基于Mie理论和实测数据的我国黄东海水体悬浮颗粒物质量比后向散射特性研究

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自然水体中悬浮颗粒物的质量比后向散射系数(后向散射系数与颗粒物质量浓度的比值,bbp*)是重要的固有光学量,反映了颗粒物成分、粒径等信息。本文基于Mie散射理论模拟和实测数据,系统地分析了黄东海近海水域bbp*(λ)的变化特征及其影响因素,这对于深入认识水体后向散射特性和提高海洋水色遥感定量化精度等具有重要意义。在Mie散射模拟过程中,充分考虑了多种有机藻类和无机矿物颗粒物的不同物理化学特性,对比分析了不同类型颗粒物的bbp*在量值和光谱形状上的差异。模拟研究发现,一方面,bbp*(λ)随波长的增大呈乘幂形式衰减,其光谱斜率η与Junge-type粒径分布谱斜率ξ呈显著的正相关,当ξ大于4时,η约为ξ减3。颗粒物对不同波长光的选择性吸收使得bbp*光谱出现起伏,一定程度上使得η减小,而且这种影响在粒子谱较平坦时更为显著,从而使得当ξ小于4时,η小于ξ减3。另一方面,研究发现随着ξ的增大,bbp*量值呈指数形式增大。当ξ相同时,矿物颗粒的bbp*平均值约为藻类颗粒的bbp*平均值的2倍,其中当ξ为4时,矿物和藻类颗粒群的平均bbp*(532)分别为0.00912±3.2*10-3 m~2·g-1和0.00409±0.48*10-3m~2·g-1,分析发现藻类颗粒具有较低bbp*的主要原因是其相对折射率实部较低。此外,研究还发现粒径谱分布下限的增大会导致bbp*量值减小和光谱斜率减小,上限的减小则主要导致bbp*量值增大。利用黄东海近海水体的实测数据分析表明,bbp*的空间变异性低于后向散射系数,说明bbp*削弱了自身对颗粒物含量的依赖,能更大程度上反映颗粒群在成分以及粒径分布等方面的差异。在光谱形状上,实测bbp*光谱斜率η随悬浮颗粒物质量浓度的增大呈现出先减小后趋于稳定的趋势,近岸水体的光谱斜率低于远岸。当有机颗粒质量浓度(POM)在总颗粒物质量浓度(SPM)中占主导时(POM/SPM>0.7),平均质量比后向散射bbp*(532)为0.00363 m~2·g-1,而无机颗粒物占主导(POM/SPM<0.2)时为0.00846 m~2·g-1,后者为前者的2.3倍。研究发现实测bbp*随POM/SPM的增大呈现出乘幂函数形式减小的趋势,且随无机悬浮颗粒物质量浓度占比的增大,bbp*量值的离散性增强。结合模拟结果,发现研究区水体颗粒物的粒径分布斜率ξ的变化范围约为3.6至4.2,对于有机颗粒占主导的远岸水体,ξ较为稳定,约为3.9。总体来看,颗粒物的质量比后向散射系数是多种因素综合作用的结果,无机矿物颗粒含量的增多、小颗粒数量占比的增大等均会使得bbp*量值增大,而颗粒物的粒径分布、吸收性质是导致光谱形状产生差异的主要原因。
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