珠江口水体组分的吸收特性分析

水体组分吸收特性是水下光场和水面光谱的主要影响因子,对其进行研究有助于提高对水体光学特性的认识和水质参数的遥感反演.基于2013年7月珠江口水体30个样本的实测数据,对珠江口水体总颗粒物、非藻类颗粒物、浮游藻类和CDOM的吸收特征进行了分析,结果表明:1总颗粒物吸收特征为非藻类颗粒物主导类型;2非藻类颗粒物的吸收系数遵循指数衰减规律,主要来源是陆源性输入,指数斜率Sd均值与空间变化幅度高于内陆二类水体;3多项式关系能较好地表达aph(440)与叶绿素a浓度的关系,而aph(675)与叶绿素a浓度存在很好的线性相关,辅助色素对浮游藻类吸收系数的影响主要在短波波段,长波波段叶绿素a的影响占主导地位,比吸收系数随叶绿素a浓度的增加而减小,呈现幂指数衰减规律;4CDOM输入以陆源为主,光谱曲线在紫外波段250~290 nm之间存在一个吸收肩,按光谱特征分段拟合Sg值能够更好地表达CDOM吸收特性,M值与A段(240~260 nm)的斜率Sg值呈现较强的正相关,珠江口水体的M值较小,CDOM中腐殖酸含量较高;5珠江口水体非色素颗粒物吸收在总吸收中占主导地位,浮游藻类吸收对总吸收的贡献远小于非色素颗粒物,CDOM吸收对总吸收的贡献最小,当CDOM中腐殖酸含量较高时,CDOM对水体总吸收的贡献大,腐殖酸含量较低时,CDOM对水体总吸收的贡献小.     

浮游植物降解过程中的水体光学吸收特性变化研究

通过配制3组不同浓度浮游植物,在室内进行长时间(37d)降解实验,分析水体光学吸收特性变化规律.结果表明:降解速度前3d最快,25d后逐渐趋于稳定;浮游植物色素吸收系数( aph)随时间变化不断减小趋势明显,在分解过程中不同波段aph(440)、aph(624)、aph(675)与叶绿素浓度(Cchl)显著相关(R2>0.5984,P<0.05),悬浮颗粒物吸收系数ap(440)、ap(675)和总悬浮颗粒物浓度仅呈弱相关性(R2<0.4613); 有色可溶性有机物CDOM构成比较复杂且相对不稳定,非藻类颗粒物吸收系数ad(440)和光谱斜率Sd随时间变化均呈现不规律性.另外,与太湖同期野外采样点相比,室内降解实验的总颗粒物和浮游藻类色素吸收光谱更相似,Sd和Sg更大.通过研究浮游植物死亡分解过程中水体吸收特性的变化规律,有助于构建高精度的黑水团遥感监测模型,及时掌握黑水团信息.     

查干湖和新立城水库秋季水体悬浮颗粒物和CDOM吸收特性

分别于2012年9月对不同盐度水体的查干湖和新立城水进行水体野外采样和室内实验分析,通过测定颗粒物、CDOM等光学活性物质的吸收系数来对比分析两种水体的光学活性物质的吸收特性、来源及其在400~700 nm范围内对总吸收系数的贡献.结果表明,综合营养状态评价指数显示秋季查干湖、新立城水库水体属于中等富营养化,总悬浮颗粒物的吸收光谱表现均与色素类颗粒物吸收光谱相似.对于盐度较大的查干湖水体(EC=988.87μS·cm~(-1)),非藻类颗粒物占主导地位,各组分贡献率为非藻类颗粒物色素颗粒物CDOM;而盐度较低的新立城水库水体(EC=311.67μS·cm~(-1)),色素颗粒物贡献率略大于非藻类颗粒物贡献,各组分贡献率依次为:色素颗粒物非藻类颗粒物CDOM.查干湖总悬浮颗粒物吸收系数α_p(440)、α_p(675)和非藻类颗粒物吸收系数α_d(440)分别与TSM(总悬浮颗粒物)、ISM(无机悬浮颗粒物)和OSM(有机悬浮颗粒物)、Chl-a(叶绿素a)相关性均较好,相关系数在0.55以上;新立城水库α_p(440)、α_p(675)与Chl-a相关性较好(0.77和0.85,P0.05),α_d(440)与ISM具有相关性(0.74,P0.01),与OSM表现为负相关(-0.63,P0.05).查干湖CDOM吸收系数a_g(440)仅与OSM表现为负相关性(-0.54,P0.05),而新立城水库α_g(440)与其他参数均无相关性.通过对CDOM吸收曲线在250~400 nm的拟合所得到的S_g以及相对分子量M_r发现,查干湖的S_g[(0.021±0.001)m~(-1)]大于新立城的S_g[(0.017 6±0.001)m~(-1)],而CDOM的相对分子量M_r值分别为11.44±2.00(7.5~15.09)、7.53±0.79(6.17~8.89),查干湖M_r值高于新立城水库水体,表明查干湖CDOM组成较新立城水体中CDOM的分子量小,组成更趋向于小分子.查干湖受风速和湖岸坍塌的影响产生矿物悬浮、沉积微粒,水体颗粒物以非藻类为主,部分来自于浮游植物降解产物;新立城水库水体不仅有径流携带的陆源性无机物的输入,同时水体浮游植物生长减弱且微生物分解活动加强,降解有机颗粒物与非藻类吸收系数呈现负相关.     

伊洛河和浑太河春季水体光学吸收特征的对比

为分析伊洛河和浑太河两流域水体光学活性物质的来源、吸收特征、空间差异以及在光合有效辐射(PAR)范围内对总吸收的贡献,于2017年和2013年5月分别在两流域进行河流样品采集,对两流域水体中悬浮颗粒物和有色溶解性有机质(CDOM)的吸收特性和水质参数进行测定.结果表明,两流域总悬浮颗粒物的吸收光谱[ap(λ)]与非藻类颗粒物的吸收光谱[ad(λ)]相似,与ad(λ)和浮游植物的吸收[aph(λ)]均显著相关.两流域ad(λ)均是总吸收的主要成分,伊洛河流域aph(λ)的贡献率大于CDOM,而浑太河则相反.通过对比蓝红比[aph(440)/aph(675)]发现,伊洛河流域样品蓝红比的变化幅度高于浑太河流域,说明同一季节浮游植物中辅助色素与叶绿素a浓度[Chla]的组成存在显著的空间差异.通过对比CDOM的吸收斜率(SCDOM),发现伊洛河CDOM的组成物质分子量较浑太河大,主要为外源性物质.另外,通过CDOM的相对分子质量Mr[aCDOM(250)/aCDOM(365)]的对比,发现伊洛河水体的变化幅度高于浑太河,而均值小于浑太河,表明伊洛河水体的颗粒物大小不一,浑太河水体更趋近于小分子颗粒物,与基于SCDOM得到的结果一致.     

昆明湖水体悬浮颗粒物与有色可溶性有机物光谱吸收特性研究

基于2011年9月23日在北京颐和园昆明湖测量的10个采样点的水体各组分吸收系数光谱,分析了秋季昆明湖悬浮颗粒物、非藻类颗粒物、藻类颗粒物及有色可溶性有机物(CDOM)的光谱吸收特性.结果表明,水体总吸收当中,藻类颗粒物贡献率最大,CDOM次之,非藻类颗粒物贡献率最低,这表明藻类颗粒物是秋季昆明湖水体中最主要的水体组分.秋季昆明湖南部藻类颗粒物吸收系数与叶绿素a浓度均大于北部,这可能是因为昆明湖水由北侧流入从南侧流出,且北京秋季盛行北风导致的.未发现CDOM与叶绿素a浓度间具有显著的相关关系,可能与藻类空间分布不均匀、并且受CDOM外源影响有关系.     

滇池水体总悬浮物散射系数参数化模型

总悬浮物的散射系数是水体非常重要的固有光学量之一,散射系数的参数化研究,对于水体生物光学模型的构建具有非常重要的意义.2009年9月对滇池水体25个样点进行野外采样,对滇池水体水质参数、悬浮物的吸收、散射特征进行分析,并利用乘幂模型对散射系数进行参数化,分析了模型精度与色素颗粒物吸收之间的关系,进而改进乘幂模型.结果表明,在色素颗粒物吸收较强的波段,普通乘幂模型的平均相对误差为0.08,模型改进后相对误差缩小为0.02;在色素颗粒物吸收较弱的波段,会出现模型的过修正,这主要取决于色素颗粒物的吸收,因此,没有必要对乘幂模型进行修正.     

基于不同光谱主导因子的内陆湖泊水体叶绿素浓度三波段反演模型研究

利用分层聚类法,对实测的遥感反射率进行分类,结合固有光学特征和实测的水色要素,确定每种类别遥感反射率光谱变化的主导影响因子.根据太湖、滇池、三峡库区及巢湖的地面遥感实验,将其遥感反射率分为3类,类型一的光学特性由总悬浮物和浮游藻类共同主导,类型二的光学特性由浮游藻类主导,类型三的光学特性由悬浮物主导.根据每类水体光学特征的差异,分别建立叶绿素浓度的三波段反演模型,反演的平均相对误差为23.8%,均方根误差为8.5 mg/m3,其反演精度要高于未经分类而直接建立的三波段模型.     

巢湖水体SPM和CDOM吸收特性季节差异研究

水体吸收系数作为重要的光学参量,研究它可进一步发展生物光学模型,为评估湖泊水体富营养化提供重要的理论基础。该文依据2020年8月和2021年10月在巢湖区采集的水样数据,经实验对水体组分光谱吸收和参数浓度的测定,展开对水体各组分吸收特性的研究以及季节差异分析。结果表明：巢湖夏季水体色素浓度高于秋季,而颗粒物则反之,两期水体各组分吸收特性时空差异显著;夏季总悬浮颗粒物在440和675 nm波段处的吸收系数a_p(440)、a_p(675)均值要比秋季大,且两期水体吸收类型大有差别;浮游植物夏季生长旺盛,光合色素增多,秋季因气候使其大量死亡,降解为非藻类颗粒物,导致夏季浮游植物色素颗粒物在440和675 nm波段处的吸收系数a_ph(440)、a_ph(675)、比吸收系数a^*_ph(440)和a^*_ph(675)均值大于秋季,而秋季非藻类颗粒物在440、675 nm波段处的吸收系数a_d(440)、a     

太湖梅梁湾水体组分吸收特性季节差异分析

利用2006年8月、11月和2007年3月太湖梅梁湾水样实验室测定的水体组分固有光学特性数据和水质分析数据,分析水体中各组分在不同季节的吸收特性,并讨论不同季节光谱吸收的主导因子.结果表明,各组分在不同季节其吸收特性存在一定的差异,总悬浮吸收系数在夏季最大,在440 nm平均吸收系数为(7.49 4±3.0)m-1,春季最小,440 nm平均吸收系数为(2.86±0.73)m-1,且不同季节其吸收类型不同;非藻类颗粒吸收特性的季节性差异相对较小,其吸收系数和S值的差异主要是由于无机悬浮物含量和组成的不同导致的;由于藻类含量的差异导致浮游藻类吸收系数在夏季最大,675 nm平均吸收系数为(5.49±3.5)m-1,秋季次之675 nm平均吸收系数为(2.03±1.14)m-1,春季最小,675 nm平均吸收系数为(0.62±0.25)m-1;而有色可溶件有机物(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)吸收系数和S值的季节差异性主要是由于其来源的不同,导致其浓度和成分的不同形成的.春、秋季由于无机悬浮物含量较高,非藻类颗粒物对总吸收的贡献大于其他组分,是水体总吸收的主导因子,而夏季由于浮游藻类含量较高,使其成为水下光谱的主要影响因素.     

巢湖水体固有光学特性研究

水体的固有光学特性是描述水体辐射传输的基本光学特性,是建立水质参数遥感模型的基础.黄色物质、非色素悬浮物和浮游植物是影响内陆水体光学特性的3种主要物质,对巢湖水体中这3种物质在波长为400～800 nm的吸收系数进行了测量和分析.结果表明,各组分的吸收系数随其含量的增加而增加;黄色物质和非色素悬浮物的吸收系数随波长的增加呈负指数形式递减;浮游植物吸收光谱的形状与不同藻类的色素组成密切相关.绿色到近红外波段范围是遥感监测内陆水质参数的最佳波段.      

太湖水体中悬浮颗粒物的比吸收光谱特性及其参数化分析

通过对太湖水体的野外采样,利用定量滤膜技术测量了水体中浮游植物色素的吸收系数(aph(λ))和非色素颗粒物的吸收系数(aNAP(λ)),进而推算比吸收系数.同时,对浮游植物色素和非色素颗粒物的比吸收系数的时空变化特征进行了分析.结果表明,浮游植物色素的比吸收系数(ap*h)在蓝光440nm的变化范围为0.008～0.268m2·mg-1,在红光670nm的变化范围为0.004～0.098m·2mg-1;;通过K-Mean算法将浮游植物色素的比吸收光谱分成3种具有不同光谱特征的类型,类别1、2和3占总数的百分比分别为61.0%、12.2%和26.8%,表明太湖水体中浮游植物色素的比吸收光谱是以类别1为主;;色素包裹效应因子Qa*(675)在Chla浓度<50mg·m-3时,随Chla浓度的增大迅速减小,而在Chla浓度>50mg·m-3时,其减小的趋势趋于缓慢,Qa*(675)与Chla浓度呈现出较好的幂函数关系.非色素颗粒物的比吸收系数(aN*AP)在蓝光440nm处的变化范围为0.012×10-3～0.143×10-3m2·mg-1,利用此处的比吸收系数建立的非色素颗粒物比吸收光谱的参数化模型,光谱曲线斜率...     

千岛湖水体悬浮颗粒物吸收特性及其典型季节差异

利用千岛湖2012年12月~2013年2月冬季及2013年6~8月夏季的采样数据,分析了千岛湖水体的营养水平和悬浮颗粒物的吸收特性季节变化及空间分布规律.结果表明千岛湖营养水平夏高冬低,整体处于中营养水平.冬季和夏季总悬浮颗粒物吸收系数在440 nm的均值分别为:(0.20±0.07)m-1和(0.24±0.17)m-1;675 nm的均值为(0.07±0.02)m-1和(0.10±0.07)m-1;夏季显著高于冬季(t-test,P<0.05).冬季总悬浮颗粒物的吸收光谱可分为两种情况:西北湖区与浮游植物吸收类似,其它站点与非藻类颗粒物的吸收相似;而夏季,在可见光范围,50%以上总悬浮颗粒物的吸收是由藻类颗粒物贡献,因此,总悬浮颗粒物的吸收光谱曲线与浮游植物光谱曲线类似.冬夏季浮游植物吸收系数差异显著(P<0.05),440 nm均值分别为(0.10±0.03)m-1和(0.17±0.14)m-1;相应地675 nm的均值为(0.05±0.02)m-1和(0.08±0.07)m-1.冬季和夏季440 nm浮游植物比吸收系数(以Chla计)的均值分别为:(0.045±0.010)m2·mg-1和(0.039±0.013)m2·mg-1;675 nm处为:(0.022±0.004)m2·mg-1和(0.019±0.005)m2·mg-1.440 nm和675 nm浮游植物吸收系数随Chla浓度及综合营养状态指数的增加线性增大;比吸收系数和Chla浓度呈幂函数关系,随Chla浓度增大而减小.冬季非藻类颗粒物吸收与无机颗粒物的相关性最好;夏季440 nm非藻类颗粒物吸收与总悬浮颗粒物和有机颗粒物呈线性关系,随着总悬浮颗粒物和有机颗粒物含量增加非藻类颗粒物吸收增加.     

基于水体固有光学特性的太湖浮游植物色素的定量反演

基于2005-05～2005-08对太湖全湖不同湖区92个样点吸收系数、光束衰减系数、后向散射系数等固有光学特性测定与计算,选择色素浓度反演的最佳波段组合,利用反射率比建立了太湖叶绿素a,叶绿素a与脱镁叶绿素的定量反演模型.结果表明,全湖4次采样叶绿素a、脱镁叶绿素的变化范围分别为3.9～149.8μg·L^-1、均值为(38.14±28.89)μg·L^-1;0～45.8μg·L^-1、均值为(8.49±7.24)μg·L^-1,存在很大空间差异,湖心区和草型湖区的东太湖、胥口湾、贡湖湾色素浓度一般要低于其他湖区.同样吸收系数和后向散射系数也存在很大的空间差异,a_t(440)的变化范围为0.86～23.25 m^-1、均值为(6.21±3.31)m^-1,b_t(550)的变化范围0.05～2.25m^-1、均值为(0.72±0.52)m^-1,东太湖、胥口湾、贡湖湾的值要低于其他湖区.400～650nm随波长增加总吸收系数大致呈下降趋势,680nm附近存在1个峰值,峰值的强弱与水体中色素浓度有关,而到720nm以后则逐渐增加,后向散射系数随波长增加则逐渐降低.反射率比R(706)/R(682)能较好地用于太湖色素浓度的反演,叶绿素a、叶绿素a与脱镁叶绿素之和幂函数反演的决定系数R²分别达0.823、0.864 5.模型能用于包括湖面反射率受湖底和沉水植物影响的全太湖.     

博斯腾湖夏季水下光场特征分析及影响因素探讨

2011年8月,在新疆博斯腾湖17个站点进行水样采集,同步对11个站点进行水下光场原位测定.结果发现,博斯腾湖夏季总颗粒物吸收系数光谱表现出明显的浮游植物吸收特征,而浮游植物光谱曲线有明显的硅藻吸收光谱特征.在光合有效辐射波段,有色可溶性有机物（CDOM）吸收系数与浮游植物吸收系数对总吸收的贡献相当,而非色素颗粒物对总吸收的贡献最低.水下光谱衰减系数的最小值出现在580nm左右的绿光波段,PAR漫射衰减系数平均值为0.53m-1,平均真光层深度约为9.69m,大于湖水平均深度.在博斯腾湖虽然纯水和CDOM在总吸收中占有很重要的部分,但主导漫射衰减的因子仍为颗粒物.通过本文研究,以期能为干旱地区湖泊环境保护和水质遥感监测提供数据和理论基础.     

内陆水体后向散射系数模拟研究

在利用半分析方法结合光学闭合原理模拟水体后向散射系数的过程中,参考波长的选择对最终结果有较大影响.为了得出最佳参考波长的影响因子,利用太湖、巢湖和滇池的野外实测数据,对后向散射系数进行模拟,进而分析水体的最佳参考波长与其对应的水质参数浓度之间的变化规律.同时,建立了太湖、巢湖和滇池水体的后向散射系数曲线的幂函数光谱模型,获得的光谱指数分别为2.643±0.317、 2.719±0.242、 1.638±0.534.结果表明：①以整个湖泊为研究对象时,最佳参考波长随着湖泊水体中总颗粒物浓度c_SPM、有机颗粒物浓度c_SPOM和叶绿素浓度c_CHL平均值的增大而向长波方向移动,太湖、巢湖和滇池水体的最佳参考波长分别为695、 720和730 nm;②以单个湖泊的各个样点为研究对象时,由于内陆湖泊光学特性的复杂性,最佳参考波长的影响因子存在一定差异,但c_SPM是一个共同的影响因子.此外,过高的c_CHL将削弱水质参数浓度与最佳参考波长间的规律性;③在以无机颗粒物为主的水体中,后向散射系数与总颗粒物浓度之间存在更好的相关性,如在太湖水体中,R²达到0.852.     

东平湖CDOM吸收光谱特性及其来源解析

为分析东平湖有色可溶性有机物（CDOM）吸收特性、来源和空间分布的季节变化,分别于2013年8、12月以及2014年3月采集了35个表层水样,分析了各基本水质参数、CDOM吸收系数[a（440）]、比吸收系数[a^*（440）]和相对分子量参数M值的分布规律及CDOM吸收系数与水质参数之间的相关关系.结果表明：东平湖CDOM吸收系数a（440）呈现出枯水期 > 丰水期 > 平水期的规律,空间分布与CDOM比吸收系数[a^*（440）]相似.M值呈现出丰水期 < 平水期 < 枯水期的变化趋势.丰水期CDOM吸收系数与叶绿素a（Chla）具有显著相关关系;丰、平水期两季CDOM吸收系数与DOC存在显著相关关系.丰水期CDOM同时受外源和内源输入的影响,但以内源输入为主,主要来源于浮游植物降解产物;老湖镇湖区外源特征明显.平水期CDOM亦受内源和外源输入的双重影响,但浮游植物的腐烂降解不是CDOM的主要来源;北部湖区以外源输入为主.枯水期CDOM整体表现出较强的自生源特征,但相关分析显示,浮游植物降解并不是CDOM的主要来源,自生源特征可能与挖沙活动导致的悬浮物浓度增高有关;东南湖区因大汶河输入的影响呈现出较强的外源特征.利用东平湖丰、平水期两季CDOM浓度反演DOC浓度具有可行性.     

富营养化水体中黑水团的吸收及反射特性分析

对黑水团水体光学特性进行研究,是利用遥感技术监测和评估黑水团事件的前提.针对2015年7月在太湖发生的黑水团现象,采集了太湖黑水团区(区域一)、蓝藻水华区(区域二)、清水区(区域三)共36个水样,对这3个区域的水体遥感反射率以及吸收特性进行对比分析.结果表明:1区域一水体的总颗粒物、色素颗粒物和非色素颗粒物吸收系数比区域二、区域三高出1~2倍,在400~500 nm之间,区域一CDOM吸收系数相比另外两个区域的水体高出2倍左右.导致黑水团区域水体具有很低的遥感反射率,被人眼感知时呈现为黑色;2黑水团区域水体M值低于滇池、巢湖和太湖的M值变化范围,说明黑水团中CDOM的腐殖酸含量较高.此外,叶绿素a浓度与CDOM在350 nm处吸收系数之间具有很好的相关性,表明蓝藻的降解可能是黑水团中CDOM的一个主要来源;3在380 nm之后,黑水团区域的水体总吸收以色素颗粒物占主导,但在短波350~380 nm处,CDOM对总吸收的贡献率高于色素颗粒物和非色素颗粒物.