近海水体浮游植物粒径等级的遥感反演及时空变异研究

摘要

浮游植物粒径等级(Phytoplankton size class，PSC)是描述不同浮游植物种群功能结构和分析研究生物地球化学过程的一个重要参数。其精确反演有助于识别水体中不同浮游植物种群的分布特征，为研究浮游植物功能的多样性提供依据。 我国近海水体的PSC遥感反演研究仍比较欠缺，一方面已有反演模型的适用性有待验证，另一方面近海混浊水体的复杂光学特性给PSC遥感反演带来诸多困难和挑战。为此，本文以黄渤海和东海为研究区域，结合2015和2016两年间搜集的5个航次的现场实测数据，研究建立了PSC遥感反演经验模型和半分析模型，制作生成长时间序列的近海水体PSC时空分布产品，并对其时空分布规律和影响机制进行了深入分析。主要研究结果如下: (1)基于浮游植物各粒径等级浓度与总叶绿素a浓度之间的幂函数关系假设，通过不同反演方程组合及最佳波段选取，得到以遥感反射率Rrs(680)波段为输入，微型和微微型反演方程为基础的最佳反演方案，实测检验样本的PSC反演结果判决系数(R2)分别为0.957、0.914和0.529。半分析模型基于双组分假设，通过浮游植物吸收系数反演得到小型浮游植物浓度，检验结果R2=0.859。随后建立微微型浮游植物与微型和微微型浮游植物浓度之和之间的经验关系模型，反演得到各自的比例，R2=0.895和0.835。利用独立验证样本进行模型的相互比较，经验模型平均绝对百分误差(MAPE)分别为117.6％、32.34％和57.47％，半分析模型MAPE为38.40％、34.37％和67.00％，可知半分模型反演精度要优于经验模型。 (2)结合MODIS和SeaWiFS卫星资料，利用半分析模型反演得到东中国海PSC长时间序列变化图。结果显示，从空间分布上来看，小型浮游植物主要分布在沿岸地区，而微型与微微型浮游植物大值分布区域则集中在黄渤海和东海的中心海域。时间变化上，渤海海域多年月平均PSC波动较小。北黄海中心海域小型浮游植物存在春季强峰和秋季弱峰，南黄海中心及东海中心海域则只表现出一个春季弱峰特征;长江口及其附近海域小型浮游植物存在春夏季双强峰。微型与微微型浮游植物变化特征与小型浮游植物变化趋势相反，其峰值多集中在夏秋季。 (3)利用多种环境状态参数数据，通过相关关系分析及逐步回归分析，发现海表温度(Sea Surface Temperature，SST)和水体漫衰减系数(Kd)对PSC起主导性作用，而其他因子的影响则很小。根据SST与Kd对PSCs的不同影响机制(以小型浮游植物为例)，可分为三种区域类型:第一种是SST呈现负相关，Kd为正相关的区域，主要受营养盐和海温控制的区域，如渤海、北黄海和南黄海中心海域;第二种为SST与Kd都是正相关关系，受营养盐、水体垂向混合和风控制的区域，如长江口及其附近海域;第三种区域微型与微微型浮游植物对SST与Kd的响应不同，主要受海温等因素控制的海域，如东海中心海域。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究目的和意义

1．2国内外研究进展

1．2．1 PSC反演研究进展

1．2．2已有模型优缺点分析

1．3研究目标、研究内容及技术路线

1．3．1研究目标

1．3．2研究内容

1．3．3技术路线

第二章研究区域及数据

2．1研究区域概况

2．2现场实测数据及处理

2．3卫星影像数据

2．3．1 GOCI、MODIS及SeaWiFS传感器简介

2．3．2数据获取及预处理

2．4其他数据

第三章PSC遥感反演模型构建

3．1现场实测PSC计算方法

3．1．1诊断色素分析法(DPA)

3．1．2总叶绿素浓度校正模型

3．2 PSC经验模型构建

3．3 PSC半分析模型构建

3．3．1小型浮游植物浓度反演

3．3．2微型与微微型浮游植物浓度分解

3．4模型验证及比较分析

3．4．1 DPA结果比较

3．4．2 PSC模型反演精度验证

3．4．3不同数据集交叉验证

3．5本章小结

第四章近海PSC时空分布特征

4．1 PSC空间分布特征

4．1．1多年月平均空间分布

4．1．2最大值空间分布

4．1．3最小值空间分布

4．2 PSC时间分布特征

4．2．1季节变化特征

4．2．2月变化特征

4．2．3年变化特征

4．3本章小结

第五章近海PSC与环境因子相关性分析

5．1 PSC与环境因子相关性分析

5．2 PSC与环境因子的逐步回归及影响机制分析

5．3 PSC变化周期分析

5．4小结

第六章结论与展望

6．1主要结论

6．2论文特色

6．3展望

参考文献

作者简介

致谢