东中国海表层有机碳的遥感估算及时空分布研究

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yeyuxx008
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颗粒有机碳(Particulate Organic Carbon,POC)和溶解有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)是全球碳循环的重要部分,与生物的生命活动、初级生产力密切相关。由于卫星遥感能获得大面积同步、长时间序列的观测数据,相比船舶观测有巨大的优势,发展POC和DOC等海洋生化参数的遥感反演算法,探究长时间序列的时空分布,对海洋碳循环的基础监测具有重要意义。本文针对东中国海展开现场调查,采集了6个航次的POC数据和9个航次的DOC数据及匹配的相关生物-化学-光学参数,分析发现东中国海水体光学特性复杂,水体类型多样,近岸水体高度浑浊,单一的有机碳遥感反演算法无法很好适用于多种类型水体。本文分别采用基于遥感反射率(Remote Sensing Reflectance,Rrs)的光学分类法和基于有色溶解有机物(Chromophoric Dissolvable Organic Matter,CDOM)吸收系数光谱斜率的分类方法,针对东中国海复杂水体建立了POC和DOC的遥感反演算法。将该算法应用于2012年-2016年地球静止轨道海洋水色卫星遥感影像,进行POC和DOC的日、月、季和年际分布的遥感反演与分析,并进一步探究了赤潮和台风等环境事件对POC和DOC时空分布的影响。主要结果和结论如下:(1)通过因子分析和水团分析,探讨了有机碳的分布特征及其影响因素。东中国海POC和DOC分布存在明显的空间差异,近岸普遍高于外海,POC浓度呈现长江口及邻近海域>渤海>黄海>东海的分布特征;DOC浓度呈现从黄河河口到整个渤海降低的趋势,从渤海进入北黄海、南黄海逐渐降低。因子分析和水团分析结果表明POC和DOC的分布主要受控于陆源输入和浮游植物的影响,并且不同的水团对有机碳的浓度有着显著的差异。(2)建立了东中国海POC的遥感反演模型,并开展了POC的日、月、季和年际分布的遥感反演与分析。东中国海水体高度浑浊,Rrs受水体总悬浮物浓度(Total Suspended Matter,TSM)影响较大。根据Rrs光谱特征可将水体分为高浓度TSM(High TSM,HT)水体、中等浓度TSM(Moderate TSM,MT)水体和低浓度TSM(Low TSM,LT)水体,针对不同类型水体选择其最佳的遥感反演代理参数和反演算法,开展POC遥感反演。HT水体和LT水体的遥感反演代理参数分别为TSM和叶绿素a(Chlorophyll-a,Chla);MT水体中颗粒物比较复杂,采用Rrs的直接经验算法对POC进行反演。在光学分类基础上,构建的东中国海复杂水体的POC遥感反演模型(POC_ECSC),能很好的反映东中国海的POC实际分布情况(均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)与平均相对误差(Mean Relative Error,MRE)分别为42.11μg/L和32.08%)。现场和遥感联合监测的黄河口P站位POC日变化结果表明,遥感反演和现场观测的POC有很好的一致性(RMSE=16.57μg/L;MAE=15.29%)。在HT水体和LT水体中POC日变化分别主要受潮汐作用和浮游生物作用影响,在MT水体中则受到两者的混合作用影响。对于POC的月、季节变化,长江口及近岸最高值区域(>1000μg/L)POC在夏季最低,冬季最高;而对于在长江口东北部的大片区域次高值区域(150μg/L-1000μg/L),POC在夏季最大,冬季最小,这主要是受长江径流和苏北沿岸流季节性变化的影响。近岸海域POC的年际变化受陆源径流影响较大,在混合区和远岸区,受水团、浮游生物活动等环境因素的影响较强。2016年长江口附近海域POC浓度总体上相对其他年份最高,有可能是受到强厄尔尼诺的影响。(3)建立了东中国海DOC的遥感反演模型,并进行DOC的日、月、季和年际分布的遥感反演与分析。使用275-295 nm波段CDOM的吸收光谱斜率(S275-295)将东中国海按照DOC来源分为以陆源为主的水体(S275-295≤0.025 nm-1)和以海源为主的水体(S275-295>0.025 nm-1),针对不同水体分别建立CDOM吸收系数与DOC的关系式,构建DOC遥感估算模型(DOC_ECSC)。该模型经过实测数据验证,误差相对较小(RMSE=27.98μmol/L;MAE=20.58%),能很好适用于东中国海。DOC在近岸海域有较明显的日变化,在远岸海域并没有呈现出明显的日变化差异。DOC的月、季节变化呈现出长江口及近岸最高值区域(>120μmol/L)夏季高,冬季低;而对于在长江口东北部次高值区域(80-120μmol/L),DOC在7-8月较其他月份小一些。DOC的日、月和季节变化主要受浮游植物和水团变化的影响。2012-2016年DOC的年际变化与POC年际变化趋势基本一致。(4)分析了赤潮和台风对有机碳时空分布的影响研究发现赤潮水体中的POC和DOC浓度相对附近非赤潮水体较高,表明浮游植物的分布与迁移活动会影响到POC和DOC浓度分布。赤潮水体POC和DOC浓度日变化呈现,中午12:30-13:30相对较高,早上8:30相对较低的特点,这可能主要是浮游植物垂直迁移和初级生产的影响结果。台风“苏力”过境前,长江口和浙江沿岸存在明显的赤潮现象,赤潮海域POC和DOC浓度相对于附近海域较高。对于长江口及附近海域,台风“苏力”过境时强劲的偏南风,将赤潮海域由浙江沿岸向北迁移到长江口和江苏沿岸,POC和DOC高值区域也发生了类似的水平分布变化。结果说明赤潮和台风等环境事件对有机碳的分布有着显著的影响。
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