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《中国科学院研究生院(海洋研究所)》 2013年
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黄海叶绿素及初级生产力的遥感估算

杨曦光  
【摘要】:水色遥感提供的数据资料具有水平范围大和瞬时近乎同步的特点,能有效地监测海洋水色要素的区域分布特征和动态变化规律。利用卫星数据反演叶绿素浓度来评价海洋环境污染,尤其是预测、探测赤潮等,是一种有效的方法。而利用海洋遥感研究海洋碳储量,有助于了解海洋中碳的生物地球化学循环,从而了解全球的碳循环以及气候变化,对海洋生态、全球碳循环研究有重要意义。 本研究使用MODIS影像数据结合实测光谱数据,利用统计分析和神经网络等数学方法,建立黄海二类水体叶绿素浓度反演模型。结果表明,非线性模型略优于线性模型;神经网络模型优于统计模型;最后以改进算法的Erf-BP神经网络模型建立的叶绿素浓度估算方法最好,相关研究为叶绿素浓度遥感反演以及深入的数据分析提供了理论基础。 将叶绿素浓度遥感估算模型应用到多时相遥感数据,得到研究区域不同时相叶绿素浓度分布图,并分析黄海海域叶绿素浓度的时空变化特征。对研究海区2010年各个月份叶绿素浓度分布统计得出,2010年各月叶绿素浓度的最小值为0.320mg/m~3,最大值达到了23.696mg/m~3,各个月份叶绿素浓度均值最大达到了3.371mg/m~3。叶绿素的空间分布特征为中心海区叶绿素浓度低于边缘海,北部海区叶绿素浓度低于南部海区,这与前人研究结果基本吻合。通过目视判读,讨论了不同时期叶绿素浓度的空间和时间变化规律。结果表明,春季和夏初,整个海区叶绿素浓度水平较高;受制于营养盐的影响,夏季,研究海区叶绿素浓度含量略有降低;秋季,研究海区内叶绿素浓度水平又呈现增加的趋势;冬季,受制于水温影响,叶绿素浓度整体水平偏低。根据叶绿素浓度分布图的统计特征,将叶绿素浓度分为9个等级,使用重心的方法,进行时空变化分析。分别统计不同时相每个等级叶绿素的重心位置,通过绘制不同时相重心的散点图,分析重心随时间变化规律,研究叶绿素时空变化特征和规律。 结合研究区域及数据特点选择VGPM模型估算研究海区初级生产力。利用MODIS温度、Kd490、SeaWIFS PAR以及反演的叶绿素浓度数据作为VGPM模型输入参数,计算研究海区的初级生产力,并分析其季节性变化特征。 结果表明,黄海海域初级生产力季节性变化明显,具有双峰特征,即呈现出春季秋季夏季冬季的趋势。对比2010年2月、4月、6月、8月、10月和12月的初级生产力遥感估算结果,6月初级生产力最高,初级生产力平均水平为1342.802mgC/m~2d;4月次之,初级生产力平均水平为1157.993mgC/m~2d;10月第三,为1092.379mgC/m~2d;冬季最小,12月和2月,研究海区初级生产力仅为873.609mgC/m~2d和786.622mgC/m~2d。 此外,本文讨论了离水辐射亮度的空间分布特征,水-气界面处辐射能量透射系数的空间分布特征,以及入射光和观测几何的变化对离水辐射亮度和水-气界面处辐射能量的透射系数的影响情况。结果表明,恰水面之下水体下行、上行辐照度是一个与入射太阳天顶角有关的变量,随着入射太阳天顶角的增加,恰水面之下下行辐照度和上行辐照度明显衰减。离水辐射亮度的空间分布特征与入射光太阳天顶角有关,离水辐射亮度与观测天顶角之间呈现先增后减的趋势,这种趋势可以用一元三次方程表达。入射光太阳天顶角对透射系数不产生影响,观测方位角和表面粗糙度亦不影响透射系数,但透射系数随着观测天顶角的变化而呈现出明显的衰减特征。透射系数的衰减与观测天顶角可用线性方程来表达。 选择合适的数学方法,利用遥感手段,能够较好的反演二类水体叶绿素浓度及其他水色要素信息。结合遥感数据大空间尺度和长时间尺度的特点,实现对整个研究海区水色要素时空变化分析。VGPM模型可以用来估算研究海区初级生产力,使用根据特定研究区域建立的叶绿素浓度反演算法,提高叶绿素浓度估算精度;采用光衰减系数计算真光层深度,在一定程度上降低了初级生产力的估算误差,避免了VGPM模型对二类水体的不适用性问题。这些研究为开展利用遥感手段进行海洋光学调查和海洋生物地球化学调查和研究提供了参考。
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