中国近海高浊度水体中光传输特征的数值模拟研究

发布时间：2020-06-04 19:57

【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。
【图文】：

示意图,遥感算法,辐射传输,正问题

6图1.3-1 辐射传输正问题与遥感算法反问题划分示意图由于大气和海洋中光学活性物质的数量及其光学特性的可变性，，因此使用数值模式对光场进行模拟时，需要考虑到两个方面：一是模式中要考虑应用所涉及的全部辐射过程，二是模式的计算效率要高。模式之间的不同主要在于求解辐射传输方程使用的数学方法，以及对海表边界条件的处理。描述单色辐射在平行平面散射介质如大气和海洋系统中传输的基本方程为[58]：P(,,,,)I(,,)ddQ(,,)4I(,,)ddI(,,)20110τμ μ τμ μ τμ πωτμ ττμ μπ= ′′′′′′ ∫∫ 其中， I (τ ,μ, )为光学厚度为τ 的高度上，沿极角余弦μ 、方位角为方向的辐射强度，0ω 为单次散射反照率

出射方向,入射,几何图,太阳辐射

-2太阳辐射入射与出射方向的几何图
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X55

【引证文献】