基于衛星數據對渤海近岸海域CDOM的遙感反演

唐博　譚錦瑾　詹斌　黃慧杰

摘要：通過遙感方法監測水體有色可溶性有機物（CDOM）的變化是海岸帶環境動態監測的重要技術手段。文章介紹了遙感監測CDOM的原理，并通過渤海近岸海域系統進行CDOM光學性質季節性遙感調查實例，揭示了在海岸帶地區，CDOM變化與溶解氧、溶解鹽度等的含量密切相關。

關鍵詞：CDOM；遙感反演；海岸帶監測；衛星數據；渤海近岸海域 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP79 文章編號：1009-2374（2017）02-0019-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.009

碳的研究對于生物的自身生存和生存環境有重要意義。首先，碳是整個生物地球化學循環的重要組成元素；其次，環境中碳的含量直接影響全球氣候的變化。

海洋中的有機物存在大量的活性碳，而海洋占據地球的大部分面積，所以研究海洋有機物有重要意義。

有色可溶性有機物（Chromophoric or colored dissolved organic matter，簡稱CDOM）又稱作可溶性有機發色團或者粘質膠性溶解物，是一些腐爛物質，這種物質可以吸收紫外-可見光，因此不同含量CDOM的水呈現不同的顏色。隨著CDOM含量增加，水的顏色呈現藍色-綠色-黃綠色-褐色。由于它們這種吸收光和熒光的性質，可以利用光譜分析手段來反演CDOM，用來分析監測海岸帶的情況。

1 國內外研究進展

目前，國內對于CDOM的研究主要集中于湖泊及近岸沿海區域，研究僅集中在CDOM濃度較高的河口及近岸區域，主要是因為用光學遙感反演低鹽湖泊水體鹽度較為困難。如劉英等2014年以干旱區的博斯騰湖（博湖）為例，探討了光學遙感數據反演低鹽湖泊水體鹽度的可行性。用光學數據反演水體鹽度要求鹽度足夠高，鹽度和CDOM存在梯度，并滿足CDOM擴散守恒，因此用光學遙感反演低鹽湖泊水體鹽度較為困難。

國內外對CDOM在河口地區的保守混合行為研究較多，主要體現在對CDOM與鹽度的相關性研究。如Del Vecchio&Blough根據1997～2003年6個航次的數據研究發現，CDOM吸收與鹽度均呈反相關關系，與季節無關，呈保守行為，證明陸源為該區域CDOM的主要來源。

王林等對大洋河河口海域水體調查，結果顯示（CDOM）在河口混合過程中近似呈保守行為，可作為水團運動的示蹤劑，研究區域CDOM主要來自河流輸入，成分相對較穩定。

海水中CDOM主要來源于陸地，對于離岸較遠的海水有學者傾向于主要來源于浮游生物。主要是因為在離岸區域CDOM與葉綠素a有很好的相關性，而在近岸區域CDOM與葉綠素a的相關性不大。

CDOM在特定波段有明顯的熒光性。如王林等研究表明，在大洋河河口波長275～295nm的光譜斜率和波長400nm的吸收系數對CDOM分子量的相對大小均具有一定的指示作用，該區域的CDOM存在保守混合行為。

2 渤海近岸海域CDOM的遙感反演

2.1 CDOM遙感反演原理

CDOM遙感反演主要是利用光的反射完成的。當主要光源太陽光射到水里，遇到水體中CDOM反射回來的光線會被衛星監測到，根據監測到的光譜特征來分析水中CDOM的特性。

CDOM對光的吸收值為由紅外光譜區向紫外可見光區逐漸增大，吸收系數與波長之間近似指數關系。CDOM不僅與波長有關，還與光譜斜率（S值）有關。其關系近似如下：

a（λ）=a（λ0）exp[S（λ0-λ）]

式中：a（λ）是波長為λ時的吸收系數，它反映出特定水體中CDOM的濃度；λ0是參考波長；S是光譜斜率，其數值大小反映了CDOM的光密度隨波長增加而逐漸降低的程度。

本文利用以上CDOM與波長和S值的關系，應用BEAM軟件對渤海近岸海域的CDOM進行遙感反演。

2.2 CDOM的遙感反演

2.2.1 研究數據與研究區域。研究區域位于渤海北緯37.86°至北緯40.6°之間的海域。渤海素有“天然魚池”之稱，該區域富有高含量的營養鹽與浮游植物。數據采用2014年10月29日ENVISAT上的MERIS數據，光譜范圍為390～1040nm以及同一時間的該海域站點的鹽度以及溶解氧的實測數據。利用BEAM軟件對數據進行分析。

2.2.2 BEAM遙感反演CDOM。通過BEAM軟件處理數據獲得如下反演結果：

圖1 20141029渤海近岸CDOM含量反演圖

色標條

然后根據同站位實測鹽度和溶解氧做出表格：

表1 數據對比

點位 維度 經度 時間 CDOM反演濃度（1/m） 實測

鹽度 實測溶解氧濃度

ZD-TJ096 38.6178 117.95 201410291208 1.3804 32.22 7.893

ZD-TJ097 38.6178 117.739 201410291222 1.4911 31.94 8.007

TJX-3 38.6194 117.646 201410291304 1.6885 30.00 8.518

同樣可得出20150430的渤海近岸CDOM反演數據：

圖2 20150430渤海近岸CDOM反演圖

色標條

2.2.3 數據分析。由圖1可以看出渤海近岸CDOM濃度呈近岸高遠岸低的現象，這是因為在近岸來源于陸地，濃度高，在遠岸CDOM的含量比較低，由3個站點實測CDOM濃度的大小也可以看出這個特點。而由圖2可以看出，整體趨勢和圖1差不多，說明這幾年海域CDOM來源與去除基本沒有太大變化，但是圖2近岸的CDOM高濃度區域沒有圖1大，可以推斷在2015年4月30日風浪潮汐比較大，近岸和遠岸的海水混合比較厲害，所以使其高濃度區域變小，中等濃度區域增大。

從表1可以看出CDOM的濃度與鹽度呈負相關關系，與溶解氧呈正相關關系。

CDOM濃度與鹽度呈負相關關系可以看出渤海近海海域研究區域的CDOM主要來源為陸源。可以由此推出：海水的鹽度比較高，而河流的鹽度比較低，當二者混合時鹽度變低，但CDOM由陸源輸入海洋，濃度反而增加。

CDOM濃度與溶解氧呈正相關關系，這主要是由于CDOM的光降解產生的營養物質成為浮游植物食物鏈中的一環，相對浮游植物的增多間接使得海水中溶解氧濃度升高。

3 結論與展望

通過以上分析研究可以得出以下結論：（1）渤海近岸海域CDOM濃度由近岸向遠岸遞減；（2）CDOM濃度受潮汐風浪影響，潮汐風浪越大濃度會減小；（3）CDOM吸收的遙感信息揭示了海岸帶河海的相互作用；（4）在海岸帶地區，在不同的季節，不同的水樣深度，CDOM的光學性質表現出的特性不同，其變化與鹽度、溶解氧等因素的含量有密切關系，是海岸帶調查研究的重點。

由于數據的缺乏，不能對該海域或其他海域做更多的分析。可以繼續探索，用更多的數據，對更多的海域進行實驗來監測該海域的CDOM分布特性。另外，可以實測CDOM的數值來分析空間尺度變化上CDOM與鹽度溶解氧之間的相關關系，同樣也可以研究在時間尺度變化上它們之間的相關關系。

參考文獻

[1] 劉英，包安明，陳曦.低鹽湖泊水體鹽度光學遙感反演研究——以博斯騰湖為例[J].遙感學報，2014，18（4）.

[2] Del Vecchio，Blough.Spatial and seasonal distribution of chromophoric dissolved organic matter and dissolved organic carbon in the Middle Atlantic Bight[J].Mar.Chem，2004，89（1-4）.

[3] 王林，趙冬至，楊建洪，陳艷攏.大洋河河口海域有色溶解性有機物的光學特性及遙感反演模型[J].海洋學報，2011，（1）.

（責任編輯：黃銀芳）