太湖水体浮游藻类吸收系数分离方法研究

利用太湖实测水色因子吸收系数数据,根据非藻类颗粒物与有色可溶性有机物(CDOM)吸收相似的特性,采用两者合并参数化方案,并结合浮游藻类吸收系数在580 nm与692 nm波长处比值恒定的特点,提出了适合于太湖的基于水体总吸收的浮游藻类吸收系数分离方法,并从数值和光谱曲线特征等方面对分离效果进行了评价。结果表明,浮游藻类吸收能够较好地从水体的总吸收中分离出来,在440,550和675 nm波段处,吸收系数的分离效果都较好,其中在675 nm波段分离平均相对误差在10%以内;分离得到的浮游藻类吸收光谱整体上保持了其原有的特征,与实测光谱具有很好的相似性,平均相似度在0.97以上。     

基于光学浮标的赤潮生消过程半分析监测方法

赤潮爆发时水体叶绿素a质量浓度升高,引起浮游植物吸收系数、光束总吸收系数等水体固有光学性质(IOP)的变化,并导致水体表观光学性质(AOP)的改变。海洋光学浮标可实现水体表观光学性质的定点连续时间序列观测,基于此发展相应的模型方法有望实现赤潮生消全过程的监测。利用一次赤潮生消过程的海洋光学浮标数据,发展了一种赤潮半分析监测方法。该方法首先由光学浮标数据得到的水体光谱漫衰减系数Kd(λ)和遥感反射率rrs(λ),结合经验确定的水下光场平均余弦进行水体光束总吸收系数a(λ)的半分析估算,然后再半分析反演浮游植物吸收系数aph(λ)和叶绿素a质量浓度。经检验,该方法估算a(675),aph(675)和叶绿素a质量浓度的中值相对误差分别为8.6%,34.9%和38.9%。将本方法与半分析方法(QAA)和统计回归方法进行了对比分析,本方法的优势在于反演精度较高,所采用的经验参数大都源自辐射传输理论计算、不依赖于浮标数据且对反演结果的影响有限。     

中国近海黄色物质吸收光谱特征分析

黄色物质是中国近海水体光学特性的重要影响因素。基于在中国近海海洋光学调查中获取的908个站位的黄色物质吸收系数数据,对黄色物质440nm吸收系数(ag(440))进行了分析,研究表明:(1)在封闭或半封闭海湾以及河口海域的ag(440)较其它海域明显偏大。(2)ag(440)占水体440nm总吸收系数(at(440))的百分比值分布特点与ag(440)的分布特点呈相反的趋势,即ag(440)越大,其对水体总吸收的贡献越小。     

冬夏两季太湖离水辐亮度贡献的深度廓线分布模拟

基于冬夏两季太湖50个采样点的散射、吸收系数,在假定水体混合均匀、无非弹性散射及内光源的情况下,利用多次散射模式模拟了冬夏两季太湖离水辐亮度贡献的深度廓线分布及相同离水辐亮度贡献之和情况下的深度分布。结果表明,由于冬夏两季风浪作用及水体中藻类浓度的差异,各层离水辐亮度贡献之和(自表层向下累加)达到99.5%,时在各采样点深度具有明显的不同。夏季梅梁湾和竺山湾最小,湖心开阔区及贡湖湾次之,太湖东南部最大,且在东太湖及西山的部分区域,底质反射的贡献不可忽略;冬季该深度基本均小于水深,无需考虑底质反射,且梅梁湾、竺山湾、西部沿岸、贡湖湾、东太湖及西山附近深度相对较大,但不超过450 mm。夏季影响该深度的因子主要是悬浮颗粒物及叶绿素,而冬季主要是悬浮颗粒物。内陆水体光学特性在空间上的非均匀分布,决定了不同深度处因散射引起的向上辐射对离水辐亮度贡献在空间上的不同,耦合离水辐亮度贡献廓线分布对提高二类水体水质参数的遥感有着重要意义。     

太赫兹时域光谱技术在流体包裹体研究中的应用

流体包裹体是研究矿物晶体演化的重要手段之一,它能反映矿物演化最原始的信息(温度、压力、pH值等)。在演化过程中,温度压力等外界因素直接影响包裹体的数量和大小,从而影响晶体的各种性质。本文利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS),对不同生长温度下KCl晶体内部的包裹体进行了检测,得到了样品的时域、频域和吸收系数曲线,并通过显微镜观察、计算得到了样品内部包裹体的面积,建立了包裹体面积和吸收系数的对应关系模型。通过对样品的吸收系数和样品内部包裹体面积的对比,可以看出二者具有相同的变化趋势,即晶体内部包裹体面积越大,THz吸收系数越大,说明THz吸收系数可以反映不同生长温度的晶体内部包裹体面积的变化情况,解析包裹体面积对太赫兹光学参数的影响,为流体包裹体的研究提供了一种新的有效途径。该研究创新点在于利用THz-TDS快速检测晶体内部包裹体面积的变化情况,说明了太赫兹技术完全可以用于包裹体的研究中,为包裹体的研究提供了一种全新的快速、无损的检测方法。     

黄海北部CDOM近紫外区吸收光谱特性研究

有色溶解性有机物(CDOM)近紫外区吸收光谱包含CDOM分子结构、组成等重要理化信息。利用2009年3月黄海北部海域CDOM吸收系数的实测数据,分析了该海域CDOM近紫外区的吸收光谱特性,结果表明:由于近岸陆源输入的影响,黄海北部海域CDOM构成差异较大,属于典型的二类水体;特定拟合波段范围的光谱斜率及特定波段处的吸收系数对CDOM分子量相对大小均具有一定的指示作用,250~275,350~400,300~350,275~300 nm波段的光谱斜率Sg,250~275,Sg,350~400,Sg,300~350,Sg,275~300与CDOM分子量相对大小指示参数M值的相关性依次递增,最高可达0.95,吸收系数ag(λ)与M值的相关性随波长增大逐渐变大,400 nm波段处相关性可达0.92;光谱斜率与吸收系数存在相关性与否由光谱斜率拟合波段范围及吸收系数获取波长共同决定,Sg,275~300与ag(400)的相关性最大,可达0.87。     

太湖典型湖区水体溶解有机质的光谱学特征

应用荧光光谱、紫外光谱及多种紫外参数等光谱学手段对太湖水体溶解有机质(DOM)进行分析测定,探讨太湖典型湖区水体中DOM的来源及其影响因素。结果表明:不同湖区水体DOM组成特性呈现出一定的区域特征,位于入湖河流的T1点和T2点所代表的竺山湾湖区,结构复杂的大分子物质和腐殖质类物质含量较多,这些区域受多重来源包括生物来源、陆源及生产生活污水的影响较大;以T3为代表的梅梁湾湖区、T4为代表的贡湖湾湖区和T5所处的湖心区其DOM复杂化程度相对较低;而T6点代表的东太湖湖区,因受外界环境的影响较小,以结构简单的类蛋白物质含量居多。     

基于MODIS植被指数时间谱的太湖2001年—2013年蓝藻爆发监测

藻类水华爆发已成为影响内陆水体生态环境的重要因素。遥感能够提供实时的大范围观测,在水华监测中起到越来越重要的作用。遥感植被指数已广泛应用于藻类水华监测中,通过对研究区植被指数图像进行阈值分割,能够反映不同子区域内的藻类爆发程度;然而阈值分割法的结果只能反映某一时间点(图像获取时)的藻类爆发状况,无法表征长时间内藻类的变化。相比于单个时间点的植被指数,植被指数时间谱(时谱)包含藻类的物候信息,能够更加全面准确地反映藻类的长时间变化。目前,植被指数时间谱还尚未应用到水华相关研究中。选取2001年—2013年太湖区域的MODIS NDVI数据,构建年度NDVI时谱数据,利用(support vector machine, SVM)方法对每年的太湖蓝藻水华爆发强度进行分类,将太湖重度、中度和轻度蓝藻水华爆发的区域以及水生植物的区域提取出来,得到其空间分布和面积;并从2007年的时谱数据中抽取了8个时间点的NDVI图像,利用传统阈值分割法提取太湖重度、中度和轻度蓝藻水华爆发的区域,将结果与2007年时谱数据分类的结果进行对比。结果表明：所提出的方法能够更加全面准确地对太湖蓝藻爆发强度进行分类,通过NDVI时谱曲线提供的丰富物候信息可准确区分蓝藻与水生植被区域。本研究有望为准确掌握和预测藻类水华的爆发趋势及强度提供有效手段。     

基于静止轨道水色卫星数据的渤海总吸收系数遥感反演和逐时变化研究

渤海是我国的半封闭内海,受陆源影响显著,水体光学性质复杂多变,静止轨道水色卫星(GOCI)的高时间分辨率数据为研究渤海水体总吸收系数的时空变化特征,特别是逐时变化提供了可能。针对GOCI波段设置,利用实测数据建立了基于遥感反射率波段比值的412、443、555 nm波段渤海总吸收系数遥感反演模型,经独立实测数据检验,模型反演值与实测值的相关系数大于0.8,平均相对误差(APD)小于13%,中值相对误差小于9%,优于已有典型算法(精度提高约10%);经独立现场-卫星时空匹配数据检验,基于该模型和GOCI卫星数据的总吸收系数遥感反演平均相对误差在35%以内。基于2015年5月4日1天8景的GOCI影像和所建立的模型,研究了渤海总吸收系数的逐时变化特征。结果表明,8:30—15:30期间总吸收系数变幅主要分布范围是0.2~0.3 m~(-1),最大变幅可达到0.8 m~(-1),变幅极大值主要分布在辽东湾、渤海湾和莱州湾近岸海域。结合潮汐数据的分析发现,辽东湾、渤海湾北部总吸收系数与潮高的逐时变化具有较好的一致性,总吸收系数极小值出现时刻滞后于低潮时刻0~1.5 h;莱州湾西部总吸收系数与潮高逐时变化呈明显负相关性;渤海湾南部、莱州湾东部总吸收系数与潮高变化未见显著相关性。     

光度法研究太湖表层沉积物中磷形态分布及动力学特征

表层沉积物是水体污染物的源和汇。研究表明,太湖地区特别是梅梁湾和东太湖表层沉积物中磷等营养元素污染严重。采用SMT法(standards measurements and testing)和钼锑抗分光光度法对太湖18个采样点表层沉积物样品进行前处理和磷形态分析,结合我国、加拿大和美国标准对总磷进行污染评价。通过拟合建立了吸附-解吸动力学特征方程,并在不同pH、水土比的环境条件下获得磷的吸附特性。同时也在不同温度和pH下对磷进行解吸特征研究。结果表明： S₉采样点总磷、无机磷、有机磷和酸磷含量均最高,S₁₁采样点碱磷含量最高。对于所有采样点,各形态磷平均值大小排序为(μg·g-1)： 无机磷(401.43)>酸磷(377.81)>有机磷(175.37)>碱磷(25.53)。污染评价结果表明： 除S₁₂,S₁₄~S₁₆及S₁₈采样点外,其余采样点均有不同程度的污染。表层沉积物对磷的吸附-解吸过程均符合伪二级动力学方程。吸附过程最佳水土比为25∶1,且pH值对吸附和解吸有不同程度的影响。研究结果为掌握太湖梅梁湾和东太湖区域磷的污染现状提供理论依据,同时为研究磷在沉积物-水界面的迁移规律提供可信的实验数据。     

太湖水体中藻蓝蛋白的紫外-可见吸收光谱特征分析

以藻蓝蛋白标准品和室内培养的铜绿微囊藻、鱼腥藻为参照,于2011年春、夏、秋三季在太湖采集75个水样,分析太湖水体中藻蓝蛋白的紫外-可见吸收光谱特征,及其与标准品、单一藻种光谱特征的区别和联系。结果表明：太湖水体中藻蓝蛋白的吸收光谱形态可根据500～700 nm的吸收峰个数划分为无峰型、单峰型和双峰型三类。无峰型光谱在500～700 nm间变化平缓,620 nm附近无藻蓝蛋白的特征吸收峰出现。根据300～450 nm的吸收差异,无峰型可划分为无峰Ⅰ和无峰Ⅱ两个亚类。峰型Ⅰ仅在260 nm附近出现吸收峰,250～800 nm的谱型更接近于有色可溶性有机物(CDOM);峰型Ⅱ在260和330 nm处均有吸收峰出现。单峰型光谱在620 nm的藻蓝蛋白特征吸收峰明显,受藻种差异和提取纯度的影响,其在250～300,300～450和500～700 nm的吸收峰出现位置和峰值比与标准品、单一藻种不同。双峰型光谱在620和670 nm附近各具一个吸收峰,同时在350～450 nm出现吸收肩,兼具藻蓝蛋白和叶绿素复合蛋白的吸收特征。     

太湖梅梁湾水下光场扰动的特征分析

在水体表面波的扰动作用下,水下光场随深度呈现较为明显的波动现象,且水中光合作用会对水下光场波动作出响应,因而此现象引起了广泛的关注。基于太湖梅梁湾观测的水下光场数据,计算了水下光场随深度的变化,并分析了其波动特征。结果表明:表面波引起了水下光场较为明显的波动现象,波动振幅最大的深度基本小于20 cm,远小于海洋中对应的深度;水下光场波动的振幅随深度呈e的负指数衰减,漫射消光系数越大,水下光场的波动衰减得也越快;当深度大于30 cm时,水下光场的扰动现象基本消失。还计算了船舶对水下光场观测的影响,发现直射光未被遮挡的情况下,漫射比例越高,其相对误差越大。     

基于光学闭合原理的太湖水体颗粒物后向散射特性模拟

后向散射系数是遥感传感器获取水体信息的来源,也是生物光学模型的重要输入参数。利用太湖春季和秋季实测数据,在生物光学模型的基础上结合光学闭合原理模拟了太湖春、秋季节水体颗粒物后向散射系数,进而分析了其光谱特性及颗粒物后向散射概率的时空变化。结果表明,太湖春、秋季节水体颗粒物后向散射系数与总悬浮物、无机悬浮物浓度均具有较高的相关性,而与有机悬浮物浓度的相关性则相对较低,颗粒物后向散射系数随波长变化指数n在太湖春季水体中的变化范围为0.66～1.84,平均值为1.29±0.25,而在太湖秋季水体中的变化范围为0.67～2.40,平均值为1.24±0.34;太湖春季水体颗粒物平均后向散射概率为0.030,而太湖秋季水体颗粒物平均后向散射概率为0.031,且无论是太湖春季水体还是太湖秋季水体,其颗粒物后向散射概率的波长依赖性均较弱。模拟吸收系数与实测吸收系数吻合较好,总体的平均相对误差均在18%以内。     

夏秋两季洱海、太湖表层混合层的深度变化特征及其机理分析

湖泊表层混合层深度的变化不仅影响湖泊水生生态系统的演变, 而且影响流域的局地气候、降水量的时空格局等. 基于2008年夏秋两季洱海(高原湖泊)和太湖(平原湖泊)的气象与水温廓线观测资料, 分析探讨了两湖表层混合层深度的变化特征及其机制. 结果表明: 夏季洱海能维持持续的分层现象, 秋季有明显的日分层现象, 而在相应的两季中, 太湖仅可能存在日分层现象; 洱海表层混合层深度较同期太湖更浅; 太湖两季的表层混合层深度变化较洱海频繁, 即太湖水体混合与分层的交替过程对气象条件的响应较洱海更为迅速. 太湖这类浅水湖泊, 水深是抑制其存在稳定、持续分层的关键因素, 在合适的辐射条件下, 可形成日分层现象; 而洱海这类深度的湖泊, 净热量通量是影响其是否存在持续、稳定分层的主要因子. 该研究为进一步探讨湖泊与大气两种湍流运动的耦合机制及水生生态环境演替规律等提供了有力的参考.     

太湖水体反射率的光谱特征波长分析

水体反射率的光谱特征波长分析是解决内陆水色遥感难题的一项重要的基础工作.该文分析了2006-2009年七次太湖综合实验获取的312个采样点遥感反射率,找出反射率曲线出现极大值、极小值、由凹向凸转变的拐点、由凸向凹转变的拐点对应的特征波长,给出了太湖水体反射率350～900nm范围内的光谱特征波长:359,440,464,472,552,566,583,628,636,645,660,676,689,706,728,791,806和825 nm.最后用浮游植物色素的吸收光谱、太湖水体特有的组成成分解释了特征波长.文章分析特征波长的方法,对于各种光谱曲线的特征波长分析都适用,该方法能够有效地区分曲线峰值所在波长和谷值所在波长重叠的情况.该文的研究成果有利于建立反演水质参数的算法,从而提高反演算法的精度.     

吉林省查干湖水体悬浮颗粒物光谱吸收特性研究

用分光光度计法确定查干湖复杂光学特性水体悬浮颗粒物的光谱特性与吸光幅度,在室内可控实验中利用定量滤膜技术对2009年7月15日和10月12日两期水体采集样品处理获得了以藻类色素颗粒和非色素颗粒(无机沉积物,有机碎屑)两种光活性颗粒物质为主要贡献的总悬浮颗粒物吸收光谱,结果显示7月份总悬浮颗粒物光谱吸收谱形在400～42...     

基于定量遥感反演的内陆水体藻类监测

叶绿素作为衡量湖泊富营养化的重要指标,利用遥感技术对其进行实时动态监测具有重要意义。以太湖为例,通过对水体实测光谱和水质采样数据的分析,建立了光谱反射率比值与叶绿素a浓度的回归模型。结果显示,700 nm附近波段与625 nm附近波段所构建的比值模型R2最高,710 nm以后波段与其他可见光波段所构建的比值模型的R2会随可见光波长的增大而逐渐下降。在高光谱遥感估算模型的基础上,应用同步MODIS卫星遥感数据进行了太湖叶绿素a浓度的空间分布反演,并基于MODIS绿度指数建立了太湖藻华水体信息提取模型,从叶绿素a浓度估算和藻华信息提取两个方面实现了太湖藻类空间分布特征的定量反演,为太湖等大型内陆水体藻类的实时定量遥感监测提供了新的研究思路。     

ICP-MS研究太湖表层沉积物对Cd2+和Zn2+的吸附-解吸特性

前期研究发现太湖过滤水和表层沉积物中Zn含量最高,且表层沉积物中Cd存在强生态危害。因此,在优化实验条件下,以电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)为分析手段研究了太湖苏州湾大桥东表层沉积物(标记为SES)对Cd2+和Zn2+的吸附-解吸特性。吸附动力学结果表明：SES对Cd2+和Zn2+的吸附能力相差不大,在吸附时间t<120 min时,吸附是一个快速阶段,而当t≥120 min时则相反,吸附趋于动态平衡;Cd2+和Zn2+的吸附更符合伪二级动力学模型。吸附热力学实验表明,沉积物对Cd2+的吸附更符合Freundlich模型,而对Cd2+的吸附更符合Langmuir模型。沉积物中Cd2+和Zn2+的解吸动力学研究发现,二者均更符合Elovich方程,为非均相扩散过程。且当pH值增大时,沉积物中Cd2+和Zn2+的解吸量逐渐减小,并在pH=9时趋于稳定。结合Cd2+和Zn2+的吸附-解吸特性发现,SES对Cd2+和Zn2+的吸附速率远远大于其解吸速率,与作者前期研究结果一致。揭示了太湖表层沉积物对Cd2+和Zn2+的吸附-解吸作用机理及不同因素对吸附-解吸行为的影响。对研究太湖固-液两相界面重金属的分配和污染水体修复具有重要指导意义。