近岸浑浊富沙水体叶绿素浓度的遥感反演方法及光学机理

Through in situ investigations of phytoplankton bio-optical properties in turbid productive sediment-laden coastal waters, analyzing the impacts of phytoplankton species, particle size, pigments and environmental factors on the inherent optical properties (IOPs) will be conducted. Meanwhile, the temporal-spatial distribution and it variability of water components and concentrations and their IOPs will also be explored, affected by river outflows, tidal currents and marine circulations. The bio-optical model and IOPs parameterization adapted for the turbid waters will be given. According to in situ measurements in Changjiang estuary and adjacent coastal ocean, the computable model of water-leaving radiance reflectance and IOPs will be tuned through iterative optimal method . Finally, we will establish bio-optics-based semi-analytical algorithms of chlorophyll-a concentration retrieval, through introducing a Synthetic Chlorophyll Index (SCI) in order to minimize high scattering impacts by suspended sediment particles, which may give rise to the overestimation of chlorophyll-a and misjudgement. This study will provide the scientific basis and method for accurately estimation of phytoplankton biomass and primary productivity from remote sensing data in turbid productive sediment-laden waters, for satisfying the need of marine ecosystem health and global climate change researches in coastal ocean.

通过对近岸浑浊富沙水体浮游植物的生物-光学特性的调查和研究，分析浮游植物种类、粒径、色素和环境因素对其固有光学特性(IOPs)的影响；调查和分析各水色组分浓度与IOPs的时空分布及变化规律，以及受径流、潮汐流、近海环流等水动力环境变化的影响。构建近岸浑浊水域的生物-光学模型及参数化表达形式；改进适合近岸水域的离水辐射率Rrs与IOPs的光学闭合模式；通过引入一个可消除悬沙对叶绿素反演干扰的综合叶绿素指数(SCI)，建立基于SCI的生物-光学半分析型叶绿素浓度的遥感反演模型，以改变目前算法高估叶绿素浓度的局面。为河口近岸及中国东部大部分沿海水域浮游植物生物量和初级生产力的正确估算提供科学方法，也为河口与近海生态系统研究提供科学依据。

我国东部沿海大部分为受大河物质输入影响的、独具特色的浑浊型II类水，特别是长江口及近岸海域为悬浮泥沙富集的浑浊型水域。由于水体物质组成多变、光学特性复杂，且受到无机固体颗粒物高散射的干扰，一般导致遥感反演叶绿素浓度的高估，故在富沙型水体遥感反演叶绿素a浓度（Chla）是一个极富挑战性的研究。为此，基金项目围绕：近岸海域生物光学特性及其变化规律、建模及参数化、叶绿素浓度遥感反演模型、反演精度与不确定性分析等内容开展研究，并取得如下重要进展： . （1） 调查发现：甲藻和硅藻色素组成差异对两者比吸收系数有着重要影响；浮游植物粒级同样是影响比吸收系数的重要因素，大粒径浮游植物受打包效应影响，比吸收系数相对较低。浮游植物粒径指数的变化对440nm和675nm处的比吸收系数变化的贡献可分别达43%和25%。. （2）发展了一种基于光谱优化算法的海-气耦合的大气校正模型。参数求解使用一种全局优化算法—遗传算法进行优化求解，求解过程不需要参数的初始估计。校正后的遥感反射率比GOCI标准大气校正算法GDPS的精度提高近一倍。也可应用于MERIS、MODIS卫星影像。. （3） 基于Duntley双流辐射模型，改进了水下次表层反射率计算的2Seacolor参数化模式，与国际上流行的Gordon模式和Lee模式（在高浊度浑浊水体中，两模型均表现出饱和趋势）对比显示，该模型对高浊度复杂光学组分水体有良好的表现。.（4）在浑浊水体生物-光学模型及参数化模式的基础上，分别采用光辐射传输数值模型Hydrolight,以及多个常用的解析模型，模拟了遥感反射率大数据集。分别对二波段、三波段、荧光基线高度以及综合叶绿素指数4个算法对Chla反演进行敏感性分析，结果表明：二波段、三波段算法适合低悬浮颗粒物（SPM）浓度水体的Chla反演，而FLH算法在SPM大于10g/m3以后，算法出现失效，SCI算法在SPM升高时，呈现出线性增强趋势，如SPM>100g/m3且Chla>25 mg/m3的情形，表明SCI算法在富沙水体中消除SPM的影响反演Chla浓度具有较好的潜力。