海洋葉綠素遙感反演及海洋初級生產(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養(yǎng)化程度的最基本的指標(biāo)，葉綠素濃度反演對海洋—大氣系統(tǒng)中碳循環(huán)研究有重要意義，對海洋生態(tài)系統(tǒng)中初級生產(chǎn)力的研究也至關(guān)重要。海洋初級生產(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，在多個科研項目的支持下，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局部海區(qū)短期的研究，長時間序列的衛(wèi)星數(shù)據(jù)正好可以彌補(bǔ)船測方式的不足，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，本論文采用長時間序列數(shù)據(jù)對多年整個中國陸架海的葉綠素a濃度的變化情況進(jìn)行研究和分析，并進(jìn)行了對比分析，同時從影響機(jī)理方面也進(jìn)行了探討。研究發(fā)現(xiàn)中國陸架海的葉綠素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。在空間分布上整個中國海區(qū)呈現(xiàn)由近岸向外海遞減的趨勢，反演結(jié)果從宏觀上揭示了中國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)，說明海表面溫度直接影響著葉綠素的分布，無疑海溫是影響葉綠素a的分布主要因子之一。 其次，為了探索適合我國海區(qū)特點而較精確的算法，先采用BP

4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法利用SeaWiFS數(shù)據(jù)，結(jié)合實測數(shù)據(jù)對建立我國海區(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)方法以其對非線性過程的精確模擬而具有傳統(tǒng)算法無可替代的優(yōu)勢，尤其是對傳統(tǒng)遙感反演算法難度較大的二類水體。 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。在本研究中NDPI指數(shù)法優(yōu)于直接波段比值法，通過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。此外通過和SeaWiFS的對比，還對我國第一顆海洋水色遙感衛(wèi)星的探測能力進(jìn)行了研究和評價。 VGPM模型中的所有參數(shù)都可以通過遙感手段獲得，因此最后我們選擇VGPM模型，利用SeaWiFS和MODIS數(shù)據(jù)對海洋初級生產(chǎn)

6、力進(jìn)行了估算，并進(jìn)行了相應(yīng)的驗證、分析和估算。根據(jù)該模型計算的結(jié)果較好地反映整個中國海域的海洋初級生產(chǎn)力的時空分布信息及其變化情況。整體來看，中國海域海洋初級生產(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月份形成初級生產(chǎn)力在一年中的次高峰，在7月又開始上升，在8月份達(dá)到最高，隨后逐漸下降。在空間分布上，整個中國陸架海的海區(qū)初級生產(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。 主要創(chuàng)新之處：(1).雖然對于葉綠素a，我國各海區(qū)已進(jìn)行了大量研究，以遙感手段來反演分析葉綠素a的研究也有很多，但本論文是采用長時間序列數(shù)據(jù)對整個中國陸架海區(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陸架海的海洋葉綠素長時間序列變化特征，充分發(fā)揮了遙感的優(yōu)勢，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、).國內(nèi)目前利用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋葉綠素研究報道還不多。除了采用SeaWiFS數(shù)據(jù)源外，還利用MODIS數(shù)據(jù)對2002年7月-2005年3月中國陸架海的葉綠素濃度變化進(jìn)行了研究，并對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)合實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了葉綠素反演模型研究。運用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)的非線性過程。更重要的