水体生物光学参数的剖面分布特征及其建模分析

论文总字数：16755字

目 录

摘要…………………………………………………………………1

1 引言…………………………………………………………………3

2 数据与方法…………………………………………………………4

2.1研究区域…………………………………………………………………………………4

2.2水质参数的测量方法……………………………………………………………………4

2.3研究数据来源……………………………………………………………………………5

2.4研究方法…………………………………………………………………………………5

3 空间分布特征………………………………………………………7

3.1浊度表层海水水平分布…………………………………………………………………7

3.2叶绿素a表层海水水平分布……………………………………………………………7

3.3CDOM表层海水水平分布…………………………………………………………………8

4 剖面分布特征………………………………………………………9

4.1按数据汇总绘图…………………………………………………………………………9

4.2按站位分别绘图…………………………………………………………………………9

5 剖面分布的建模分析………………………………………………15

5.1对各站位各参数函数类型的分类与统计……………………………………………15

5.2浊度和深度的函数关系式类型的统计与分析………………………………………16

5.3叶绿素a浓度和深度的函数关系式类型的统计与分析……………………………16

5.4CDOM和深度的函数关系式类型的统计与分析………………………………………17

6 讨论与结论…………………………………………………………18

参考文献………………………………………………………………20

致谢……………………………………………………………………21

黄渤海水质参数的剖面分布特征及其建模分析

陈铭楷

，China

Abstract：This paper analyzes the turbidity, chlorophyll, and CDOM parameters of the 46 water intake points obtained during the June-July 2016 voyage in the Huanghai Sea, and plots the changes in surface levels, categorizes the distribution characteristics of the profiles, and then performs modeling. analysis. Water quality parameters have some profile distribution rules with different geographical locations, and each of them can summarize some functional relationships.

Key words：the Bohai Sea and the Yellow Sea, Water Quality Parameters, Turbidity, Chlorophyll, CDOM, Profile Distribution and Its Modeling

1 引言

21世纪是人类开发利用海洋的新世纪，海洋开发关系国家安全和权益，随着国际形势的变化和我国综合国力的增长，发展海洋事业的重要性和迫切性口益突显。我国疆土东临太平洋，共有渤海、黄海、东海、南海四大海域，是世界海洋大国之一，大陆海岸线北起中朝边界的鸭绿江口，南到中越边界的北仑河口，总长18000多千米。沿海分布着5000多个岛屿，岛屿海岸线长14000千米。随着人口的迅猛增长，人类社会活动的口益扩张，以及陆地不可再生资源的大量消耗，海洋以其广阔的空间和丰富的资源，越来越受到广泛关注。特别是我国沿海地区地少人多，人类活动势必对海洋资源影响巨大，如何合理利用现代科技知识

进行海洋资源探索研究已成为国家海洋事业的重中之重。

沿海城市的发展及海岸带开发的加强，导致部分地区沿海海域污染加剧，由此引起的赤潮，无论在规模及发生频率上都呈不断上升的趋势，导致海洋生态环境口趋退化、渔业资源严重萎缩，严重影响水产品质量和人类健康，影响海洋经济的可持续发展。遥感技术能够实时监测沿海水质状况，弥补常规水质监测成本高、耗时长、同步性差的不足，已经逐渐成为沿海各省市加强海洋生态环境监测、保护和治理的有效技术。其中，海洋水色遥感技术的应用在海水监测中发挥着重要作用。

海洋环境变化的重要指示之一是海洋水体的生物光学特性(Bio-opticalproperties)变化，而本文选取的三种水质参数（浊度、叶绿素、CDOM）也是描述水体生物光学特性的重要参数，探索其剖面分布特征对研究海洋环境变化有一定的意义。

针对海水的固有光学特性，国内外研究者已展开了大量的研究。通常情况下，悬浮颗粒物的吸收散射特性的变化主要由水体组分浓度主导，基于此，国内外学者已经展开了大量的卓有成效的研究工作。

Loisel和Morel基于全球各大洋一类水体的现场实测数据，发现悬浮颗粒物散射系数与叶绿素浓度存在显著的相关性，这是由于一类水体的悬浮颗粒物主要由浮游植物组成。针对近岸浑浊水体，Boss等利用北美东西部近岸及部分内陆湖泊的综合观测数据集，分析发现:散射系数和后向散射系数均与总悬浮颗粒物浓度紧密联系，这些关系在Bowers等,Wozniak等和Neukermans等研究中也得到了证实。对于由无机悬浮颗粒物主导的水体，孙德勇等发现:相比总悬浮物浓度，无机悬浮物浓度则与散射系数和后向散射系数表现出更好的关系。

综合来看，以往研究主要集中在浮游植物的吸收特性上，例如，Babin等在圣劳伦斯河口的研究，Cleveland，针对马尾藻海、太平洋赤道、地中海等区域的研究。但是综合来看，前人对水质参数的剖面分布规律研究较少，本文即选取此项目作为主要研究内容。

基于对吸收散射系数与组分浓度关系的认识，研究者往往利用组分浓度将吸收系数和散射吸收进行标准化，得到比吸收系数和比散射系数，以此来进一步表征悬浮颗粒物的吸收散射特性。通常情况下，为了构建吸收散射特性的数学表达模型，进而实现其遥感反演，研究者往往将比吸收系数和比散射系数假设为常数(Carder等; Brewin等）。

针对比吸收系数和比散射系数的影响因素，国内外也展开过一定的研究，取得了一定的认识，即比吸收和比散射的变异主要与颗粒物的吸收散射效率、粒径、密度和成分等有关。此外，也有研究表明颗粒物吸收散射的光谱形状也与粒径、密度和成分等有关。

本次研究的目的是通过对现有2016年6~7月航次考察中46个取水点采样数据进行分类和分析，对比差异以此来探求三种参数（浊度、叶绿素a、CDOM）相对于深度的变化关系，即剖面分布特征，以期了解海洋环境变化相关规律。

2 数据与方法

2.1 研究区域

研究所用数据的实测取水点均位于渤海和黄海。

渤海是中国唯一的内海、中国最北的近海，亦为中国最浅的半封闭性内海，三面环陆，被辽宁省、河北省、天津市、山东省陆地环抱，通过渤海海峡与黄海相通。渤海具体位置为37°07’一41°00’N，117°35’一121°10’E。海域面积约7.7×10⁴平方千米，平均水深约18米，最大水深83米。

黄海是太平洋西部的一个边缘海，位于中国大陆与朝鲜半岛之间。具体为北纬35-45度，东经120-123度。黄海平均水深44米，海底平缓，为东亚大陆架的一部分。黄海的名称来源于它的大片水域水色呈黄色，因黄河八百年入海于此泥沙染黄而成。黄海从胶东半岛成山角到朝鲜的长山串之间海面最窄，习惯上以此连线将黄海分为北黄海和南黄海两部分，北黄海面积约7.1万平方千米，南黄海面积约30.9万平方千米。黄海的西北部它通过渤海海峡与渤海相连，东部由济州海峡与朝鲜海峡相通，南以长江口东北岸启东角到济州岛西南角连线与东海分界。

图2.2 站位分布与底深平面分布图

图3.2即为本文研究所用的46个站位所处的地理位置与各自底深的平面分布图，由图可见大部分站点位于底深小于60米的区域。

2.2 水质参数的测量方法（浊度、叶绿素a、CDOM）

水质参数一般是用以表示水环境（水体）质量优劣程度和变化趋势的水中各种物质的特征指标。其参数很多，一般选取物理的、化学的、生物方面的水质参数。包括：水的混浊度、透明度、色度、嗅、味、水温、pH值、BOD(COD)、DO、微量有害化学元素含量、农药及其它无机或有机化合物含量、大肠杆菌数、细菌含量等。而本文出于本科生具体能力实际情况，赚取其中浊度、叶绿素、CDOM三个参数进行研究。

浊度是指溶液对光线通过时所产生的阻碍程度，它包括悬浮物对光的散射和溶质分子对光的吸收。水的浊度不仅与水中悬浮物质的含量有关，而且与它们的大小、形状及折射系数等有关。水中含有泥土、粉砂、微细有机物、无机物、浮游生物等悬浮物和胶体物都可以使水质变的浑浊而呈现一定浊度，水质分析中规定：1L水中含有1mgSiO₂所构成的浊度为一个标准浊度单位，简称1度。通常浊度越高，溶液越浑浊。现现代仪器显示的浊度是散射浊度单位NTU，也称TU。1NTU=1JTU。最近，国际上认为，以乌洛托品－硫酸肼配制浊度标准重现性较好，选作各国统一标准FTU。1FTU=1JTU。

叶绿素（Chlorophyll）是植物光合作用的重要色素，一般分为a、b、c、d四类。叶绿素a分子式为C₅₅H₇₂O₅N₄Mg不溶于水，可溶于有机溶剂，存在很不稳定。其存在于所有的浮游植物中，约占有机干重1%~2%。

CDOM，全拼Colored dissolved organic matter，也就是有色可溶性有机物，又称作可溶性有机发色团，或者粘质胶性溶解物。它是水中溶解的有机物的一种光学上可测量的成分。CDOM通常出现在水环境中，主要由腐烂物质所释放的单宁酸所引起。CDOM在蓝色到紫外的短波波段有强烈的吸收光谱，而纯水在红色的长波波段有吸收，因此，不含或少含CDOM的水显示出蓝色。随着CDOM的增长，水体颜色逐渐过渡到绿色、黄绿色和褐色。CDOM对水环境中的生物活动有重要的影响。它可以减少水中透射的日光，影响光合作用，从而抑制浮游生物的生长，而浮游生物是海洋食物链和大气中氧的基础要素。CDOM也会妨碍用卫星光谱仪对浮游生物数量和分布的测量。

2.3研究数据来源

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