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真光层辐射特性及其对海洋初级生产力遥感的影响

作　者: 檀赛春
导　师: 石广玉
学　校: 中国科学院研究生院（大气物理研究所）
专　业: 大气物理学与大气环境
关键词: 中国近海海洋初级生产力叶绿素a 时空演化理化因子海水的光学特性亚洲沙尘
分类号: P732
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 432次
引　用: 2次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-12
第一章绪论  12-24
  1.1 研究背景和意义  12-16
    1.1.1 科学背景  12-15
    1.1.2 研究目标与意义  15-16
  1.2 海洋水色卫星观测计划  16-17
  1.3 国内外研究现状及存在的问题  17-20
  1.4 研究内容、结构和创新点  20-24
第二章海洋水色及初级生产力的卫星遥感  24-54
  2.1 引言  24-25
  2.2 海水的光学特性  25-30
    2.2.1 海水的光学特性  25-29
    2.2.2 海水的分类  29-30
  2.3 海洋水色被动遥感及其大气校正  30-34
  2.4 叶绿素a 浓度的反演算法简介  34-38
    2.4.1 叶绿素浓度光谱特征与遥感原理  34-36
    2.4.2 CZCS、SeaWiFS 以及MODIS 算法  36-38
  2.5 海洋初级生产力的遥感模式  38-44
    2.5.1 卫星遥感海洋初级生产力的基本原理  38
    2.5.2 海洋初级生产力模式介绍  38-44
  2.6 本文所用的初级生产力模式介绍  44-45
    2.6.1 VGPM 模式  44-45
    2.6.2 修正的VGPM 模式  45
  2.7 中国近海海洋初级生产力的反演精度分析  45-53
    2.7.1 资料介绍  46
    2.7.2 中国近海初级生产力及要素值的反演精度分析  46-53
  2.8 本章小结  53-54
第三章真光层辐射特性及其对叶绿素和海洋初级生产力遥感的影响——敏感性试验  54-74
  3.1 引言  54-55
  3.2 真光层中辐射传输方法简介  55-56
    3.2.1 真光层中辐射传输的基本方程  55
    3.2.2 海水中辐射传输模式中的问题  55-56
    3.2.3 蒙特卡洛模拟法简介  56
  3.3 本文所采用的模式介绍  56-62
    3.3.1 整体介绍  56-58
    3.3.2 模式的输入  58-60
    3.3.3 光子数的选择  60-62
  3.4 不同成分水体对叶绿素a 浓度和海洋初级生产力反演的影响  62-68
    3.4.1 敏感性试验中叶绿素a 浓度、总悬浮物质含量的选取  62-63
    3.4.2 含有不同叶绿素a 浓度的水体的情况  63-66
    3.4.3 含有不同悬浮物质浓度的水体的情况  66-68
  3.5 忽略叶绿素a 浓度的廓线分布对反演海洋初级生产力的影响  68-71
  3.6 本章小节  71-74
第四章中国近海海洋初级生产力的时空演化  74-114
  4.1 引言  74-75
  4.2 中国近海初级生产力的时空演化——整体分析  75-83
    4.2.1 中国近海各海域初级生产力的月变化  75-77
    4.2.2 中国近海各海域初级生产力的季节变化  77-82
    4.2.3 中国近海各海域初级生产力的年变化  82-83
  4.3 黄海初级生产力的时空演化  83-89
  4.4 东海初级生产力的时空演化  89-96
  4.5 南海初级生产力的时空演化  96-110
    4.5.1 南海的环流特征  96-98
    4.5.2 南海以及典型区域初级生产力的年际变化特征  98-100
    4.5.3 南海以及典型区域初级生产力的季节变化和空间分布特征  100-104
    4.5.4 南海西南部的特例  104-110
  4.6 本章结论与讨论  110-114
    4.6.1 影响生物量和初级生产力分布的因素  110-111
    4.6.2 本章小结  111-114
第五章亚洲沙尘对中国近海海洋生态系统的可能影响  114-142
  5.1 引言  114-116
  5.2 资料和方法  116-123
  5.3 沙尘影响黄海近岸水和南海大洋水的围隔实验  123-124
  5.4 典型沙尘事件对黄海和南海的叶绿素和初级生产力的影响  124-138
    5.4.1 黄海  124-134
    5.4.2 南海  134-138
  5.5 亚洲沙尘频次同黄海和南海之间关系的年际变化  138-139
  5.6 本章小结  139-142
第六章结论与展望  142-146
  6.1 本文研究的主要结论  142-144
  6.2 今后的工作展望及讨论  144-146
参考文献（References）  146-162
博士研究生期间论文发表及参加项目情况  162-164
致谢  164

真光层辐射特性及其对海洋初级生产力遥感的影响

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