高生產力區LISST－100和OBS對懸浮顆粒物測量的比較研究＊

凡仁福，魏 皓，趙 亮＊

（1.天津科技大學 海洋與環境學院，天津300457；2.天津大學 海洋科學與技術學院，天津300072）

陸架海中懸浮顆粒物的濃度及粒徑信息是極其重要的環境參數，廣泛用在顆粒物沉降速率和通量的計算、河口地區絮凝機理的探討等研究中［1－3］。LISST－100（Laser In－Situ Scattering and Transmissometry－100）和OBS（Optical Backscatter Sensor）是現場測量懸浮顆粒物體積分數和濁度的主要光學儀器，它們能夠獲取具有較高時空分辨率的懸浮顆粒物資料［4－6］。LISST－100能夠區分32個呈對數分布的粒級，C型有效粒徑測量范圍為2.5～500.0μm，通過區分不同粒徑顆粒物對激光束的前向散射角度，設置32個接收光環，獲得不同粒徑懸浮顆粒物的體積分數［3，7］。OBS是通過接收紅外輻射光的后向散射強度獲得水體濁度值（NTU），以此推算懸浮物濃度，一般認為濁度高則表征懸浮物濃度高［8－9］。其中OBS價格較低、體積小、耗電低，使用方便、多用于錨系或海床基平臺長期觀測。LISST－100價格昂貴、體積大，不適合長期觀測，但在剖面觀測中同時可以獲得粒徑信息，有其優越性。Sutherland等［10］以及張文祥和楊世倫［11］指出，顆粒物粒徑大小是影響OBS觀測精度的主要因素，生物及水色等因素也會對測量結果產生一定影響，Bunt等［12］發現在顆粒物濃度特高水域OBS觀測會產生較大的誤差，魏曉等［13］發現光學儀器易受到生物污垢的影響，LISST－100可獲得懸浮顆粒物粒徑信息從而可剔除粒徑的影響。兩者測量、推算的懸浮物濃度對不同環境有何響應，儀器的適用性如何還需深入討論。

本研究基于2013－07于浙江外海高生物生產力區設立的周日觀測站由LISST－100（C型）、OBS得到的懸浮顆粒物資料，結合同步觀測的葉綠素質量濃度和該區域浮游生物類群特征，分析兩儀器觀測的懸浮顆粒物剖面隨時間的變化規律，探討在高生物量水體和無機顆粒物占優條件下LISST－100（C型）和OBS測量懸浮顆粒物的適用性。

1 觀測方法

2013－07－13—08－02乘“東方紅2號”科研考察船在黃、東海開展了夏季航次的綜合調查，在此期間，于07－29T12：00起在浙江外海中陸架區（122°34′48″E，28°43′48″N）執行了一個定點周日觀測（圖1，ME3站），站位平均水深為63m，該站位于上升流海域易形成高生物生產力區，浮游生物活動十分活躍［14－15］。我們采用 LISST－100（C型）和OBS同步進行懸浮顆粒物測量，同時采用SBE 911plus CTD 攜帶的 Seapoint Chl－a傳感器對葉綠素質量濃度進行觀測。每小時投放一次儀器獲得垂直剖面，取下行觀測數據進行質量控制，得到垂向1m平均的各要素數據。表層數據取在水深2m處。

圖1 觀測站位和水深（m）圖Fig.1 Map of grid station with water isobaths contoured in meters

2 結果

2.1 LISST－100測量的總體積分數和OBS測量的濁度

觀測時間為2013－07－29T12：00—2013－07－30T11：00，觀測結果見圖2。LISST－100獲得的懸浮顆粒物總體積分數（圖2a）變化呈現出分層結構，3個總體積分數高值中心分別位于：2～20m，30～35m，50～60 m，依此將水柱分為上層、中層和近底層水體。上層水體中呈現出白天（12：00—18：00和07：00—11：00）顆粒物總體積分數低（5～20μL／L），夜間（20：00—06：00）高（15～50μL／L）的現象，中層水體中一直存在著一層較薄的顆粒物總體積分數高值層（20～40μL／L），近底層水體中顆粒物總體積分數最高，基本上＞30μL／L，13：00—18：00和03：00—08：00甚至出現顆粒物總體積分數特高（＞40μL／L）時段，與再懸浮有關，這2個時段都處于從漲急、漲憩到落急階段，對應潮流流速比較大的時段，強的流速變化有利于再懸浮發生（關于沉積物再懸浮詳細的動力過程另文介紹，此處略）。

OBS獲得的濁度（圖2b）變化也呈現出顯著的分層現象：2～35m左右的水層為濁度低值區（＜7 NTU），19：00—20：00和03：00—11：00 2～11m水體中濁度為3～5NTU，12：00—06：00 20m水深附近出現濁度最低值水體（＜1NTU），且隨時間的推移，濁度最低值水體范圍逐漸減小。濁度高值（＞13NTU）分布于45m以深水體中，在近底層水體中出現2個濁度特高（＞19NTU）時段，分別是13：00—18：00和03：00—08：00，與LISST－100的近底層高懸浮顆粒物總體積分數分布趨勢相似。

總的說來，LISST－100和OBS測量反映的懸浮顆粒物濃度雖然都存在垂直分層，但各層隨時間的變化過程兩者反應的各有不同。在50～60m左右的近底層水體中，兩者變化趨勢基本一致，總體積分數和濁度發生特高時段均相同。上中層水體中兩者反映的總體積分數和濁度隨時間變化過程不同，LISST－100反映出懸浮物總體積分數在夜間時段（20：00—06：00）顯著增加，OBS反映的高濁度時段與此不同，在21：00—02：00的午夜時段反而降低，在20m水深附近呈現濁度最低；30～35m左右的中層水體中LISST－100測量的懸浮物持續維持著較高的總體積分數，是水柱中的極大值，濁度在相應水層未呈現較高值。LISST－100總體積分數與OBS濁度的散點圖（圖3）同樣支持以上結果，2～20m左右的上層水體（藍色點）中總體積分數在夜間增加，白天降低，濁度始終維持在較低的平穩變化，30～35m左右的中層水體（粉紅色點）中濁度低時，總體積分數較高，濁度略有增高時，總體積分數有降低趨勢，50～60m左右的近底層水體（黑色點）中總體積分數與濁度為顯著的線性關系。兩儀器對于懸浮顆粒物的測量反映出的總體積分數及濁度變化過程底層基本相同、中上層不同的原因還需深入分析。

圖2 LISST－100總體積分數和OBS濁度的深度－時間剖面圖Fig.2 Time－depth variations of LISST－100total volume fraction and OBS turbidity

圖3 不同層次LISST－100總體積分數與OBS濁度的散點圖Fig.3 LISST－100total volume fraction versus OBS turbidity in the different water layers

2.2 不同粒徑顆粒物體積分數和葉綠素質量濃度

通過懸浮顆粒物總體積分數的深度－時間剖面可知，總體積分數高值中心分別位于上層、中層及近底層水體中，而每層水體中顆粒物總體積分數高值區都存在占優粒徑譜峰（圖4），據此我們將譜峰粒徑范圍大約在17＜d＜28μm和280＜d＜390μm的顆粒劃分為小粒徑顆粒物和大粒徑顆粒物。

上層水體中小粒徑顆粒物體積分數（圖5a）變化與總體積分數（圖2a）變化趨勢基本一致，但更加凸顯了夜間時段小粒徑顆粒物的增加，且在20～25m水深處夜間時段有極大值，30～35m左右的中層水體沒有高值，50～60m左右的近底層水體中同樣反映出小粒徑顆粒物與總顆粒物體積分數變化趨勢的一致性，發生的較高時段也基本一致。

大粒徑顆粒物體積分數（圖5b）在2～11m左右的水層中較低（＜3μL／L），15～20m左右的水層中夜間時段存在顆粒物體積分數增加現象，30～35m左右的水體中存在顆粒物體積分數最高值（6～30μL／L），與總體積分數相應水層變化趨勢一致，大粒徑顆粒物一直聚集于此，反映了該水層大粒徑顆粒物占優，50～60m左右的近底層水體中在16：00—18：00，21：00—22：00，07：00—09：00顆粒物體積分數較高（7～10μL／L），與總體積分數變化趨勢不完全一致。

葉綠素質量濃度（圖5c）表層高于中下層，2～11m水深附近存在葉綠素質量濃度最高值（1.0～3.5μg／L），18：00—01：00和10：00—11：00出現葉綠素質量濃度較高（＞2.5μg／L）時段。30m以深水體中葉綠素質量濃度較低（＜0.6μg／L），在01：00—11：00 40～60m左右的水體中葉綠素質量濃度甚至＜0.2μg／L。

圖4 不同層次懸浮顆粒物體積分數高值區典型粒徑譜圖Fig.4 Typical particle size distribution in the different water layers

圖5 LISST－100小粒徑、大粒徑顆粒物體積分數和葉綠素質量濃度的深度－時間剖面圖Fig.5 Time－depth variations of small and large particle volume fractions and chl－a mass concentration

3 討論

海水中懸浮顆粒物通常主要包括有機顆粒和無機顆粒兩部分，有機顆粒主要有浮游生物及其尸體、殘渣和糞便等；無機顆粒主要有黏土、礦物碎屑等［16–17］。葉綠素質量濃度常用作浮游植物現存量的表征，因此葉綠素質量濃度變化特征能夠反應出浮游植物分布特征。根據以往調查知，浙江外海夏季浮游植物以粒徑較小的藻類（如中肋骨條藻）占優［18］，LISST－100測出的小粒徑顆粒物中應該包含微型浮游植物。夏季浮游動物類群豐富，小型浮游動物纖毛蟲、中型浮游動物中華哲水蚤及大型浮游動物肥胖劍蟲處于不同水團中［19－21］，LISST－100（C型）的測量范圍不能包括大型浮游動物變化，但從前述不同粒徑晝夜分布的不同和中層高值可以推測，纖毛蟲和中華哲水蚤是分別包含于小粒徑和大粒徑顆粒物中的。

3.1 高生物量水體LISST－100和OBS測量懸浮顆粒物的比較

2～11m左右的水體中葉綠素質量濃度較高，該層大粒徑顆粒物體積分數低，小粒徑顆粒物體積分數明顯占優（圖5），說明該層顆粒物以小粒徑的浮游植物為主，小粒徑顆粒物體積分數主要是反映了浮游植物生物量的變化；將該層小粒徑顆粒物體積分數與對應觀測時刻葉綠素質量濃度做散點圖（圖6），也可以清晰看出兩者存在顯著相關關系。20～25m左右的水體中浮游植物生物量低，但小粒徑顆粒物體積分數夜間時段存在極大值，推測是存在纖毛蟲類等小型浮游動物夜間移動到此處攝食餌料而形成顆粒物體積分數極大值現象（圖5a）；在15～20m左右的水體中則在夜間時段存在大粒徑顆粒物體積分數極大值，說明存在中華哲水蚤等中型浮游動物此處攝食。可知上層水體中以浮游生物顆粒占優，LISST－100和OBS對懸浮顆粒物的測量反映出的總體積分數和濁度隨時間變化過程不同（圖2）。30～35m左右的中層水體中葉綠素質量濃度低，小粒徑顆粒物體積分數低，但是存在大粒徑顆粒物體積分數的最大值，推測是大粒徑顆粒中華哲水蚤等中型浮游動物聚集于此，何德華等［22］在鄰近海域的調查中也發現次表層中型浮游動物豐度高值區，說明此處中型浮游動物顆粒占優，LISST－100能夠較為理想地測量出顆粒物體積分數變化過程，OBS未能完全反映出濁度變化；由圖7可見大粒徑顆粒物體積分數與LISST－100總體積分數呈線性關系，與OBS濁度線性關系不顯著。通過上述分析可知，上中層水體浮游生物顆粒占優，LISST－100測量出了顆粒物體積分數變化過程，OBS未能完全反映出濁度變化過程，LISST－100通過激光前向散射原理測量顆粒物的體積分數，由于顆粒物體積與其粒徑成立方關系，因此其對大顆粒物質比較敏感。OBS采用后向散射原理通過接收后向散射量強度測量水體濁度，后向散射量強度取決于顆粒物截面面積（后向散射截面）的影響，相同體積分數的懸浮物，粒徑大的橫截面要小于粒徑小的橫截面，在高生物量水體中OBS能反映其濁度變化，但是對大粒徑浮游生物變化不敏感。

圖6 上層（2～11m）葉綠素質量濃度與小粒徑顆粒物體積分數的散點圖Fig.6 Scatter plot of Chl－a mass concentration and small particle volume fraction in the upper layer（2～11m）

3.2 無機顆粒占優水體LISST－100和OBS測量懸浮顆粒物的比較

50～60m左右的近底層水體中葉綠素質量濃度低，小粒徑顆粒物占優，葉綠素質量濃度與小粒徑顆粒物體積分數無關（圖8），因此判斷此處顆粒物中無機顆粒占優。近底層小粒徑顆粒物在13：00—18：00和02：00—10：00出現體積分數較高時段，LISST－100總體積分數和OBS濁度在相應時段均分布著較高的體積分數和濁度，說明兩儀器在無機小顆粒占優水體中對于懸浮顆粒物的測量均有較好的反映。從小粒徑顆粒物體積分數與LISST－100總體積分數及OBS濁度的散點圖（圖9）看來，LISST－100總體積分數和OBS濁度與小粒徑顆粒物體積分數均呈顯著的正相關關系，在95%置信度下相關系數分別達到R＝0.89和R＝0.94，OBS濁度更集中于擬合直線。通過上述分析表明，在無機小顆粒占優的水體中LISST－100和OBS對懸浮顆粒物的測量均較為理想，兩儀器均能正常觀測情況下，使用OBS測量更經濟。

圖9 近底層（50～60m）小粒徑顆粒物體積分數與總體積分數及濁度的散點圖Fig.9 Small particle volume fration in the near－bottm layer（50～60m）total volume fraction and turbidity

4 結論

通過使用LISST－100和OBS對浙江外海中陸架區ME3連續站進行周日變化的懸浮顆粒物測量結果分析及比較研究，得出以下主要結論：

浮游生物高生物量水體中，LISST－100能夠測量出顆粒物體積分數的變化，OBS未能完全體現出顆粒物濃度的變化。OBS對于小顆粒懸浮物更為敏感，對于高生物量水體OBS雖能反映濃度的變化，但對變化不敏感；LISST－100通過激光前向散射原理測量顆粒物體積分數，顆粒物體積與其粒徑成立方關系，因此對于大顆粒物質比較敏感，表現為大粒徑顆粒物體積分數變化相對劇烈。無機小顆粒占優水體中LISST－100和OBS對于懸浮顆粒物的測量均較為理想，建議在底層懸浮物長期觀測中使用OBS測量濁度，并用稱重法獲得現場懸浮物質量濃度－濁度曲線進行校正。在懸浮顆粒物組分復雜的水體中，采用LISST－100有其優勢，它可以獲得不同粒徑組分的體積分數，而OBS則適用于更小粒徑范圍的水體。

（References）：

［1］YUAN Y，WEI H，ZHAO L，et al.Observations of sediment resuspension and settling off the mouth of Jiaozhou Bay，Yellow Sea［J］.Continental Shelf Research，2008，28（19）：2630－2643.

［2］YUAN Y，JIANG W S，GAO H W，et al.Resuspension and associated horizontal，settling fluxes of sediment in the weakly stratified Laizhou Bay Mouth［J］.Oceanologia et Limnologia Sinica，2011，42（1）：1－8.原野，江文勝，高會旺，等.萊州灣口弱層結水體中沉積物再懸浮特征及其水平、沉降通量研究［J］.海洋與湖沼，2011，42（1）：1－8.

［3］CHENG J，HE Q，WANG Y Y.Using LISST－100for in－situ estimates of floc size，density and settling velocity，Changjiang Estuary，China［J］.Journal of Sediment Research，2005，（1）：33－39.程江，何青，王元葉.利用LISST觀測絮凝體粒徑、有效密度和沉速的垂線分布［J］.泥沙研究，2005，（1）：33－39.

［4］FUGATE D C，FRIEDRICHS C T.Determining concentration and fall velocity of estuarine particle populations using ADV，OBS and LISST［J］.Continental Shelf Research，2002，22（11）：1867－1886.

［5］HOITINK A J F，HOEKSTRA P.Observations of suspended sediment from ADCP and OBS measurements in a mud－dominated environment［J］.Coastal Engineering，2005，52（2）：103－118.

［6］YUAN Y，ZHAO L，WEI H，et al.Research on observing suspended sediment concentration using ADCP and LISST－100instruments［J］.Acta Oceanologica Sinica，2008，30（3）：48－55.原野，趙亮，魏皓，等.利用 ADCP和LISST－100儀觀測懸浮物濃度的研究［J］.海洋學報，2008，30（3）：48－55.

［7］AGRAWAL Y C，POTTSMITH H C.Instruments for particle size and settling velocity observations in sediment transport［J］.Marine Geology，2000，168（1）：89－114.

［8］XUE Y Z，HE Q，WANG Y Y.The method and application of OBS in the measurement of sediment concentration［J］.Journal of Sediment Research，2004，（4）：56－60.薛元忠，何青，王元葉.OBS濁度計測量泥沙濃度的方法與實踐研究［J］.泥沙研究，2004，（4）：56－60.

［9］ZHANG J L，LIU D X.Application of OBS－3Anephelometer in observation of tidal bore in Qiantang River［J］.Ocean Technology，2011，30（2）：76－79.張堅樑，劉冬雪.OBS－3A濁度計在錢塘江涌潮觀測中的應用研究［J］.海洋技術，2011，30（2）：76－79.

［10］SUTHERLAND T F，LANE P M，AMOS C L，et al.The calibration of optical backscatter sensors for suspended sediment of varying darkness levels［J］.Marine Geology，2000，162（2）：587－597.

［11］ZHANG W X，YANG S L.Turbidity calibration of OBS and errors analysis of suspended sediment concentration［J］.Ocean Technology，2008，27（4）：5－8.張文祥，楊世倫.OBS濁度標定與懸沙濃度誤差分析［J］.海洋技術，2008，27（4）：5－8.

［12］BUNT J A C，LARCOMBE P，JAGO C F.Quantifying the response of optical backscatter devices and transmissometers to variations in suspended particulate matter［J］.Continental shelf research，1999，19（9）：1199－1220.

［13］WEI X，WANG Y P，YANG Y，et al.Suspended sediment concentrations in shallow sea：comparative study of methods［J］.Marine Geology ＆ Quaternary Geology，2013，33（1）：161－170.魏曉，汪亞平，楊旸，等.淺海懸沙濃度觀測方法的對比研究［J］.海洋地質與第四紀地質，2013，33（1）：161－170.

［14］NING X R，LIU Z L，HU Q X.Distribution characteristics of chl－aand primary productivity of upwelling area in the Zhejiang coastal［J］.Acta Oceanologica Sinica，1985，7（6）：751－762.寧修仁，劉子琳，胡欽賢.浙江沿岸上升流區葉綠素a和初級生產力的分布特征［J］.海洋學報，1985，7（6）：751－762.

［15］SUN LF，KE C，XU Z L，et al.The influence of upwelling and water mass on the ecological group distribution of zooplankton in Zhejiang coastal waters［J］.Acta Ecologica Sinica，2013，33（6）：1811－1821.孫魯峰，柯昶，徐兆禮，等.上升流和水團對浙江中部近海浮游動物生態類群分布的影響［J］.生態學報，2013，33（6）：1811－1821.

［16］BISHOP J K B，COLLIER R W，KETTENS D R，et al.The chemistry，biology，and vertical flux of particulate matter from the upper 1500mof the Panama Basin［J］.Deep Sea Research Part I：Oceanographic Research Papers，1980，27（8）：615－640.

［17］QIN Y S，LI F，XU S M，et al.Suspended matter in the south Yellow Sea［J］.Oceanologia et Limnologia Sinica，1989，20（2）：101－112.秦蘊珊，李凡，徐善民，等.南黃海海水中懸浮體的研究［J］.海洋與湖沼，1989，20（2）：101－112.

［18］JIN H W，XU H X，WANG W D，et al.Distribution characteristics of phytoplankton and their relationship with environmental factors in Zhejiang coastal waters from 2003to 2004［J］.Journal of Marine Sciences，2012，30（1）：51－58.金海衛，徐漢祥，王偉定，等.2003－2004年浙江沿岸海域浮游植物的分布特征及其與環境因子的關系［J］.海洋學研究，2012，30（1）：51－58.

［19］ZHENG Z Z.The structure of zooplankton communities and its seasonal variation in the Yellow Sea and in the western East China Sea［J］.Oceanologia et Limnologia Sinica，1965，7（3）：199－204.鄭執中.黃海和東海西部浮游動物羣落的結構及其季節變化［J］.海洋與湖沼，1965，7（3）：199－204.

［20］HE D H，YANG G M，FANG S J，et al.Ecological research of zooplankton of upwelling area in the Zhejiang coastal－I.Biomass and taxa abundance［J］.Acta Oceanologica Sinica，1987，9（1）：79－92.何德華，楊關銘，方紹錦，等.浙江沿岸上升流區浮游動物生態研究－I.生物量及主要類群豐度［J］.海洋學報，1987，9（1）：79－92.

［21］JIN H W，XU H X，WANG W D，et al.Distribution features of zooplankton in the Zhejiang coastal waters［J］.Journal of Marine Sciences，2009，27（4）：55－62.金海衛，徐漢祥，王偉定，等.浙江沿岸海域浮游動物的分布特征［J］.海洋學研究，2009，27（4）：55－62.

［22］HE D H，YANG G M，SHEN W L，et al.Ecological research of zooplankton of upwelling area in the Zhejiang coastal－II.Species distribution and diversity［J］.Acta Oceanologica Sinica，1987，9（5）：617－626.何德華，楊關銘，沈偉林，等.浙江沿岸上升流區浮游動物生態研究－II.浮游動物種類分布與多樣度［J］.海洋學報，1987，9（5）：617－626.