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《武汉大学》 2010年
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遥感反演与数值模拟耦合的渤海悬浮泥沙输移研究

陆建忠  
【摘要】:河口海岸带是改革开放的前沿和海洋开发的重要场所,对社会经济发展起到不可估量的作用,是人民生活不可缺少的宝贵资源。但近几十年来,随着人口的急剧增长,工业化、城市化的迅速发展,工业废水和生活污水排放量日益增加,流域开发活动加剧,给诸多水环境带来不良影响,水环境质量日益恶化,生态系统遭到了严重破坏。悬浮泥沙成为河口海岸带水体重要的组成物质,快速准确地获取水体悬浮泥沙的定量信息及其时空动态格局,对河口海岸带水质、地貌、生态环境的研究和水工程、港口码头建设、海岸带资源可持续利用都具有重要意义。 遥感技术是能够快速获得大范围地面数据的有效手段,其覆盖面大,同步效果好,信息丰富,有利于观察和研究各种地面现象的连续空间分布。遥感作为一种快速周期性获取海表信息的重要手段,已经越来越受到广泛的重视,但是对于海岸带复杂水体悬浮泥沙遥感定量反演仍然是一个难题,特别体现在复杂水体遥感信号的干扰、悬浮泥沙反演模式遥感机理、反演结果与实测资料的时空不一致性等方面。另外,遥感只能周期性的记录时间点上的状态,而且在恶劣气候状况,光学遥感传感器成像质量太差,在发生水质灾害时,遥感有时无法准确及时反映灾害的发生机理,水质由正常状态到恶化的动态过程无法通过记录点时刻状态的遥感资料获取。 在海洋环境问题的研究中,水动力过程研究起着极其重要的作用,水动力过程可以描述一段连续时间的动态变化。只有了解水动力的过程,才有可能揭示水质等环境问题的发生、扩展机制,从而进一步解决生态学问题。在水动力学数值模拟过程中,搜集海表悬浮泥沙初始浓度数据是困难的,而且需要消耗较大的人力和财力,通过布设站点,借助野外实地观测,通过有限点的数据作为初始条件来驱动模型。 本研究旨在探索遥感定量反演与水动力-泥沙数值模拟的耦合,充分发挥遥感快速及时获取第一手资料,以及水动力学的对现实物理过程动态模拟的优势。本文以中国渤海为例,在总结了遥感反演与数值模拟研究现状和发展趋势的基础上,利用实测光谱与悬浮泥沙浓度数据建立反演模型,应用于ENVISAT/MERIS和EOS/MODIS遥感影像,反演渤海悬浮泥沙浓度分布情况,并实现遥感反演与数值模拟耦合监测悬浮泥沙分布格局,利用遥感与数值模拟耦合的方法分析研究渤海悬浮泥沙输移与再悬浮过程,最后针对数值模拟与遥感反演结果,结合实地观测数据分析研究渤海悬浮泥沙浓度时空变化规律,并评价多源悬浮泥沙浓度数据的时空一致性。本研究中所完成的工作以及取得的成果主要体现在如下几个方面: (1)渤海悬浮泥沙浓度遥感定量反演。针对MODIS数据,提出了一种针对MODIS第一波段的对数模型,该模型均方根误差为0.786mg/L,平均相对误差为6.9%,相关系数R2为0.715,模型精度均在可接受的范围内,利用MERIS和MODIS影像用于反演渤海悬浮泥沙,利用实测数据加以验证,均得到较好的效果,为后面遥感与数值模拟耦合研究渤海悬浮泥沙输移奠定了坚实的基础。 (2)耦合遥感反演的渤海悬浮泥沙浓度数值模拟研究。以渤海悬浮泥沙输移为例,利用遥感反演的悬浮泥沙浓度初始化悬浮泥沙输移模型,模拟研究时段内流场,潮位和悬浮泥沙浓度分布,并利用对应时期的遥感定量反演的悬浮泥沙浓度率定泥沙输移模型参数,获得一组适合渤海数值模拟的模型参数。利用观测潮位数据验证模拟的潮位,并利用实测悬浮泥沙浓度验证模拟的悬浮泥沙浓度。最后利用遥感反演的悬浮泥沙浓度与数值模拟结果进行交叉验证与比较,实验结果表明,遥感反演与数值模拟耦合的监测河口海岸水环境动态变化方法具有优越性,实现了遥感反演技术与数值模拟技术优势互补,取长补短的效果,可用来对海岸带水环境进行三维立体的监测。 (3)耦合遥感与数值模拟的渤海悬浮泥沙输移与再悬浮研究。经过大气校正后的MODIS Aqua第一波段遥感反射率与数值模拟的悬浮泥沙浓度之间存在较好的相关关系,从而证明了遥感反射率可以直接用来探测悬浮泥沙的可行性,并利用该相关关系研究了泥沙底部再悬浮对表层悬浮泥沙浓度的贡献。通过研究气象要素对底部再悬浮的作用发现,风速风向变化将能量传递到底部,使得底部泥沙再悬浮量也随之发生改变,底层悬浮泥沙浓度变化趋势与表层悬浮泥沙浓度的变化趋势是一致的。利用MODIS Aqua第一波段遥感反射率研究了渤海底部泥沙再悬浮对表层泥沙浓度的贡献,研究表明,在大部分海域,包括渤海湾北部,莱州湾东南部,秦皇岛附近海域,辽东湾东部,渤海海峡以及渤海中部海域表层悬浮泥沙主要来源于底部再悬浮及其输运,而在渤海湾南部,莱州湾西部和离黄河口附近20~30千米海域内表层悬浮泥沙浓度受黄河高浓度泥沙注入影响很大,黄河输沙是河口附近海域表层悬浮泥沙的重要来源。 (4)遥感与数值模拟耦合的渤海悬浮泥沙浓度时空一致性评价研究。在时间尺度上,分别以小时变化和月变化为例,研究分析了渤海悬浮泥沙浓度在不同时间尺度的变化规律。另外选取不同点在连续时间序列上变化规律的对比,研究不同位置悬浮泥沙随时间变化趋势的异同,在高动态水域悬浮泥沙浓度相对于平静水域变化幅度较大。在空间结构上,分析了不同层水平上的悬浮泥沙浓度分布格局,研究表明各层悬浮泥沙浓度分布格局具有一致性。对于垂直分布趋势上,一般地,悬浮泥沙浓度随深度的增加而增加,而不同区域变化幅度不同。从各层的时间序列比较发现,每层的悬浮泥沙浓度随时间推移,变化趋势(增加或减少)大部分时间较一致,但也有上层和下层悬浮泥沙浓度增减趋势不一致的现象,尤其是在黄河口处,该现象出现得较频繁。 最后分析评价了遥感反演的悬浮泥沙浓度、数值模拟的悬浮泥沙浓度和实地观测值存在的时间和空间上的不一致性。通过实地观测数据与遥感反演的悬浮浓度的时间差异,进一步说明了本文利用经大气校正后的遥感影像的反射率与对应时刻的数值模拟悬浮泥沙浓度建立相关关系的必要性。通过数值模拟结果与遥感反演的悬浮泥沙浓度空间格局差异的显著区域分析,揭示了海洋模式对悬浮泥沙浓度的模拟能力。随后分析了遥感反演结果与数值模拟的悬浮泥沙浓度在空间上存在不一致性的可能原因。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:P333.4

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