决定系数(R~2)达到0.891,均方根误差(RMSE)与平均绝对误差(MAPE)分别为0.543 m~(-1),26.77%。在误差敏感性分析中,半分析算法与经验算法的MAPE与RMSE在6%和0.06m-1以内。【结论】新的反演算法适用于我国渤黄海水体漫衰减系数K_d(490)的反演。     

悬浮颗粒物垂直分布对水体光学特性的影响

【目的】研究典型湖泊水体垂直分布对遥感反射率的影响,并了解其主要影响波段和影响水深。【方法】利用实测数据和前向辐射传输模型得到水体垂直分布模拟数据,选取两种典型的湖泊水体垂直分布类型,研究它们对水表面遥感反射率的影响,并分析其敏感波长和最大影响深度。【结果】与均质水体相比,不同类型的水体垂直分布最大会引起遥感反射率100%的高估或者30%的低估且误差随着水深的增大而减小。当表层悬浮颗粒物浓度(SPM1)较小时,在相同浓度条件下,不同类型水体垂直分布的敏感波长随着水深增大逐渐减小;在同一深度时,敏感波长随着悬浮颗粒物浓度的增大逐渐向长波方向移动;当SPM1较大时,敏感波长随水深增大没有明显变化。不同类型水体在SPM1较低时,各波段的最大影响水深各不相同,可达10m,并随表层悬浮颗粒物浓度的增大而逐渐减小,峰值波长逐渐向长波方向移动;当SPM1较大时,最大影响水深集中于0.5~2.0 m,随波段递增无明显变化规律。随着表层水体的衰减系数的增大,最大影响水深在不同波段基本呈递减趋势。【结论】研究成果有助于准确的理解表层遥感反射率中所包含的水体垂直结构信息,并为深入研究非均质水体光学特性及其辐射传输过程提供理论依据。     

长江口及邻近海域水体反射率的模拟

通过对2009年8月和11月水体光学特性的分析发现：长江口邻近海域夏秋两季反射光谱曲线由于悬浮泥沙、浮游植物以及黄色物质的影响呈现4种形状;叶绿素a浓度与浮游植物吸收系数可通过两种方式建立良好关系;将水体各组分光学特性参数化,并结合叶绿素a浓度与吸收系数的两种关系分别建立水体反射光谱参数模式,从而可以对水体遥感反射光谱进行模拟,模拟曲线的均方根误差分别为0.004 4和0.004 5.在模式的建立中,根据长江口海域水体组分浓度的分布状况,对悬浮泥沙浓度以及叶绿素a浓度进行分类,得到不同水体组分浓度下反射率光谱曲线;然后分别获得模式参数并进行模拟,得到的反射率模拟曲线与实测相对均方根误差为0.003 5,具有更高的模拟精度.     

鄱阳湖丰水期水体后向散射特性研究

后向散射是获取湖泊水体光学活性物质遥感信息的关键,针对无机悬浮物为主的浑浊二类水体, 其对水体表观光学性质有着决定性的影响,研究表层水体后向散射特性在提高湖泊光学活性物质遥感反演精度方面具有重要的意义.该文通过2017年6月在鄱阳湖丰水期36个站点的巡航监测,分析了水体后向散射特征及其与光学活性物质的关系,并利用指数模型对后向散射系数进行参数化.研究结果表明：在420～700 nm波段范围内,水体后向散射系数、后向散射概率随波长的变动趋势较为一致,均随着波长的增大呈指数函数减小;空间上水体后向散射系数的均值和变幅为南湖区>主湖区>北湖区;总悬浮颗粒物浓度与后向散射系数之间的相关性随波长增大而增大,其中700 nm波段的相关性最好,R2达到0.760;随着波长的增加后向散射系数与叶绿素a含量的相关性减少;同时建立了后向散射系数光谱模型,斜率指数为1.229,470～700 nm波段平均绝对百分比误差均小于8%,具有较好的反演精度.     

长江口水质MERIS卫星数据遥感反演研究

【目的】获取准确的水质参数分布情况,进而对水质参数与动力作用复杂的河口水域环境进行综合评价。【方法】利用2011年5月30组长江口水域的遥感反射率数据,在尝试多种波段组合以及不同函数形式后,针对叶绿素a浓度和总悬浮物浓度分别建立最优经验反演模型。【结果】对总悬浮物浓度,波段差值(634~644nm)的二次函数形式最优,决定系数R~2为0.837,均方根误差(RMSE)为0.226mg·L~(-1),利用独立的验证样本得到平均绝对百分比误差(MAPE)为58.2%。对叶绿素a浓度,波段比值(650nm/644nm)的二次函数形式最优,R~2为0.552,RMSE为0.486mg·m~(-3),利用独立的验证样本得到MAPE为66.2%。将模型运用于2011年5月MERIS卫星数据,反演出长江口水域叶绿素a浓度与总悬浮物浓度空间分布图,叶绿素a浓度呈现出从河口向外海逐渐减少的趋势,最大值出现在舟山群岛附近。总悬浮物浓度呈阶梯状向外海减少。【结论】通过评价参数可看出,总悬浮物浓度反演模型对总悬浮物浓度反演效果较为准确,而叶绿素a浓度反演模型显示对叶绿素a的反演浓度较低。     

二类水体悬浮泥沙遥感反演算法综述

鉴于二类水体本身光学性质的复杂性及其与人类生产活动的密切关系,利用遥感数据监测二类水体水质受到了国内外学者的普遍关注,成为海洋学领域的热点问题。悬浮泥沙含量是表征水质优劣的一个重要参数,众多研究致力于建立悬浮泥沙反演模型的研究,定量反演二类水体悬浮泥沙浓度。该文总结了近年来二类水体悬浮泥沙遥感反演算法的研究进展。悬浮泥沙定量反演模型大致可分为以下三类：1）利用水体光学特性和水体组分之间关系建立的经验模型;2）综合经验模型和物理模型构建的半分析模型;3）基于辐射传输模型和生物光学模型建立的物理模型。针对目前反演算法存在的主要问题,提出未来的研究需加强反射率光谱曲线研究、开发高光谱遥感数据以及综合多源数据信息等方面的内容。     

长江口水域悬浮泥沙粒径对光谱反射率的影响分析

在悬浮泥沙遥感研究中,通常忽略粒度特征因子,主要考虑悬沙浓度单个因子与光学特性的关系.而单纯考虑浓度与光谱反射特性关系所建立的模型在应用的时空尺度方面会受到较大的限制.将沉积物打碎并分散在溶液中,然后从不同角度照射悬浮在溶液中的颗粒,并统计不同粒径区间内颗粒的数量和比例,从而描绘出粒径频率分布图获取粒径参数方式,分析悬沙粒径因子对光谱反射率的影响.测试结果表明悬沙粒径分布主要是通过后向散射来对光谱反射率产生影响,细颗粒泥沙具有较大的后向散射,粗颗粒泥沙则具有较小的后向散射;细粒径泥沙会增大光谱反射率.实验结果有力证实了理论分析.     

海浪波谱仪微波散射模型

【目的】建立与观测数据相符的海浪波谱仪(SWIM)散射模型。【方法】利用Kirchhoff近似以及准镜面散射理论,建立从海浪方向谱映射到海浪波谱仪后向散射截面(σ°)的散射模型,并利用热带降雨测量卫星(TRMM)所搭载的降雨雷达(PR)提供的低入射角下的后向散射截面数据,对模型进行检验。【结果】准镜面散射模型结合高阶Gram-Charlier级数型海表斜率概率密度函数,模拟的雷达后向散射截面与入射角的关系在降雨雷达的0~18°入射角范围内与实测数据一致。【结论】海浪波谱仪的信号散射可利用准镜面散射模型结合高阶Gram-Charlier级数型海表斜率概率密度函数来描述。     

浮床栽培海马齿对海水中悬浮颗粒物清除作用的实验研究

当前,我国许多流域和沿岸水体悬浮颗粒物的浓度较高,给大型海藻和其他底栖水生植物的正常生长带来十分不利的影响.如何有效降低水体的悬浮物浓度,是沿岸水域生态恢复面临的重要问题之一.研究了植物浮床系统中滩涂耐盐植物海马齿(Sesuvium portulacastrumL.)的根系对海水中悬浮颗粒物的净化效果.结果显示,种植海马齿的实验水体悬浮颗粒物浓度显著低于对照组(p<0.01),在24 h内,由海马齿构成的生态浮床模拟系统对水体中悬浮颗粒物的清除率达到90%以上;海马齿根系对不同粒径的悬浮颗粒物清除效果不同,主要作用于粒径<20μm的悬浮颗粒物,且颗粒物粒径越小,根系对其清除效果越明显;随着粒径增大,悬浮颗粒物的自然沉降作用增强,尤其是粒径≥20μm的颗粒物.研究还表明,海马齿根系不仅对水中悬浮颗粒物具有良好的清除作用,同时能使其浓度提前达到稳定水平.     

南黄海表层沉积物中生源要素的分布规律及其环境意义

【目的】研究南黄海表层沉积物中生源要素的分布规律及其影响因素。【方法】通过测定南黄海82个站位表层沉积物样品中生源要素的含量及表层沉积物的平均粒径,分析研究区表层沉积物中生源要素和沉积物粒径的分布特征,并从表层沉积物中有机质来源、沉积物粒度、水动力作用和环境等因素探讨其对生源要素分布的影响。【结果】南黄海表层沉积物中生源要素总有机碳(TOC)、总氮(TN)及总磷(TP)的含量与平均粒径存在显著的相关关系,近岸沉积物粒度较大,对应生源要素的含量较低,在南黄海中部海区的沉积物粒度较细,各生源要素的含量较高。【结论】表层沉积物的粒度是影响生源要素含量分布的主要因素,即粒度越细,表层沉积物中生源要素含量越高。同时,有机质来源和水动力作用在一定程度上也影响和控制着表层沉积物粒度及生源要素的分布。生源要素TP分别与TOC、TN之间相对较弱的相关关系和近岸河口等地生源要素的高值表明,可能存在其他外部环境因素也会对其含量造成影响。     

莱州湾西部海域营养盐分布特征及营养化程度评价

【目的】对莱州湾西部海域的无机氮和磷酸盐分布情况进行分析,了解和掌握莱州湾西部海域的环境质量状况。【方法】以2011年8月该海域的监测数据为基础,分析该海域水质营养盐分布特征,并对营养化情况进行评价。【结果】莱州湾西部调查海域营养盐总体呈自西向东递减的趋势,河口附近为营养盐的高浓度区;相关性分析表明,盐度与无机氮、磷酸盐、COD呈显著负相关性(P0.01),而COD和无机氮、磷酸盐呈显著正相关性(P0.01);莱州湾西部调查海域无机氮污染较严重,调查海域所有调查站位的无机氮含量超《海水水质标准》(GB 3097—1997)的第一类海水水质标准,而磷酸盐含量则有37%调查站位超《海水水质标准》(GB 3097—1997)的第一类海水水质标准。【结论】莱州湾西部调查海域富营养化较严重,相关环保部门应加强监管,严格控制陆源污染。     

中国东部海区bGDGTs的含量分布及其与环境因子的关系

【目的】近海是接受陆源输入的主要地带,沉积物中的有机质有可能记录了流域环境与气候变化的信息。本文以中国东部海区表层沉积物中陆源细菌来源的支链类甘油二烷基甘油四醚脂(branched Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers,bGDGTs)为研究对象,分析其作为流域环境与气候变化指标的可行性。【方法】使用高效液相色谱-质谱联用仪(HPLC-MS)分析海域表层沉积物中bGDGTs的含量和分布,并进一步统计分析其与环境因子的关系。【结果】中国东部海区沉积物中bGDGTs的绝对含量呈现出区块状分布,在东海基本上随离岸距离的增加而降低,而在南黄海最高值出现在南黄海中心泥质区。支链和类异戊二烯指数(BIT)值除在长江口外上升流区外,基本呈现出随离岸距离的增加而降低的趋势。【结论】bGDGTs主要来源于陆源输入;有机质主要富存于细颗粒沉积物,且有海洋自生bGDGTs的贡献;相对于陆源输入,海洋自生bGDGTs以环状为主;除特殊环境,BIT仍可以作为衡量陆源输入相对多寡的指标;东部海区沉积物中的甲基化指数/环化指数(MBT/CBT)不能作为构建流域古气候变化的指标。     

气候变化背景下渤黄海海温时空特征分析

【目的】研究渤黄海海温时空变化特征及其与全球海温的关系。【方法】采用相关分析、小波分析等方法,对1985—2015年渤黄海海洋站的海温观测资料进行分析。【结果】渤海是中国内海,沿岸海温受陆地影响显著,变化幅度大,对气温响应快;黄海作为太平洋的边缘海,与外海水体交换通畅,水温变化幅度相对较小,水温变化与渤海相比具有一定的滞后性;各站海温变化周期特征不尽相同,但在2000年以后各站均有较为明显的8年周期;渤黄海海温与全球大部分海域一致,近30年呈现上升趋势,但上升速率与同纬度太平洋和大西洋相比较低,黄海海温上升速率高于渤海。【结论】渤黄海海温具有明显的月际、年际和周期变化特征,受海陆分布等因素影响渤黄海海温对气候变暖的响应低于同纬度太平洋和大西洋。     

质子治疗被动散射系统束流横向扩展的蒙特卡罗模拟

【目的】质子固有的物理特性为治疗肿瘤提供了理想的方法。与主动式相比,被动式质子束流横向扩展有很多优势。为达到最佳治疗目的,对被动式质子束流横向扩展方式的几种方法进行了模拟。【方法】利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法计算质子经过一个或两个散射体后的束流分布特性,并与解析计算的结果进行比较,讨论3种方法在束流利用率和束流扩展半径方面的差别。【结果】双散射体方法较单散射体方法在束流利用率和束流扩展半径方面具有明显优势。【结论】考虑束流利用率,平均能量损失及形成距离,双环双散射体方法是被动散射体方法中比较好的方法。     

南黄海及长江口邻近海域夏季溶解有机碳的分布特征及其影响因素

【目的】海水中溶解有机碳(DOC)的研究对于碳的生物地球化学循环具有重要意义。通过对南黄海及长江口邻近海域夏季溶解有机碳的分布特征及其影响因素的研究,为进一步丰富我国陆架边缘海碳循环的研究提供数据支持和参考依据。【方法】利用高温燃烧氧化法对2013年夏季南黄海及长江口邻近海域水体中的DOC进行测定,初步分析夏季南黄海DOC的分布特征,并结合水文、化学、生物同步观测参数,探讨影响DOC分布的主要因素。【结果】2013年夏季南黄海及长江口邻近海域DOC的含量为0.24~2.37mg/L,平均值为(1.34±0.42)mg/L。整体而言,调查海区平面分布呈现北部浓度高,向南部逐渐降低,近岸浓度高远岸浓度低的分布趋势。DOC的垂直分布呈现表层高,逐渐向底层减小,在底层又有所增加的趋势。【结论】研究海区DOC的分布受水团物理混合控制作用十分明显,近岸DOC高值区的分布主要受鲁北沿岸流和陆源输入影响,南部的低值区主要受黑潮表层水及台湾暖流的稀释作用影响,而生物作用对DOC的分布影响较弱。     

钦州湾水质自动监测的周年变化特征

【目的】研究钦州湾(茅尾海和钦州湾外湾)周年水质变化特征,探讨海湾水质经常性超标的原因。【方法】利用2012年在线自动监测数据,分析海域水温、盐度、pH值、溶解氧以及叶绿素的周年日、季变化。【结果】两个海区盐度、pH值、溶解氧均呈现一、四季度高,二、三季度低的特征,其中最高值出现在第一季度,最低值出现在第三季度。茅尾海叶绿素最高值出现在第三季度,而钦州湾外湾出现在第一季度。茅尾海和钦州湾外湾水质超标主要为pH值,超标天数分别为243d和42d。【结论】茅尾海和钦州湾外湾受河流影响明显,pH值经常性超标,主要原因是采用海水标准评价,建议尽快确定河口区范围、制定河口水质评价方法和标准,以对主要河口区水质进行合理评价和管理。     

北海近岸海域化学需氧量分布特征及其影响因素研究

【目的】系统分析北海近岸海域化学需氧量(COD)的平面分布特征及季节变化,探讨不同环境要素对COD分布的影响。【方法】根据2010年6月~2011年3月期间在北海近岸海域4个航次20个站位的生态环境调查数据,采用标准指数法、相关性系统法等对该海域的COD时空分布及其环境影响因子进行分析讨论。【结果】COD高值区及超标的站位主要位于河口附近海域,其余大部分海域COD标准指数均1,处于一类海水水质范围。除夏季外,调查海域各个季节COD浓度与温度之间的相关系数均为正值,且大于0.45;各季节COD浓度与盐度之间的相关系数普遍高于0.5,两者之间呈较好的负相关关系;春、夏及秋季COD与叶绿素之间的相关指数均较高;COD与悬浮物含量呈正相关性,除夏季较小相关系数为0.596外,其余季节的相关系数均在0.7以上。【结论】各季节调查海域表层海水COD的平面分布特征基本一致,主要表现为近岸高、外海低,由沿岸向离岸方向呈逐渐降低的趋势。COD主要来源于陆源输入,尤其是河流输入。