浮游植物粒级结构的生物光学指针及遥感反演初探

浮游植物粒级结构与细胞的生理特性、光合作用速率等密切相关，是一个重要的生物学参数。采用水色遥感技术反演海洋中浮游植物粒级结构信息成为当前国际水色遥感应用研究一个新的发展方向。.　　本项目将基于南海北部海区多年实测数据，深入研究浮游植物粒级结构与水体生物光学特性之间的关系，从光谱信号变化和生物量变化两个方面，提取表征粒级结构变化的"生物光学指针"；在南海北部水体生物光学特性分析的基础上，建立对水体固有光学参数（如浮游植物吸收系数、颗粒物后向散射系数等）和色素浓度反演的区域性水色算法，进一步对"生物光学指针"进行推算；采用主成分分析、聚类分析等数学手段，融合多参数进行研究，确定用于划分不同粒级浮游植物占据优势时指针的变化"阈值"，对南海北部海区小型、微型和微微型浮游植物的区域分布进行光学辨别；推动水色遥感技术在南海海区浮游植物粒级结构反演中的应用。

浮游植物是海洋初级生产力的主要贡献者，研究浮游植物粒级结构变化及其时空分布对于探索海洋生态系统动力过程具有重要意义，水色卫星遥感的发展为大时空范围监测浮游植物粒级结构变化提供了潜在的手段。. 本项目基于南海北部海区实测数据，（1）深入研究了浮游植物粒级结构变化与生物光学参数之间的关系，发现南海北部海区浮游植物粒径结构存在明显的空间差异，粒级结构变化与浮游植物生物量、光谱形状之间存在着密切的联系；（2）在此基础上，提取了叶绿素a浓度、浮游植物吸收系数及其光谱斜率等多个有效的生物光学指针；（3）基于分粒级过滤的叶绿素a浓度和浮游植物吸收光谱建立了各粒级浮游植物生物量的定量反演模型，针对Micro，Nano，Pico三个粒级所贡献的叶绿素a浓度反演的平均相对误差分别为21%，41%，26%，同时实现了水体主导浮游植物粒级结构的光学辨别，相对于其它方法的判断精度更加稳定；同时基于分粒级叶绿素a浓度和HPLC分析获取的粒级结构建立了三组分模型；（4）在综合评价和优化海水叶绿素a浓度和固有光学参数水色反演算法的基础上，将反演模型应用关于水色遥感数据处理，针对一个典型冷涡事件中上层水体浮游植物粒级结构变化进行监测。项目同时从理论模拟的角度分析了关键光学参数与粒级分布之间的内在联系；深入研究了不同海区颗粒有机碳与生物光学参数之间的关系并建立了光学反演模型。. 浮游植物粒级结构的变化可用于辨别不同浮游植物功能群，与海洋生态和生物地球化学过程密切相关。项目研究成果可为采用光学遥感手段监测南海浮游植物种群结构提供重要参考方法和数据，对于进一步优化南海初级生产力反演算法、耦合浮游植物种群分布深入研究海洋颗粒有机碳的生物地球化学循环具有重要意义。