海岸水体浮游植物粒级的生物光学特性及遥感反演研究

Quantitative remote sensing inversion of phytoplankton size class (PSC) and its spatial-temporal distribution is a new hotspot and frontier research of ocean color remote sensing. Successful examples are mostly for studies in open oceanic case-1 waters with phytoplankton alone. So far, it is quite limited to carry out researches on remote sensing of phytoplankton size class in optically complex case-2 coastal waters where includes color dissolved organic matter (CDOM) and non-algal particulate matters (NAP). In this study, the typical coastal waters along the eastern China coast will be selected as the study area. Through the combination of in situ measurements, laboratory experiments and theoretical models, we try to reveal micro-, nano- and pico-phytoplankton bio-optical properties and optical mechanism affected by cell size and pigment composition, to build quantitative relationships between chlorophyll, size factor and inherent optical properties, to explore the impact of the coexistence of CDOM and NAP on the bio-optical models including three size classes fractions, to develop remote sensing retrieval algorithms for estimates of PSC’s surface and vertical distribution. On the basis of long term satellite data, the study will quantitatively estimate PSC’s composition and distribution and their variations in space and time scales. Results will serve for applications of marine ecosystem health assessment and response to climate changes. It will promote deep development of coast color remote sensing.

遥感定量反演浮游植物粒级的组成分布及时空变化是水色遥感新的热点和前沿研究，成功的例子大多针对水色组分简单的大洋一类水。目前在海岸复杂光学二类水体中开展浮游植物粒级的遥感研究还相当有限。本课题以海岸水体—中国东部沿岸典型水域为研究区，通过现场观测、实验室试验和理论模型相结合，揭示海岸水体小型、微型和微微型三个粒级浮游植物的生物光学特性以及受粒级和色素影响的光学机理；构建生物量及粒径参数耦合光学特性的定量关系；探索水色多组分共存对浮游植物不同粒级的生物光学特征及定量关系式的影响；发展浮游植物粒级表层和垂向组成分布的遥感反演和估算方法；基于长时序卫星数据，定量分析中国东部沿岸水域浮游植物粒级组成分布的时空变化及规律，服务于区域海洋生态系统评估及应对气候变化响应的应用需求，推动海岸水色遥感研究的深入发展。

海洋浮游植物是海洋生物和生态系统中最重要的部分，也是地球上吸收二氧化碳生产氧气的主要贡献者。按照粒径大小，浮游植物被划分为小型、微型和微微型三个粒级。不同粒级的浮游植物在诸多生理性质、生物地球化学循环过程中的作用等存在显著差异。然而，海洋的浮游植物粒级组成，依靠航次观测是很难捕捉到其分布变化规律的。而卫星遥感技术的发展，为海洋浮游植物粒级生物量和分布规律的观测与认识提供了机遇，也是当前开展全球和区域全覆盖、逐日甚至逐时周期性持续观测全球气候变化下的海洋生态系统发生改变的唯一途径。. 本研究对中国东部沿岸浑浊水域开展了大量现场观测，结合实验室试验及理论模型，系统地掌握了现场浮游植物粒级结构组成的空间分布格局和变化规律，以及不同优势粒级结构水体的固有和表观光学特性；揭示了沿海小型、微型和微微型三个粒级浮游植物的光学特性以及受粒级和色素影响的光学机理；研制了浑浊海域基于生物量及耦合海表温度的浮游植物粒级结构遥感反演模型，利用静止轨道海洋水色卫星数据和长时序水色数据，定量分析了中国东部沿岸水域浮游植物粒级组成分布的多尺度时空变化特征及规律，并生成1997-2019年中国东部海域浮游植物粒级结构组成的月平均遥感数据集；研制了基于浮游植物吸收系数的浮游植物粒级结构遥感反演模型，研究发现基于吸收系数模型具有浑浊海域浮游植物分类反演的潜力；发展了浑浊近岸海域藻华遥感探测及硅甲藻遥感识别方法，生成了2002-2012年东海硅甲藻藻华逐日遥感数据集，以及2016-2021年东海藻华逐日遥感数据集。项目研究成果有效地促进了海洋浮游植物功能多样性的遥感监测的发展，对提高浮游植物粒级结构在海洋生态和生物地球化学过程中的理解认识具有重要科学意义。此外，研制的藻华遥感探测技术可基本满足业务化监测需求，可为行业部门对赤潮灾害的监测和防灾减灾提供快速、实施、业务化运行的信息服务。