基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)對渤海近岸海域CDOM的遙感反演

唐博　譚錦瑾　詹斌　黃慧杰

摘要：通過遙感方法監(jiān)測水體有色可溶性有機(jī)物（CDOM）的變化是海岸帶環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的重要技術(shù)手段。文章介紹了遙感監(jiān)測CDOM的原理，并通過渤海近岸海域系統(tǒng)進(jìn)行CDOM光學(xué)性質(zhì)季節(jié)性遙感調(diào)查實例，揭示了在海岸帶地區(qū)，CDOM變化與溶解氧、溶解鹽度等的含量密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：CDOM；遙感反演；海岸帶監(jiān)測；衛(wèi)星數(shù)據(jù)；渤海近岸海域 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP79 文章編號：1009-2374（2017）02-0019-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.009

碳的研究對于生物的自身生存和生存環(huán)境有重要意義。首先，碳是整個生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成元素；其次，環(huán)境中碳的含量直接影響全球氣候的變化。

海洋中的有機(jī)物存在大量的活性碳，而海洋占據(jù)地球的大部分面積，所以研究海洋有機(jī)物有重要意義。

有色可溶性有機(jī)物（Chromophoric or colored dissolved organic matter，簡稱CDOM）又稱作可溶性有機(jī)發(fā)色團(tuán)或者粘質(zhì)膠性溶解物，是一些腐爛物質(zhì)，這種物質(zhì)可以吸收紫外-可見光，因此不同含量CDOM的水呈現(xiàn)不同的顏色。隨著CDOM含量增加，水的顏色呈現(xiàn)藍(lán)色-綠色-黃綠色-褐色。由于它們這種吸收光和熒光的性質(zhì)，可以利用光譜分析手段來反演CDOM，用來分析監(jiān)測海岸帶的情況。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

目前，國內(nèi)對于CDOM的研究主要集中于湖泊及近岸沿海區(qū)域，研究僅集中在CDOM濃度較高的河口及近岸區(qū)域，主要是因為用光學(xué)遙感反演低鹽湖泊水體鹽度較為困難。如劉英等2014年以干旱區(qū)的博斯騰湖（博湖）為例，探討了光學(xué)遙感數(shù)據(jù)反演低鹽湖泊水體鹽度的可行性。用光學(xué)數(shù)據(jù)反演水體鹽度要求鹽度足夠高，鹽度和CDOM存在梯度，并滿足CDOM擴(kuò)散守恒，因此用光學(xué)遙感反演低鹽湖泊水體鹽度較為困難。

國內(nèi)外對CDOM在河口地區(qū)的保守混合行為研究較多，主要體現(xiàn)在對CDOM與鹽度的相關(guān)性研究。如Del Vecchio&Blough根據(jù)1997～2003年6個航次的數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，CDOM吸收與鹽度均呈反相關(guān)關(guān)系，與季節(jié)無關(guān)，呈保守行為，證明陸源為該區(qū)域CDOM的主要來源。

王林等對大洋河河口海域水體調(diào)查，結(jié)果顯示（CDOM）在河口混合過程中近似呈保守行為，可作為水團(tuán)運動的示蹤劑，研究區(qū)域CDOM主要來自河流輸入，成分相對較穩(wěn)定。

海水中CDOM主要來源于陸地，對于離岸較遠(yuǎn)的海水有學(xué)者傾向于主要來源于浮游生物。主要是因為在離岸區(qū)域CDOM與葉綠素a有很好的相關(guān)性，而在近岸區(qū)域CDOM與葉綠素a的相關(guān)性不大。

CDOM在特定波段有明顯的熒光性。如王林等研究表明，在大洋河河口波長275～295nm的光譜斜率和波長400nm的吸收系數(shù)對CDOM分子量的相對大小均具有一定的指示作用，該區(qū)域的CDOM存在保守混合行為。

2 渤海近岸海域CDOM的遙感反演

2.1 CDOM遙感反演原理

CDOM遙感反演主要是利用光的反射完成的。當(dāng)主要光源太陽光射到水里，遇到水體中CDOM反射回來的光線會被衛(wèi)星監(jiān)測到，根據(jù)監(jiān)測到的光譜特征來分析水中CDOM的特性。

CDOM對光的吸收值為由紅外光譜區(qū)向紫外可見光區(qū)逐漸增大，吸收系數(shù)與波長之間近似指數(shù)關(guān)系。CDOM不僅與波長有關(guān)，還與光譜斜率（S值）有關(guān)。其關(guān)系近似如下：

a（λ）=a（λ0）exp[S（λ0-λ）]

式中：a（λ）是波長為λ時的吸收系數(shù)，它反映出特定水體中CDOM的濃度；λ0是參考波長；S是光譜斜率，其數(shù)值大小反映了CDOM的光密度隨波長增加而逐漸降低的程度。

本文利用以上CDOM與波長和S值的關(guān)系，應(yīng)用BEAM軟件對渤海近岸海域的CDOM進(jìn)行遙感反演。

2.2 CDOM的遙感反演

2.2.1 研究數(shù)據(jù)與研究區(qū)域。研究區(qū)域位于渤海北緯37.86°至北緯40.6°之間的海域。渤海素有“天然魚池”之稱，該區(qū)域富有高含量的營養(yǎng)鹽與浮游植物。數(shù)據(jù)采用2014年10月29日ENVISAT上的MERIS數(shù)據(jù)，光譜范圍為390～1040nm以及同一時間的該海域站點的鹽度以及溶解氧的實測數(shù)據(jù)。利用BEAM軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2.2 BEAM遙感反演CDOM。通過BEAM軟件處理數(shù)據(jù)獲得如下反演結(jié)果：

圖1 20141029渤海近岸CDOM含量反演圖

色標(biāo)條

然后根據(jù)同站位實測鹽度和溶解氧做出表格：

表1 數(shù)據(jù)對比

點位 維度 經(jīng)度 時間 CDOM反演濃度（1/m） 實測

鹽度 實測溶解氧濃度

ZD-TJ096 38.6178 117.95 201410291208 1.3804 32.22 7.893

ZD-TJ097 38.6178 117.739 201410291222 1.4911 31.94 8.007

TJX-3 38.6194 117.646 201410291304 1.6885 30.00 8.518

同樣可得出20150430的渤海近岸CDOM反演數(shù)據(jù)：

圖2 20150430渤海近岸CDOM反演圖

色標(biāo)條

2.2.3 數(shù)據(jù)分析。由圖1可以看出渤海近岸CDOM濃度呈近岸高遠(yuǎn)岸低的現(xiàn)象，這是因為在近岸來源于陸地，濃度高，在遠(yuǎn)岸CDOM的含量比較低，由3個站點實測CDOM濃度的大小也可以看出這個特點。而由圖2可以看出，整體趨勢和圖1差不多，說明這幾年海域CDOM來源與去除基本沒有太大變化，但是圖2近岸的CDOM高濃度區(qū)域沒有圖1大，可以推斷在2015年4月30日風(fēng)浪潮汐比較大，近岸和遠(yuǎn)岸的海水混合比較厲害，所以使其高濃度區(qū)域變小，中等濃度區(qū)域增大。

從表1可以看出CDOM的濃度與鹽度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與溶解氧呈正相關(guān)關(guān)系。

CDOM濃度與鹽度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系可以看出渤海近海海域研究區(qū)域的CDOM主要來源為陸源。可以由此推出：海水的鹽度比較高，而河流的鹽度比較低，當(dāng)二者混合時鹽度變低，但CDOM由陸源輸入海洋，濃度反而增加。

CDOM濃度與溶解氧呈正相關(guān)關(guān)系，這主要是由于CDOM的光降解產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)成為浮游植物食物鏈中的一環(huán)，相對浮游植物的增多間接使得海水中溶解氧濃度升高。

3 結(jié)論與展望

通過以上分析研究可以得出以下結(jié)論：（1）渤海近岸海域CDOM濃度由近岸向遠(yuǎn)岸遞減；（2）CDOM濃度受潮汐風(fēng)浪影響，潮汐風(fēng)浪越大濃度會減小；（3）CDOM吸收的遙感信息揭示了海岸帶河海的相互作用；（4）在海岸帶地區(qū)，在不同的季節(jié)，不同的水樣深度，CDOM的光學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出的特性不同，其變化與鹽度、溶解氧等因素的含量有密切關(guān)系，是海岸帶調(diào)查研究的重點。

由于數(shù)據(jù)的缺乏，不能對該海域或其他海域做更多的分析。可以繼續(xù)探索，用更多的數(shù)據(jù)，對更多的海域進(jìn)行實驗來監(jiān)測該海域的CDOM分布特性。另外，可以實測CDOM的數(shù)值來分析空間尺度變化上CDOM與鹽度溶解氧之間的相關(guān)關(guān)系，同樣也可以研究在時間尺度變化上它們之間的相關(guān)關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

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[2] Del Vecchio，Blough.Spatial and seasonal distribution of chromophoric dissolved organic matter and dissolved organic carbon in the Middle Atlantic Bight[J].Mar.Chem，2004，89（1-4）.

[3] 王林，趙冬至，楊建洪，陳艷攏.大洋河河口海域有色溶解性有機(jī)物的光學(xué)特性及遙感反演模型[J].海洋學(xué)報，2011，（1）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）