CALIOP反演海洋颗粒物后向散射系数方法概述

颗粒物后向散射系数(particulate backscattering coefficient,bbp)是海洋光学应用于海洋生态学和生物地球化学研究的核心参数。但目前常用的原位方法短时间内无法完成大范围的探测,被动水色遥感无法在缺乏光照以及有云的条件下工作,相比之下,主动遥感方式星载激光雷达可以突破以上限制,在海洋探测方面具有极大的优越性。2006年发射的CALIOP成为首个能够提供全球海洋bbp数据的星载激光雷达,特别是为极地观测和昼夜观测提供了重要数据。文中详细介绍了CALIOP系统原理及其三级主要数据产品,重点梳理了利用CALIOP 532 nm偏振通道退偏比反演bbp的方法以及后续的退卷积校正系统瞬态响应等改进措施,总结出了一套详细完整的反演流程,开发出对应算法并展示了bbp的反演结果,旨在为我国未来星载海洋激光雷达的数据处理及应用工作提供参考。

琼东水体后向散射系数与浮游植物生物量的关系模型

海洋中光后向散射系数的变化包含了浮游植物生物量的信息,可应用于卫星遥感和光学剖面观测平台获取海洋中大时空尺度-高分辨率剖面的浮游植物生物量变化特征。本文选取了琼东上升流影响下生物—光学变异性较为显著的海域,基于2013年航次实测数据,建立了颗粒物后向散射系数(b_(bp))与叶绿素a浓度(Chl a)间的区域性关系模型。模型假定颗粒物后向散射系数由不随叶绿素浓度变化的固定背景值,以及较大粒级(>2μm)和pico级(微微型,<2μm)两类浮游植物的后向散射贡献累加所得。采集的数据集进行了模型检验,结果表明,模型能很好地模拟琼东海域水体的b_(bp)与Chl a间的变化趋势,性能优于常用的幂函数关系模型,尤其在低叶绿素浓度范围,很好地解决幂函数显著低估的现象;琼东海域的b_(bp)和Chl a关系存在显著的水层变化,底层后向散射固定背景值显著高于上层水体背景值,表明底层受上升流的影响,水体中不随Chl a共变的颗粒物浓度增大,其后向散射相应增强;叶绿素最大层的后向散射固定背景值显著低于上层其他水体的固定背景值,后向散射固定背景值的贡献百分比约为21%~35%;随着叶绿素浓度增大,较大粒级的浮游植物对颗粒物后向散射系数的贡献也显著增大,可达到50%以上,pico级浮游植物贡献稳定在40%附近。本研究的结果将为琼东海域浮游植物生物量的光学遥感、生物地球化学过程研究提供更为精确的区域性模型和基础支撑数据。

Bio-Argo浮标观测北大西洋色素与颗粒物的季节分布

通过一台Bio-Argo浮标在北大西洋(冰岛附近)运行近2年(2008年6月-2010年5月)获得的观测数据,分析与研究了该海区叶绿素a浓度([Chla])、颗粒物后向散射(b_(bp)p(532))和光束衰减系数(c_p(660))的季节变化及其生物光学关系。研究表明,北大西洋生物光学参量存在明显夏高冬低的季节分布,其中表层[Chla]最高超过2mg m^(-3),最低仅为0.05mg m^(-3);c_p(660)的季节变化更明显,幅度超过2个数量级;b_(bp)(532)则存在一个明显的背景值,约为0.00065 m^(-1),可能是一种非藻类颗粒物的存在或是来源于仪器的测量误差;[Chla]、c_p(660)以及b_(bp)(532)之间均呈良好的指数相关关系,但在后向散射的高值区(>0.004 m^(-1)),生物光学关系减弱,可能是由于北大西洋的夏季浮游植物种群的变化。

基于遥感数据分析南海叶绿素与颗粒物的季节变化与相互关系

本文基于卫星遥感的叶绿素a浓度与颗粒物后向散射系数月平均数据以及其他海洋与气象参数,详细分析了两个生物光学参量在季节尺度上的相关性及其与物理参数的耦合关系,并运用光驯化模型分析了南海表层水体浮游植物的生理学季节变化特征。结果表明,受南海地形和风场等物理参量的变化,南海叶绿素a浓度与颗粒物后向散射系数存在显著的季节和空间分布特征,具有一定的共变性和差异性。在南海近岸及浅水区,叶绿素a浓度与颗粒物后向散射系数有很好的耦合关系;而在南海深水海盆区,叶绿素a浓度冬高夏低,其季节循环过程与颗粒物后向散射系数相反,这主要是受浮游植物生理学过程的影响。"生物量控制区"与"光驯化控制区"的分界在南海与陆架-海盆分界线一致,体现了水深条件对浮游植物生理状态的影响。此外本文还发现,在吕宋海峡西部海区,叶绿素a与颗粒物后向散射系数的关系表现出"生物量-光驯化共同控制"的特点。

基于QAA模型的岱海悬浮物浓度遥感反演

为反演岱海颗粒物后向散射系数和悬浮物浓度,在获得2017年8月10日水面以上遥感反射率R_(rs)(λ)、去水吸收系数an-w(λ)和悬浮物浓度C_(SM)等40组实测数据的基础上,基于QAA(quasi-analytical algorithm)模型,选取参考波长λ_0,反推出颗粒物后向散射系数b_(bp)(λ)并对其幂指数Y拟合,构建改进的QAA模型,并建立基于b_(bp)(λ)的C_(SM)反演模型。将改进的QAA模型应用于Sentinel 3 A OLCI遥感数据,得到岱海C_(SM)空间分布图。结果表明:710 nm适为参考波长;反推出的40组Y范围为0.99～2.65,与水下反射率之比r_(rs)(400)/r_(rs)(560)的线性拟合精度R^2为0.851;在400,440,560 nm等处an-w(λ)反演结果的平均相对误差均在7%以下;b_(bp)(665)与C_(SM)线性拟合精度R^2为0.915,平均绝对误差和相对误差分别为4.44 mg/L和9.73%;岱海悬浮物浓度呈现从中心到边缘逐渐增高的空间分布规律。