東中國海遙感葉綠素?cái)?shù)據(jù)重構(gòu)方法及其多尺度變化機(jī)制研究.pdf

1、葉綠素作為衡量水體富營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo),可以為我國近海生態(tài)環(huán)境特征分析、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、資源合理開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)部署等工作提供基礎(chǔ)資料。此外,利用葉綠素資料計(jì)算海氣界面碳交換,對(duì)于探討全球碳循環(huán)、氣候變暖、海平面上升等全球氣候變化問題也有著重大的科學(xué)意義。
　　近年來,葉綠素濃度與相關(guān)物理、化學(xué)環(huán)境影響因子(水溫、光照、營養(yǎng)鹽以及由風(fēng)、流系特征、潮流)的動(dòng)態(tài)變化及各因子間相互作用機(jī)制的研究,成為海洋生態(tài)研究中的一個(gè)重要方面。隨著衛(wèi)星

2、遙感技術(shù)蓬勃發(fā)展,衛(wèi)星遙感海洋數(shù)據(jù)憑借其大范圍、長時(shí)間、高頻率、成本低等優(yōu)點(diǎn)在海洋生態(tài)研究和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中占據(jù)了重要地位,長時(shí)間的連續(xù)同步觀測(cè)資料為研究葉綠素的變化規(guī)律,以及探討物理環(huán)境因子對(duì)生態(tài)要素的多尺度影響機(jī)制提供了可靠的數(shù)據(jù)來源。但由于天氣等各種因素,衛(wèi)星遙感葉綠素?cái)?shù)據(jù)中的大面積無規(guī)律缺失問題一直是遙感數(shù)據(jù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),阻礙了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用。因此,衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的重構(gòu)和再分析成為一個(gè)重要課題,在關(guān)注海域獲得時(shí)空連續(xù)的完整數(shù)據(jù)對(duì)于

3、擴(kuò)展遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍,提高其數(shù)據(jù)利用效率有著重要意義。針對(duì)這一系列問題,基于對(duì)東中國海葉綠素時(shí)空多尺度(包括天氣過程時(shí)間尺度)變化機(jī)制研究的需要,本論文結(jié)合多變量 DINEOF方法和最優(yōu)插值等數(shù)學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn),成功構(gòu)建和發(fā)展了多尺度最優(yōu)插值、二次訂正的多變量DINEOF方法,簡稱DINEOF‐OI方法。對(duì)于重構(gòu)時(shí)空中的目標(biāo)缺測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)過程中,如何有效的分配時(shí)間序列上與空間場(chǎng)中的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)重構(gòu)數(shù)據(jù)的影響權(quán)重,取決于研究的具體目標(biāo)問題,這是本

4、論文研究的重要思路創(chuàng)新。本文基于這一方法成功對(duì)東中國海近十年的衛(wèi)星遙感葉綠素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了重構(gòu)試驗(yàn),并較成功的刻畫了東中國海海表面葉綠素的包括天氣尺度在內(nèi)的多尺度變化特征。其對(duì)東中國海 SST、海表葉綠素濃度的理論重構(gòu)的最小相對(duì)誤差可以達(dá)到在18％,利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果證明重構(gòu)后的數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)在空間分布形態(tài)上接近一致。重構(gòu)數(shù)據(jù)集較成功的刻畫了東中國海海表面葉綠素的包括天氣尺度在內(nèi)的多尺度變化特征。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步結(jié)合海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)

5、模型方法,本文初步探討了東中國海海表葉綠素在包括天氣過程尺度在內(nèi)的多尺度變化機(jī)制,這為后續(xù)研究葉綠素 a濃度的多尺度變化特征以及與各物理參數(shù)的影響關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。
　　本文展現(xiàn)了東中國海葉綠素濃度季節(jié)與年際變化及趨勢(shì)特征;分析了其與海表溫度、海面風(fēng)速的關(guān)系及影響機(jī)制;探討短周期氣候震蕩(ENSO等)對(duì)浮游植物(葉綠素)的影響;發(fā)現(xiàn)葉綠素對(duì)大風(fēng)過程的響應(yīng)在不同海域環(huán)境、不同時(shí)空尺度的情況下各有不同。本論文所得關(guān)于東中國海海表面葉綠素

6、濃度多尺度變化機(jī)制的主要研究結(jié)論包括:1)近10年來(2003年1月‐2012年12月),東中國海海表面葉綠素 a濃度呈持續(xù)上升的趨勢(shì),上升速率為平均0.012 mg/m3;2)在東中國海域,海表面溫度(SST)是葉綠素濃度變化的主要調(diào)控因子。在季節(jié)變化上,葉綠素與 SST在開闊海域具有較高的負(fù)相關(guān)性,沿岸相關(guān)性較弱且多為正相關(guān);3)風(fēng)場(chǎng)與葉綠素的季節(jié)尺度的相關(guān)性并不強(qiáng),強(qiáng)正相關(guān)位于東海開闊海域和黃海西岸海域;4)基于對(duì)11次經(jīng)過東中國

7、海臺(tái)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)得出,臺(tái)風(fēng)過境海域于臺(tái)風(fēng)前后葉綠素濃度平均增長值為1.46 mg/m3,同時(shí)可能存在不同時(shí)間長度3‐8天的延遲,海表溫度平均下降1.91℃,葉綠素增長比例與臺(tái)風(fēng)影響因子(臺(tái)風(fēng)持續(xù)時(shí)間 T與臺(tái)風(fēng)風(fēng)力等級(jí)L的乘積)的線性相關(guān)系數(shù)為0.83;5)通過生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型技術(shù)對(duì)渤海一次冬季大風(fēng)事件前后的葉綠素變化情況進(jìn)行了分析,顯示大風(fēng)天氣過程(本文設(shè)置的大風(fēng)條件是渤海風(fēng)速平均值超過12m/s)會(huì)帶來渤海海表面葉綠素的增殖過程,這一過程會(huì)