真光层辐射特性及其对海洋初级生产力遥感的影响

发布时间：2020-06-11 07:25

【摘要】： 海洋初级生产力(OPP)在全球碳循环中起着重要作用,在相当程度上控制着海气界面CO2的交换,是全球变化研究中的重要内容。本文的研究目标是通过卫星遥感反演整个中国近海、长时间序列的OPP,并利用真光层中的辐射传输模式研究不同水体光学特性的变化对叶绿素a浓度和OPP遥感的影响,同时分析中国近海OPP的时空演化及其可能原因,特别是亚洲频繁发生的沙尘暴对海洋生态系统的可能影响。本文的研究可以弥补现场调查的时空局限性,对于理解海洋生物地球化学过程及其可能的气候环境效应十分关键。另外,研究亚洲沙尘对海洋叶绿素a浓度和OPP的可能影响为目前尚未得到充分重视的沙尘的间接气候和环境效应问题的研究提供了一个参考,也为该问题今后的进一步深化研究提供了一个很好的基础。本文的主要研究内容包括4方面:水色和OPP遥感原理及方法介绍,建立中国近海OPP的遥感反演模式及精度分析;利用辐射传输模式进行各种水体对OPP遥感影响的敏感性实验研究;中国近海OPP的时空演化及其可能原因分析;初探亚洲沙尘对中国近海生态系统的可能影响。第一部分内容是后面3部分研究得以进行的基础。第一部分首先介绍水色和OPP遥感的原理,并综述了OPP的反演方法,在此基础上选定当前应用广泛且最有效的OPP算法的修正算法(修正的VGPM)建立了中国近海OPP的反演模式,并讨论了影响OPP反演精度的因子,同时将有关参数的卫星遥感结果同现场观测资料进行对比分析。结果表明叶绿素a浓度、真光层深度及最大光合作用速率都是影响中国近海OPP遥感精度的主要因子,而卫星遥感的OPP能够反映中国近海OPP的变化趋势。第二部分利用真光层中的辐射传输模式进行了一系列敏感性试验,以研究不同水体光学特性的变化对叶绿素a浓度和OPP遥感的影响,主要结果是:对于含有不同成分浓度的水体,输入的遥感反射率误差越大,所引起的叶绿素a浓度和OPP的反演误差也越大。叶绿素a浓度在0.2-1 mgm -3时,各种叶绿素反演算法的适用性最好,而对于较高和较低叶绿素a浓度的水体,反演误差都较大。此外,OPP的反演误差随总悬浮物质浓度的减小而减小。忽略叶绿素a浓度峰值分布时造成OPP的反演误差,在南海最大可达71%,而在黄海最大为29%。第三部分利用修正的VGPM模式反演了1998-2005年中国近海的OPP,同时分析了其时空演化跟其他物理化学环境因子之间的关系。研究结果表明:渤海、北黄海、南黄海、东海北部、东海南部和南海的初级生产力有明显的季节变化,它们在一年内都表现出很好的双峰分布(渤海分别在夏初和秋季,黄海和东海分别在春季和秋季,南海则在冬季和夏季),且第1个峰值高于第2个峰值。东海南部和南海夏季最低,而其他几个海域则是冬季最低。在渤海、黄海和东海,温度、透入海中的光(跟海表辐射强度和透明度有关)是影响其时空演化的主要因素,而在南海营养盐则是最主要的因子。第四部分利用卫星遥感的叶绿素a浓度、海表温度、气溶胶指数资料以及我们反演得到的OPP资料,讨论分析了亚洲频繁发生的沙尘暴输送到黄海和南海以后,对浮游植物生长以及OPP的可能影响。得出的主要结论如下:亚洲沙尘对贫营养的大洋水域的作用尤为突出,而对近岸水的促进作用相对较小,这可能是因为近岸水本身就是富营养的;亚洲沙尘有可能促进了黄海的春季藻华;1998、2001、2002和2006年的几次典型的长距离沙尘过程表明,亚洲沙尘促进了黄海和南海的叶绿素a浓度和OPP的增加,并且大多都是滞后一周至两周的时间开始起作用,少数几次沙尘事件最长可滞后约1个月。本文创新之处主要有以下几点:○1利用目前应用广泛且最有效的OPP反演算法的修正算法,建立中国近海的OPP反演模式,并且分析了中国近海各海域OPP的空间和长时间变化趋势,这弥补了现场测量的时空局限性。○2应用真光层中的辐射传输模式分析不同水体光学特性的变化对OPP反演精度的影响,这对于分析OPP产品的不确定性可能更加有效。○3探讨了近10年来,亚洲沙尘对中国近海叶绿素和OPP的可能影响,采用强和特强沙尘暴个例的实际详细记录同卫星遥感的气溶胶指数资料相结合的方法,来分析亚洲沙尘暴入海的日期、天数和强度,这样可能更准确地抓住了入海的沙尘,从而为分析沙尘暴对海洋的影响提供了更可靠的基础。本文试图通过遥感揭示中国近海OPP的时空变化规律,同时希望揭示不同水体对OPP遥感不确定性的可能影响,并试图找出影响它的主要因子。另外,希望揭示亚洲沙尘经过长距离输送沉降到海洋之后,可能为黄海和南海“施肥”从而影响其生态系统的规律,这部分工作需要今后更进一步的研究和证实。
【图文】：

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生产过程（林志芬提供，私人通信，2007）图 1-2 铁施肥示意图（from Internet）面，众所周知，亚洲频繁发生的沙尘暴向大气中注入大量沙尘气溶胶洲地区乃至全球的气候和环境都具有重要的影响。这种影响不仅包括土壤风蚀、退化，人畜伤亡等直接灾害，还会通过沙尘的长距离输送，的广大区域，如中国华北、华东地区及近海海域、韩国、日本、太平夷和北美西海岸，如有研究在夏威夷群岛的 Mauna Loa 观测站发现有尘气溶胶的个例（Shaw, 1980，转引自周秀骥等，2002）。目前，对直接效应，已经引起相当的重视，并正在进行大量研究。但是，当前未得到充分重视的问题，就是沙尘的间接气候和环境效应。特别是，携带的铁等营养物质沉降到海洋之后，将对海洋生态和环境造成重要玉等，2002；石广玉和赵思雄，2003）。，，全球每年约有 10－30 亿吨（Duce 1995 的估计为 10－50 亿吨，可

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生产过程（林志芬提供，私人通信，2007）图 1-2 铁施肥示意图（from Internet）面，众所周知，亚洲频繁发生的沙尘暴向大气中注入大量沙尘气溶胶洲地区乃至全球的气候和环境都具有重要的影响。这种影响不仅包括土壤风蚀、退化，人畜伤亡等直接灾害，还会通过沙尘的长距离输送，的广大区域，如中国华北、华东地区及近海海域、韩国、日本、太平夷和北美西海岸，如有研究在夏威夷群岛的 Mauna Loa 观测站发现有尘气溶胶的个例（Shaw, 1980，转引自周秀骥等，2002）。目前，对直接效应，已经引起相当的重视，并正在进行大量研究。但是，当前未得到充分重视的问题，就是沙尘的间接气候和环境效应。特别是，携带的铁等营养物质沉降到海洋之后，将对海洋生态和环境造成重要玉等，2002；石广玉和赵思雄，2003）。，全球每年约有 10－30 亿吨（Duce 1995 的估计为 10－50 亿吨，可
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（大气物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：P732

【引证文献】