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中国近海高浊度水体中光传输特征的数值模拟研究

林绍迎  
【摘要】: 黄海是西太平洋上一个半封闭的陆架浅海,陆源影响严重;在黄海环流系统的作用下,悬浮物质分布具有显著的区域性与季节性特征,绝大部分海域属典型的二类水体。本文首先利用SOLAS第一航次在整个黄海的现场观测资料,分析了研究海区光合有效辐射PAR的衰减特征及PAR在水体中衰减的影响因素;然后在观测资料的基础上,结合黄海海区生物光学模型的历史数据,利用水体中的光传输模式AOMC,进一步模拟了黄海不同海区光在水体中的衰减特征,探讨了影响光传输的主要衰减因子及其与光学特性量的关系,具体结论如下: (1)黄海海区生物光学特征:①黄海海域的浊度与叶绿素a浓度分布具有明显的区域性差异,浊度在黄海北部成山头附近的近岸水域为高值区,黄海中部与南部离岸水域为低值区;叶绿素a浓度[Chl-a]在整个海域较低,基本上随深度分布均匀,黄海南部水体中的[Chl-a]要高于北黄海,近岸水体高于离岸水体。②浊度反映水体中总悬浮颗粒物的含量,与叶绿素a浓度的相关不明显,表明非藻类的悬浮粒子是引起浊度增大的主要贡献来源。③在真光层深度以上,光合有效辐射PAR随深度以及积分浊度IT的衰减呈指数函数关系,在大多数站位的相关性显著(R2≥0.98);线性回归与指数回归法分别计算的KT(PAR)和KO(PAR)两者一致性较好,除了在离岸深水区的Gp站,相对差△=12.3%,其他站位的△均低于10%,表明PAR随深度衰减的指数率模式更适用于近岸浅水区。④PAR衰减系数K_d(PAR)存在分层结构,分别为近表面2m处的极大值层与20-30m处的渐进层。⑤不同站位影响光衰减的主要因子不同,具有一定的区域性特征。K_d(PAR)在大多数站位与[Chl-a]无明显相关性,随浊度的增加而增大,呈一定的正相关性,说明这些水体中的浮游植物不是影响光传输的主要衰减因子,主要光衰减因子为非藻类的悬浮粒子;而在某些近岸站,K_d(PAR)与浊度、叶绿素a浓度的相关均不明显,影响光传输的因子复杂。 (2)利用水体光传输模式AOMC,在进行准确性必要验证的基础上,对黄海海区的光学衰减特征进行了模拟,研究结果表明:①在多数站位,AOMC模式模拟计算的平均PAR衰减系数K_(dM)(PAR)与实测数据计算的平均PAR衰减系数K_(dO)(PAR)具有很高的一致性,相对差控制在20%。②K_(dM)(PAR)随深度的变化规律与观测结果K_(dO)(PAR)相似,出现分层结构;近表层(1-4m),模拟值与观测值差别较大,在4m深度以下到真光层深度处,多数站位的K_(dM)(PAR)值与K_(dO)(PAR)值接近,差别很小,这是因为在表层4m以上PAR的观测值受船体阴影以及表面波浪的影响较大,从而在计算K_(dO)(PAR)时产生了一定了误差,造成模拟值与观测值差别较大,在4m以下,PAR衰减系数K_d(PAR)受环境光场的影响较小,受水体中成分的影响较大,因而模拟值与观测值接近。③指数率模型反演PAR值与实测PAR值在各深度上比较一致,相对差最大不超过45%,表明指数律模型中使用的K_(dM)(PAR)准确性较高。④光从大气中传输进入悬浮粒子含量高的黄海水体中时,下行辐照度的光谱性质发生改变,随水深增加,辐照度光谱峰值从大气中的蓝光区右移到了水体中的绿光区。⑤模式的敏感性分析表明,非藻类的悬浮粒子是影响黄海海区光传输的主要因素,非藻类粒子对海水中光的衰减作用相当于其他物质作用的总和,在PAR衰减系数中占53.3%,其次是浮游植物。⑥非藻类的悬浮粒子对光谱的影响主要集中在波长小于600nm的短波区间,与其他光传输影响因子相比,非藻类粒子的物质种类与浓度变化更容易影响光的传输特征,从而导致水体中的光量与光场性质的改变,对海洋生态系统产生深远影响。⑦黄海的光学衰减特征具有显著的区域性差异,在同一深度处,北黄海的光谱辐照度值低于南黄海,近岸水域低于离岸水域,PAR衰减系数的平均值K_d(PAR),在北黄海最大(0.298m-1),依次是近岸水域(0.276 m~(-1))、离岸水域(0.201 m~(-1)),南黄海最小(0.175 m~(-1)),在一定程度上反映了影响光传输主要因子的分布特征。⑧目前生态模式中使用的光学模型将K_d(PAR)简单表示为纯水与浮游植物的衰减系数和,该光学模型在非藻类粒子是光衰减主要因子的黄海中不适用,本文利用AOMC模式并结合实测资料,建立了浊度与K_d(PAR)的简单参数化表达式,为光学模型在海洋生态模式中的应用提供了参考。


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