东海浮游植物粒级结构时空变化的遥感分析研究

The knowledge of phytoplankton size structure in the East China Sea (ECS) can help us to better understand its marine ecosystem and many biogeochemical processes. Till now, researchers have conducted field observations to study phytoplankton size structure in the ECS, while these studies were often based on limited field measurements which cannot really reflect spatial and temporal variability in phytoplankton size structure in the ECS. Satellite observations have obvious advantages in the spatial and temporal coverage. Recently, remote sensing algorithms have been developed to derive phytoplankton size structure from satellite data. However, most of these algorithms focus only on the global ocean or clear waters; and they are not applicable to the ECS due to the complexity in bio-optical properties of waters in the ECS. In order to address above issues, this project aims to develop a robust absorption-based remote sensing algorithm for estimation of phytoplankton size structure in the ECS through analyzing the physical relationship between phytoplankton size structure and spectrum of phytoplankton light absorption; and then apply the new algorithm to long-term satellite datasets to map and analyze the characteristics of the spatial and temporal variations of phytoplankton size structure in the ECS; meanwhile attend to understand the responses of phytoplankton size structure to a changing environment in the ECS with the aid of marine environment data from in situ measurements and satellite observations.

东海浮游植物粒级结构时空分布的把握对理解东海诸多海洋生物化学过程和生态系统有着重要意义。然而，目前研究均基于有限的现地采样数据，并不能客观地反映东海浮游植物粒级结构的时空变化特征。卫星遥感技术在时空观测方面有着巨大优势。目前已有研究者提出浮游植物粒级结构遥感估测算法，然而绝大多数算法针对全球海洋或清洁水体，对于东海的生物光学特性复杂水体并不适用。因此，本项目将针对东海，通过分析浮游植物粒级结构与其光吸收特性的物理关系，开发出稳健的基于浮游植物吸收光谱特性的浮游植物粒级结构遥感估测模型；在此基础上，利用长时间序列的海色卫星遥感数据，反演出东海浮游植物粒级结构的时空分布，分析研究其时空变化特征；并结合海洋环境的现地调查数据和卫星数据，分析阐述东海浮游植物粒级结构对海洋环境变化的响应。

对浮游植物粒级结构的把握对理解海洋生态系统及诸多海洋生物化学过程有着重要意义。卫星遥感技术在时空观测方面有着巨大优势，为此，本项目以东海为研究区，开展了浮游植物光吸收特性与粒级结构内在关系分析、浮游植物粒级结构遥感反演模型建立、浮游植物粒级结构时空变化特征分析、以及基于激发荧光的浮游植物群落结构反演方法构建等研究内容，主要的研究结果和发现有：受色素打包效应和色素组成影响，浮游植物比吸收光谱随浮游植物粒级结构的改变呈现明显的变化，小型浮游植物主导的比吸收光谱值小且形状平缓，而微微型浮游植物主导的比吸收光谱值大且形状陡峭；基于此，建立了浮游植物粒级结构的反演模型，该模型主要利用了浮游植物吸收光谱的形状特征。基于现场实测的浮游植物吸收系数和遥感反射率数据对模型精度和稳定性进行了验证，结果表明该模型具有很好的反演精度，反演绝对误差在±0.2以内。然而，将该模型用于真实卫星遥感反射率时，由于大气校正造成的遥感反射率在蓝光波段的不准确性，导致模型反演的浮游植物粒级结构误差较大。为此，建立了对蓝光波段遥感反射率的重构方法，重构后的遥感反射率估测的浮游植物粒级结构与实测值具有较高的一致性。随后，将模型用于长时序的卫星遥感数据，获取了东海浮游植物粒级结构的时空分布，发现小型、微型和微微型浮游植物存在明显的时空变异。东海水体的层化与混合导致的营养盐变化，是引起浮游植物粒级结构改变的主要因素；在长江口区域，淡水的注入，也是影响浮游植物粒级结构的一个重要因素。此外，为弥补卫星遥感技术不能用于水下剖面监测的不足，开发了基于现场激发荧光的浮游植物群落结构反演方法，分析了东海典型断面上浮游植物群落结构的水下剖面分布特征。以上研究为浮游植物粒级/群落结构的全方位监测提供了重要的技术支持，加强了对东海浮游植物粒级/群落结构的认知，为理解东海海洋生物化学过程和生态系统提供了重要的科学支撑。