河口水体悬浮颗粒固有光学性质的时空变异特征及其机理研究

由于光学活性物质的相对复杂和水动力条件的高度变化，对河口混浊水体固有光学性质（IOPs）的认识和应用，目前仍然是水光学遥感中最具有挑战性的研究领域之一。开展河口水体IOPs时空变异特征及其控制机理研究，将有助于提升遥感技术在河口二类水体水质监测等方面应用的科学水平。本项目以我国著名的强潮型河口- - 杭州湾为研究区，通过对不同季节、潮型和潮时的水体IOPs进行监测，重点调查和分析水体悬浮颗粒吸收系数和后向散射系数的时空变异性，特别是受潮汐驱动的短周期变异特征；并通过光学正反演计算和地学驱动建模等方式，来辨识和展示河口水体悬浮颗粒IOPs变异的微观和宏观控制过程。通过本项目研究，不仅将获取河口混浊水体区IOPs较为全面和系统的观测数据，而且还能建立水体光学性质计算模型和悬浮颗粒粒径分布（PSD）光学反演模型，为进一步开展基于地学-光学分析模型的河口混浊水体遥感监测研究提供科学理论和技术方法支持。

本项目针对河口水体固有光学性质（IOPs）时空变异特征认识的不足，以我国著名强潮型河口杭州湾及其邻近水域为研究区，对河口水体IOPs的时空变异特征和控制机理进行了研究。重要结果主要体现在几个方面：1）数据积累。在研究区及毗邻水域进行了多次现场走航和定点观测实验，采集和分析了60余个站位共计140余组样品数据；2）IOPs变异调查和机理分析。研究发现杭州湾表层水体悬浮颗粒以无机悬浮泥沙为主，在不同的潮型、潮时以及风力条件下，悬浮泥沙浓度差异显著。水体总吸收以总颗粒物吸收为主，且随悬沙浓度增大而增大，但在低浓度时其增长速率更快，低浓度颗粒物的光学性质要比高浓度颗粒更加复杂。，与5月份相比，12月份的总颗粒物单位吸收系数a*TP(440)总体变化不大，但大潮期间的a*TP(440)具有更大的变异程度。在IOPs变异机理分析方面，计算了高悬沙水体350～800nm的单位相对散射和后向散射系数，研究发现这些相对IOPs在较大程度上受到颗粒物复折射指数和粒配的影响，Junge模型的指数斜率j对单位吸收系数的影响在蓝光区非常明显，不同的折射指数和对悬浮颗粒后向散射比影响较大；3）遥感反演。利用Junge和2C模型对颗粒物粒配和颗粒数量之间的分布关系进行了参数拟合，发现Junge模型拟合值在小颗粒区内明显高于实际值，而2C模型的拟合值比较接近；针对环境星数据（HJ CCD）的波段设置，发现以Rrs(B4)/Rrs(B3)构成的波段比值遥感因子与描述粒径分布的参数之间相关性最好。利用HJ CCD影像对悬浮泥沙浓度（SSC）进行了反演研究，结果显示反演的SSC相对误差（RE）为7.12%，杭州湾SSC要显著高于长江口，且内部差异明显。利用地球静止水色成像仪GOCI数据，反演获得了2011年12月12日杭州湾8景GOCI影像的SSC分布状况，RE为27.8%，结果显示杭州湾在一天内不同时段SSC分布情况变异显著，近外海段区域的SSC分布受涨落潮的影响明显。4）真实性检验。研究了杭州湾GOCI影像SSC产品真实性检验中的空间尺度效应，提出了一种利用准同步HJ CCD SSC数据定量评价GOCI SSC真实性检验中尺度效应的方法，发现当GOCI像元所对应的HJ CCD 17*17窗口内SSC的变异系数大于0.1时，尺度效应较为明显。