基于简化内波方程的光学隐蔽深度模型建立与分析

非均匀海水条件下,光学隐蔽深度模型(OCD_LAYER)建立在海水按照垂直线上分割成光学特性近似的相似层的基础之上,为了研究海洋内波条件下OCD_LAYER模型的适用性,根据对比度和两层流体内孤立波KDV方程,通过构造内波垂向结构,计算出位移均方根最大层为内波简化两层界面,并依此建立内波简化模型条件下光学隐蔽深度模型(OCD_KDV)。计算并分析了水下航行体表面反射比、海水衰减系数、观察天顶角、空气消光系数变化对内波简化模型条件下光学隐蔽深度模型的影响。结果表明,在最高探测概率下,特征尺度为36m的水下航行体光学隐蔽深度在深远海海水中数值为36.79m;在近海海水中数值为22.08m;在沿岸海水中数值为11.04m。实验结果为水下航行体光学隐蔽性提供了重要理论参考。

水下珊瑚双向反射率观测技术的研究

遥感作为一种高效海洋环境监测手段,可以对海底各种底质类型分布及其状态变化进行同步大面积监测。目前,海底底质反射率观测技术主要为单个角度观测,开展底质多角度光反射特性观测技术的研究,分析不同底质双向反射分布函数(BRDF)特征,对于遥感高精度监测浅水海区底质具有重要意义,在满足遥感对复杂底质类型精确区分的同时能做到对底质更细微的动态变化监测。采用双通道同步测量的方法,设计了一套简便的海底底质双向反射率测量系统,获取了水下珊瑚及细沙底质的反射率特征数据。在大亚湾海域开展了现场测量,数据分析表明:(1)岸上沙质的BRDF特征:在400~700 nm内,当天顶角不变时(θ=20°,40°或60°),不同方位角(θ=0°,45°,135°,180°,225°和315°)所测得的反射率值标准偏差小于1.5%;当方位角不变时(θ=0°,45°,135°,180°,225°或315°),不同天顶角上的反射率值标准偏差均不大于1.7%,表明岸上沙质的BRDF变化较小,具有朗伯体特性;水下沙质的BRDF特征:在400~700 nm内,当天顶角不变时,不同方位角所测得的反射率值标准偏差随着波长的增大而增大;在400 nm时,反射率值的标准偏差为3.8%,在700 nm时,反射率值标准偏差递增至12%。水下沙质的BRDF表现为各向同性特征。(2)水下珊瑚BRDF特征:在天顶角不变时,不同方位角上所测得的反射率值标准偏差随着波长的增加呈现先增加后减小,而后激增的趋势。从400到605 nm,标准偏差从1%升至2%,而后从605到675 nm,标准偏差从2%降至1.2%,在675~700 nm,标准偏差从1.2%增至4.9%。现场测试数据分析结果表明本套水底双向反射测量系统能有效测量多种海底底质的反射光谱。通过现场获取的测量数据,对沙质和珊瑚两种典型底质的反射率光谱及BRDF进行了初步分析,为后续采用遥感手段反演浅水区底质及动态变化(如,珊瑚生长状态)提供多种底质多观测角度的反射率光谱特征。

基于深度神经网络的CALIOP透明云下海面风速反演

构建了一种适用于CALIOP透明云下数据的深度神经网络模型,用于反演海面风速。通过使用2017年1、4、7、10月的CALIOP夜间数据和准同步的AMSR-2风速数据对模型进行训练,然后将该模型应用于2018年1—9月的夜间云下数据,实现海面风速的反演。与无云数据对比,所得反演结果表明精度接近,标准偏差最大为0.89 m/s,最低相关系数为0.94。在引入ERA5有效波高数据后,反演精度进一步提升,标准偏差最大为0.68 m/s,相关系数达到0.96以上。研究结果表明,透明云下数据同样可用于风速反演,深度神经网络能够有效地从CALIOP数据中提取风速信息,并结合有效波高数据进一步提高反演精度。

基于CALIOP双波长数据的海面测风信号筛选方法研究

基于海面后向散射模型,提出了一种利用CALIOP双波长海面信号进行数据质量控制的星载激光雷达数据筛选方法。选取CALIOP 2018年1―9月Version 4.1.0 level 1数据进行全球海面风速反演,为提高数据可利用率,在无云海域探测海面风速的条件下增加了可穿透云CALIOP数据,经过大气校正和双波长信号质量控制后进行风速反演,以准同步AMSR-2风速数据作为参考值进行检验。分别采用Cox-Munk和Hu模型的经验关系反演风速,对于1―3月数据,前者标准偏差分别为1.14、1.18、1.16 m/s,相关系数分别为0.90、0.91、0.91;后者标准偏差分别为1.17、1.19、1.17 m/s,相关系数分别为0.91、0.91、0.91。而相较于无云海域的反演研究,可利用数据量提高约45.5%,表明利用该方法既能保证反演精度同时又能有效提高数据可利用率,可为海面风场研究提供更多的数据源。

基于机器学习的长江口表层水体溶解有机碳遥感反演研究

溶解有机碳(dissolved organic carbon,DOC)是海洋中最大的活跃有机碳库.精确刻画大河河口及其近海水体表层DOC浓度的时空分布,有助于更好地理解河流输送的有机碳在河口近海经历的生物地化过程及在该区域的归宿.本研究采用机器学习方法,通过反演水体溶解态有机碳库中的有色溶解有机物(colored dissolved organic matter,CDOM)的吸收光谱信息,并基于其与水体DOC浓度的相关关系,发展了基于地球静止轨道水色成像仪(geostationary ocean color imager,GOCI)的DOC遥感反演模型.结果表明,Nu支持向量回归(nu-supporting vector regression,NuSVR)方法可准确反演CDOM光谱吸收特性(如验证集CDOM在300 nm处的吸收系数aCDOM(300)和275~295 nm处的光谱斜率S275–295的平均绝对误差(mean absolute percent differences,MAPD)分别为32%和8.6%).分别基于该区域表层水体CDOM光谱吸收特性与DOC浓度之间表现的3种不同的相关关系进行DOC算法构建,结果表明,基于aCDOM(300)与DOC浓度之间的线性相关,并考虑这一相关关系的季节性差异所构建的DOC反演算法可较为准确地反演水体DOC浓度,DOC反演现场数据验证集和卫星验证集的MAPD分别为11%和14%.将构建的DOC算法模型应用到GOCI卫星图像上,结果显示,受长江径流影响,季节尺度上,长江口夏季水体表层DOC浓度显著高于冬季;而受潮汐、风场等因素的影响,小时尺度上河口近岸海域DOC分布呈现逐时高动态变化.本研究利用卫星遥感反演河口近海水体DOC浓度,为进一步在不同时间尺度上研究该区域水体DOC动态变化及驱动因素提供了有效手段.

大气湍流对LIF探测海面溢油影响的BRRDF仿真研究

及时定位海面溢油事故发生地并监测海面溢油信息对海洋污染治理和海洋生态环境保护有重要意义。激光诱导荧光(LIF)可搭载于无人机构建LIF雷达系统并应用于海洋环境监测。LIF雷达系统以大气为传输信道,大气湍流会导致信号衰落。双向反射再辐射分布函数(BRRDF)利用受激辐射荧光光子的权重、位置和方向描述物质的荧光特性,为LIF探测海面溢油提供理论指导。基于大气湍流理论和蒙特卡罗方法模拟海面溢油的受激辐射荧光过程,建立光子传输模型进行海面溢油BRRDF的仿真研究。仿真分析不同湍流强度下,光强闪烁、光束漂移、光束扩展效应对海面溢油BRRDF的影响。仿真结果表明,海面溢油受激辐射荧光信号具有各向同性,其强度与激发光的强度成正比。光束漂移效应对荧光漂移范围影响微弱,可以忽略;在弱大气湍流下(湍流强度参数σ_(R)^(2)<1),BRRDF所表征的荧光信号强度集中在2×10^(-5)~5×10^(-5)范围内,荧光光斑半径由1mm扩展至5mm,LIF雷达系统可以正常进行探测工作;大气湍流强度到达中等后(σ_(R)^(2)≈1),荧光信号强度在10^(-5)~10^(-4)范围内波动,荧光光斑半径扩展至15mm,此时大气湍流的不利影响无法忽视,LIF雷达系统探测到的荧光信号不够稳定,最终导致光谱不理想。在实际探测中,可通过适当提高探测器性能参数来增强系统的抗湍流能力。强大气湍流下(σ_(R)^(2)=25),出现光斑破裂现象,荧光信号分散并衰落至某一阈值之下,LIF雷达系统无法探测到荧光信号。文中的分析与提出的可行的研究建议,为LIF探测海面溢油相关研究提供参考依据,对LIF雷达系统设计具有一定的参考价值。

湛江湾水体颗粒物后向散射特性及其遥感反演研究

湛江湾2018年1月的原位调查,获得了原位遥感反射率(Rrs)、颗粒物后向散射系数(b_(bp))、叶绿素a(Chl a)和无机悬浮颗粒物(ISM)浓度等参数,分析了湛江湾水体颗粒物后向散射特性,并对颗粒物后向散射系数进行了遥感反演研究。研究结果显示:在研究区域观察到表层水体6个波段(420, 442, 470, 510, 590和700 nm)颗粒物后向散射系数的变异系数均在50%~60%之间,其变化范围为0.026 1~0.211 2 m^(-1),这意味着水体光学性质的复杂性。为了更好地量化b_(bp)的光谱特性,研究以510 nm为参考波段构建了b_(bp)幂函数光谱模型,获得的光谱模型斜率指数n=1.55。研究发现b_(bp)(510)与ISM呈现乘幂关系,与颗粒物组成(Chla/ISM)呈现指数关系,决定系数R2分别为0.74和0.62,表明研究区域颗粒物后向散射系数一阶驱动因子主要为无机悬浮颗粒物浓度,二阶驱动因子颗粒物组成对b_(bp)(510)变异也具有重要的贡献。为了准确估算湛江湾颗粒物后向散射系数,研究基于原位遥感反射率构建了随机森林模型,并与QAA-v6、 QAA-RGB和QAA-705三种半分析算法进行对比。随机森林模型的R2为0.86,平均绝对百分比误差MAPE为12%,均方根误差RMSE为0.02 m^(-1), QAA-v6、 QAA-RGB和QAA-705三种半分析算法R2分别为0.63、 0.71和0.53, MAPE分别为186%、 117%和243%, RMSE分别为0.16、 0.09和0.18 m^(-1),三种半分析算法虽然也具有较高的R2,但估计值和测量值之间存在显著差异,且MAPE和RMSE也较大,三种半分析算法显著低于随机森林方法的反演精度,表明运用遥感反演湛江湾b_(bp),随机森林方法具有较大的应用潜力。

褐藻寡糖制备工艺研究进展

褐藻寡糖是由褐藻胶降解制备获得的一种低分子聚合物,其具有抗氧化性、抑菌抗炎、降血压、抗肿瘤等多种生物学活性,因此成为海洋多糖活性功能研究的热点之一。褐藻寡糖的活性与褐藻寡糖制备方法息息相关,本文综述了化学、物理及生物三种不同褐藻寡糖制备方法的相关研究进展,并着重针对生物降解法中褐藻胶降解菌的分离及褐藻胶裂解酶产酶条件优化方面的前沿进展进行详细论述,以期为褐藻寡糖进一步的研究和生产应用提供一定的理论参考。

基于CIE色度角的海洋水质环境监测方法

结合国际照明委员会(Commission International de l’Eclairage, CIE)颜色系统,首先利用基于卫星多光谱遥感反射率的色度角信息获取方法,得到色度角信息数据集;然后,将色度角数据集与航测数据集匹配,建立基于色度角信息的总叶绿素和悬浮颗粒物浓度反演模型;最后利用现场采集的辽宁大连附近海域高清数码图像进行验证。结果表明:基于色度角信息反演得到的叶绿素a质量浓度、悬浮颗粒物质量浓度的反演模型精度较高,二者与色度角的相关系数R^(2)分别为0.73、0.81,且均与色度角呈负相关关系。该模型可以与无人机、数码相机等系统联动,并与卫星遥感组成立体监测系统,为海洋水质环境监测提供一种新方法。

Sentinel-2-MSI和Sentinel-3-OLCI离水反射率产品在黄河口的适用性评估

近岸高浊度二类水体具有复杂的海洋光学特性,不同影像源反射率产品在该类水体的适用性尚待充分论证。以黄河口水体为典型研究对象,以适用于黄河口的ACOLITEDSF算法校正的Landsat离水反射率产品为参考,通过星星匹配,对基于不同大气校正算法的Sentinel-2-MSI(S2-MSI)和Sentinel-3-OLCI(S3-OLCI)离水反射率产品在黄河口的适用性进行了评估。结果表明,在黄河口高浑浊-极度浑浊水体,iCOR算法校正的S2-MSI和S3-OLCI的离水反射率产品与参考产品的一致性高于其他算法,其次为FLAASH和Sen2Cor算法,C2RCC算法表现相对较差。iCOR、FLAASH和Sen2Cor算法除在高浑浊水体的近红外波段平均百分比相对误差EMARD超过34%外,在绿、红波段的EMARD均小于24%,Sen2Cor算法结果整体上与FLAASH的相似。iCOR、FLAASH和Sen2Cor算法随着水体浑浊程度增加,误差越小;而C2RCC算法则随着水体浑浊程度的增加,误差越大,且整体存在低估。研究结果可为高浊度二类水体大气校正的选择提供有效借鉴,并为黄河口悬沙高分辨率动态监测打下基础。

中国近海典型海区表观光学特性分析与研究

受陆源物质的输入、海底地形、季节性海流等多因素影响,中国近海水体的光学特性复杂,且部分要素有着明显的区域性和季节性的变化特点。利用"我国近海海洋综合调查与评价专项"中的光学调查资料,给出了以表观光学特性为主的中国近海水体分类的结果,分析了中国近海典型海区表观光学特性的主要要素的季节性和区域性的变化特点及其成因。

海水黄色物质光吸收特性实验研究

实验测量了干样配制的不同浓度黄色物质水溶液、实验室藻类培养液和胶州湾水域黄色物质水样的光吸收特性。测量结果表明 ,海水黄色物质光吸收系数与波长是单调变化关系 ,即不存在“波峰”和“波谷” ;在蓝紫光波段 ,海水黄色物质光吸收比海水自身、海洋叶绿素和悬浮粒子光吸收大 ,它是海洋中对该波段光吸收起着主导作用的物质 ;海水黄色物质光吸收系数与波长呈指数函数关系 ,其指数斜率s数值范围分别为 :胶州湾水域在 0 .0 1 31—0 .0 1 80nm- 1 ,实验室配制、培养样品是在 0 .0 1 0 5— 0 .0 1 39nm- 1 。

不同风浪条件下太湖梅梁湾光合有效辐射的衰减

基于2003年7月12～17日在太湖梅梁湾进行的连续6d原位水下光场观测资料,分析了不同风浪条件下光合有效辐射(PAR)的衰减和真光层深度,探讨了影响水下光合有效辐射的主导因子.结果表明,整个观测期间向下PAR衰减系数为2.63～4.71·m-1(均值为3.63±0.47·m-1),对应的真光层深度为0.98～1.75m(均值为1.29±0.18m),显示1.5m以下深度浮游植物、沉水植物基本上无法获取足够的太阳光能进行光合作用.从小风浪到中风浪、大风浪向下PAR衰减系数分别是2.63、3.72和4.37·m-1,衰减系数分别增加了41%、66%.透明度、PAR衰减系数、真光层深度与悬浮物浓度存在显著性线性相关,并且与悬浮物中无机颗粒物相关性最好,而与叶绿素a、脱镁叶绿素及溶解性有机碳相关性很低.多元逐步线性回归表明,叶绿素a和溶解性有机碳最先被剔除方程,说明在梅梁湾由于风浪扰动引起悬浮物浓度的改变是影响水下光场的主导因素.

南海北部水体浮游植物比吸收系数的变化

在2004年9月南海北部开放航次中测定了51个站点的浮游植物比吸收系数ap*h(λ)。分析表明,ap*h的数值和光谱分布都有较大的变化,且在沿岸和外海表现出不同的变化趋势。ap*h的变化主要受色素打包效应和色素成分的影响。外海水体微微型藻类占绝对优势,而沿岸水体中微型藻类和大型藻类的比例相对增大,相应地色素打包效应增强,ap*h减小。外海水体的ap*h光谱分布随深度的增加呈现出一定的变化趋势,且在上层水体的蓝红比较高,反映出辅助色素含量的相对变化对比吸收系数的影响。ap*h随叶绿素a浓度的增大而减小,两者之间呈现出较好的幂指数关系。

太湖水体光学衰减系数的特征及参数化

利用 2 0 0 1— 2 0 0 2年周年太湖全湖不同湖区湖泊光学及表层水样的实测资料 ,分析了太湖水体表层光学衰减系数与透明度、无机和有机颗粒物质及叶绿素a的相关关系 ,建立了表层水光学衰减系数与无机、有机颗粒物质及叶绿素a多元线性回归方程。结果表明 ,光学衰减系数与透明度的关系为 :Kd=0 0 96+ 1 85 2ST ;表层水光学衰减系数与无机、有机颗粒物质及叶绿素a多元线性回归方程为 :Kd=0 2 1 9+ 0 0 768Ciss+ 0 2 1 4Cdet+ 0 0 0 6Cchl;光学衰减系数变化的主要影响因子是无机及有机颗粒物。

南海真光层深度的遥感反演

海水真光层是指海洋浮游植物进行光合作用的水层,海水真光层深度的反演有利于对海洋初级生产力的估算。介绍了真光层深度的遥感反演算法,并根据实测资料,通过经验拟合得到南海海水真光层深度与海水漫衰减系数Kd(490)的关系:zeu=2.784/Kd(490)。经过与实测资料的对比发现,与其它通过叶绿素估算真光层深度的算法相比,本算法的精度明显提高。利用遥感估算的Kd(490)数据计算2003年南海的真光层深度,结果表明,南海陆源营养成分的输入以及南海环流是影响南海真光层变化的主要因素。

厦门湾有色溶解有机物的光吸收特性研究

研究了厦门湾九龙江河口区、西海域、同安湾及东侧水道海水中有色溶解有机物(CDOM)的光吸收特性,分析了CDOM的河口行为,并讨论了CDOM光吸收特性与其荧光性质之间的关系。结果表明,厦门湾表层海水CDOM光吸收系数a(355)的水平分布表现为河口区最高、东侧水道最低、西海域和同安湾介于两者之间,底层水a(355)的分布与表层基本相似,表明陆源河流输入是厦门湾CDOM的主要来源;a(355)的垂直分布为表层高于底层,主要受水文和生物因素控制。厦门湾表层水CDOM光谱斜率S的平均值介于0.014—0.018nm-1,但河口低盐度区S值较小,反映陆源腐殖质的影响。a(355)在河口混合中呈保守行为,表明CDOM具有良好的保守性质。CDOM的吸收系数a(355)与其荧光强度之间表现为较好的相关关系,指示可以用灵敏度更高的荧光方法来研究CDOM的分布和行为。

渤海海冰反射光谱基本特征的观测研究

针对渤海海冰监测的需要,在分析前人相关研究的基础上,从洁净平整冰入手,通过控制实验,在辽东湾鲅鱼圈港内获取不同厚度的洁净平整冰、有积雪覆盖海冰和含有泥沙海冰的样本,开展海冰现场反射光谱观测实验。根据两年的观测数据,在可观测到的小于30cm厚度范围内,洁净平整冰的光谱曲线呈现出"一大一小"的双峰特征,且主反射峰值与海冰厚度有较好的对应关系;有积雪覆盖海冰的主反射峰光谱值要大大高于相同厚度的没有积雪覆盖的洁净平整冰主反射峰光谱值;含有泥沙的海冰的光谱曲线在675～725nm波长范围内表现为先略有抬升,然后再继续下降的特征,而且其主反射峰值也大大升高。积雪覆盖和泥沙是产生渤海海冰"同厚异谱"或"同谱异厚"现象的重要原因。

黄、东海二类水体水色要素的统计反演模式

根据高质量的现场实测数据，借鉴Tassan模式，得到了中国黄、东海近岸二类水体水色要素统计反演模式，填补了中国近岸二类水体水色遥感三要素反演模式的空白。现场测量数据的反演与实测的平均相对误差分别为：Chl—a36％～45％，总悬浮物浓度20％～30％，黄色物质约为20％。对该三要素统计模式对遥感反射率误差的敏感性进行了分析。模式比较表明，中国黄、东海长江口近岸水体的模型，特别是高浑浊度水体区域，与国际其他水体的模型参数有较大的差异。

黄海、东海水体总吸收系数光谱特性及其统计反演模式研究

利用现场实测的表观光学量和固有光学量数据,得到了我国黄海、东海近岸二类水体多个波段的总吸收系数的统计反演模式。此反演模式采用412/555、490/555两个波段遥感反射比比值的二项式,得到波长412、440、488、510、532、555nm处的总吸收系数,其反演值和实测值的平均相对误差不大于25.8%,相关系数R2达到了0.75到0.85。水体总吸收系数几种统计模型的误差敏感性分析表明,反演模式对±5%的遥感反射比输入误差导致结果增加误差最大为24.0%,因此反演模式是可用的。同时给出了412、488、510、532、555nm各波段的总吸收系数同波段440nm的总吸收系数之间的关系。结果表明,在400—600nm波段范围内,每一个波段的总吸收系数与440nm波段的总吸收系数的相关性均较高,相关系数R2都超过了0.99。通过对拟合直线的斜率与波长进行回归,得到斜率和波长的关系,其相关系数R2为0.99,这样利用本文中建立的各波段总吸收系数关系模型,可以从一个已知波段的总吸收系数反演出任何另外一个波段的总吸收系数,这就在水色反演与应用中大大减少了未知因子的个数。