海洋葉綠素遙感反演及海洋初級(jí)生產(chǎn)力估算研究.pdf

1、海洋葉綠素濃度已成為衡量浮游植物的生物量和富營(yíng)養(yǎng)化程度的最基本的指標(biāo)，葉綠素濃度反演對(duì)海洋—大氣系統(tǒng)中碳循環(huán)研究有重要意義，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)中初級(jí)生產(chǎn)力的研究也至關(guān)重要。海洋初級(jí)生產(chǎn)力是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要參量，它在一定程度上控制著海氣界面二氧化碳的交換，是全球氣候變化研究的重要目標(biāo)。為此，在多個(gè)科研項(xiàng)目的支持下，進(jìn)行了關(guān)于衛(wèi)星遙感海洋葉綠素和海洋初級(jí)生產(chǎn)力的多方面研究，并發(fā)表了10多篇論文，本博士論文即是在這些研究基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和總結(jié)的結(jié)

2、果。 現(xiàn)有的葉綠素研究很多都是針對(duì)局部海區(qū)短期的研究，長(zhǎng)時(shí)間序列的衛(wèi)星數(shù)據(jù)正好可以彌補(bǔ)船測(cè)方式的不足，揭示海區(qū)的宏觀環(huán)境變化特征。首先，在綜合利用SeaWiFS和MODIS數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本論文采用長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)對(duì)多年整個(gè)中國(guó)陸架海的葉綠素a濃度的變化情況進(jìn)行研究和分析，并進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)從影響機(jī)理方面也進(jìn)行了探討。研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)陸架海的葉綠素a濃度在不同海區(qū)是隨著季節(jié)變化的，各年之間呈現(xiàn)規(guī)則的周期性變化。東海海區(qū)葉綠素a濃度相

3、對(duì)最高，年際變化較明顯；南海海區(qū)年均值最低。在空間分布上整個(gè)中國(guó)海區(qū)呈現(xiàn)由近岸向外海遞減的趨勢(shì)，反演結(jié)果從宏觀上揭示了中國(guó)陸架海的海洋葉綠素變化特征。 MODIS和SeaWiFS反演葉綠素濃度基本一致。在東海海區(qū)吻合最差，南海最好。而在三個(gè)不同海區(qū)，海表面溫度和葉綠素a濃度顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明海表面溫度直接影響著葉綠素的分布，無(wú)疑海溫是影響葉綠素a的分布主要因子之一。 其次，為了探索適合我國(guó)海區(qū)特點(diǎn)而較精確的算法，先采用BP

4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法利用SeaWiFS數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)建立我國(guó)海區(qū)的葉綠素反演模型進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在葉綠素反演算法中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以其對(duì)非線性過(guò)程的精確模擬而具有傳統(tǒng)算法無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)傳統(tǒng)遙感反演算法難度較大的二類(lèi)水體。 除采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法外，我們還構(gòu)造了新的光譜指數(shù)，來(lái)進(jìn)行葉綠素反演研究。在進(jìn)行包絡(luò)線去除法分析葉綠素的光譜特征后，用蘭綠光波段的輻射信息構(gòu)成NDPI指數(shù)，然后利用SeaWiFS和COCTS來(lái)進(jìn)行葉綠素a的反

5、演研究。NDPI指數(shù)可以在一定程度上減小黃色物質(zhì)和懸浮物的干擾，從而把葉綠素區(qū)別于其他物質(zhì)的特性表現(xiàn)出來(lái)。在本研究中NDPI指數(shù)法優(yōu)于直接波段比值法，通過(guò)它反演得到的渤海葉綠素a結(jié)果與前人的調(diào)查結(jié)果有較好的一致性。此外通過(guò)和SeaWiFS的對(duì)比，還對(duì)我國(guó)第一顆海洋水色遙感衛(wèi)星的探測(cè)能力進(jìn)行了研究和評(píng)價(jià)。 VGPM模型中的所有參數(shù)都可以通過(guò)遙感手段獲得，因此最后我們選擇VGPM模型，利用SeaWiFS和MODIS數(shù)據(jù)對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)

6、力進(jìn)行了估算，并進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證、分析和估算。根據(jù)該模型計(jì)算的結(jié)果較好地反映整個(gè)中國(guó)海域的海洋初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空分布信息及其變化情況。整體來(lái)看，中國(guó)海域海洋初級(jí)生產(chǎn)力的季節(jié)變化非常明顯，在2003年OPP具有較明顯的雙峰變化。12月和1月最低，到5月份形成初級(jí)生產(chǎn)力在一年中的次高峰，在7月又開(kāi)始上升，在8月份達(dá)到最高，隨后逐漸下降。在空間分布上，整個(gè)中國(guó)陸架海的海區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力的總體分布為從近海向大洋逐漸降低。 本論文的研究方法和結(jié)

7、果可以直接為海洋碳通量估算、海洋環(huán)境污染監(jiān)測(cè)及漁業(yè)資源調(diào)查等研究提供參考，有廣泛的應(yīng)用前景。 主要?jiǎng)?chuàng)新之處：(1).雖然對(duì)于葉綠素a，我國(guó)各海區(qū)已進(jìn)行了大量研究，以遙感手段來(lái)反演分析葉綠素a的研究也有很多，但本論文是采用長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)中國(guó)陸架海區(qū)的葉綠素的特征變化進(jìn)行了總體研究。本研究從宏觀上揭示了中國(guó)陸架海的海洋葉綠素長(zhǎng)時(shí)間序列變化特征，充分發(fā)揮了遙感的優(yōu)勢(shì)，可為海洋生產(chǎn)力和海洋生態(tài)環(huán)境研究提供佐證和參考。 (2

8、).國(guó)內(nèi)目前利用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋葉綠素研究報(bào)道還不多。除了采用SeaWiFS數(shù)據(jù)源外，還利用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)2002年7月-2005年3月中國(guó)陸架海的葉綠素濃度變化進(jìn)行了研究，并對(duì)MODIS各海區(qū)反演結(jié)果和SeaWiFS的結(jié)果比較分析。 (3).分別利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和NDPI指數(shù)法，利用SeaWiFS和COCTS數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了葉綠素反演模型研究。運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以靈活地模擬葉綠素反演中函數(shù)的非線性過(guò)程。更重要的