赤潮的高光譜監(jiān)測及預(yù)警方法

赤潮的高光譜監(jiān)測及預(yù)警方法曹文熙;盧桂新;楊躍忠;王桂芬;趙俊;周雯;李彩;孫兆華;梁少君;柯天存【摘要】有害赤潮發(fā)生頻度有逐年增加的趨勢,建設(shè)赤潮的早期監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)難點(diǎn).文章研究表明,珠江口赤潮前后,葉綠素a濃度和細(xì)胞密度變化范圍分別為0.9-31.1mg?m-3和1.28x104-1.76x106cell?L-1,優(yōu)勢藻為聚生角毛藻;高光譜輻射計(jì)獲取的光漫射衰減系數(shù)、遙感反射率和熒光強(qiáng)度可反演葉綠素a濃度和細(xì)胞密度，其中反演葉綠素a濃度的平均相對(duì)均方根差(RRMS)為30.6%、33.8%和77.4%,而反演細(xì)胞密度的平均RRMS為83.6%、83.9%和136.4%.因高光譜輻射計(jì)可以獲取每小時(shí)或者更短時(shí)間尺度的數(shù)據(jù)，因此,裝備了高光譜輻射計(jì)的光學(xué)浮標(biāo)可用于赤潮監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng).【期刊名稱】《熱帶海洋學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2010(029)002【總頁數(shù)】8頁(P17-24)【關(guān)鍵詞】海洋光學(xué);光學(xué)浮標(biāo);監(jiān)測及預(yù)警;赤潮【作者】曹文熙;盧桂新;楊躍忠;王桂芬;趙俊;周雯;李彩;孫兆華;梁少君;柯天存【作者單位】中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，廣東，廣州510301;中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣東廣州510301;中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣東廣州510301;中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣東廣州510301;中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣東廣州510301;中國科學(xué)院研究生院，北京,100039;中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣東廣州,510301；中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣東廣州,510301;中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣東廣州,510301;中國科學(xué)院研究生院，北京,100039;中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，廣東，廣州,510301;中國科學(xué)院研究生院，北京100039;中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣東廣州,510301【正文語種】中文【中圖分類】P733.39赤潮是海洋中的微藻、原生動(dòng)物或細(xì)菌在一定環(huán)境條件下暴發(fā)性增殖或聚集，引起水體變色或?qū)Ｑ笾衅渌锂a(chǎn)生危害的一種生態(tài)異?，F(xiàn)象。有害赤潮生物分泌的毒素可直接導(dǎo)致海洋生物大量死亡,或者通過食物鏈傳遞造成人類食物中毒;無害赤潮生物則因其產(chǎn)生的黏性分泌物堵塞魚、貝的呼吸系統(tǒng),或者由于赤潮生物大面積衰亡時(shí)消耗了水體中大量的氧氣,而造成大面積的魚、貝窒息死亡。研究表明，赤潮不僅給水體生態(tài)環(huán)境造成危害,也給漁業(yè)資源和生產(chǎn)造成重大經(jīng)濟(jì)損失,而且還給旅游業(yè)和人類帶來了危害，已成為全球性海洋災(zāi)害之一。在過去的幾十年里，有害赤潮(HABs)發(fā)生的頻度有逐年增加的趨勢，對(duì)赤潮的早期診斷監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)的需求很迫切［1］。赤潮過程可持續(xù)幾天至幾十天,赤潮過程的監(jiān)測需要高頻采樣，傳統(tǒng)的現(xiàn)場采樣分析手段效率低，難以獲取時(shí)間序列的數(shù)據(jù)，因此需要發(fā)展高效的連續(xù)自動(dòng)實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)。光學(xué)顯微鏡鏡檢等傳統(tǒng)的HABs檢測技術(shù)耗時(shí)多、工作量大,且在較大程度上依賴于分類學(xué)專家［2］,不適合用于實(shí)時(shí)連續(xù)觀測平臺(tái)。近年來發(fā)展起來的HABs檢測生物傳感器及生物芯片為赤潮及其優(yōu)勢種的現(xiàn)場快速檢測提供了新的手段，但目前這些技術(shù)還有待完善及推廣。光學(xué)方法用于赤潮監(jiān)測已有多年的歷史。過去20年的研究表明,浮游植物的葉綠素濃度（Chl.a）、粒徑結(jié)構(gòu)和細(xì)胞密度（CellDensity,簡稱CD）可用光衰減系數(shù)、反射率、吸收系數(shù)、散射系數(shù)及熒光來估算。Chl.a濃度及細(xì)胞密度是浮游植物生物量的重要指標(biāo)，通常可通過Chl.a濃度和細(xì)胞密度異常來診斷赤潮發(fā)生與否。光學(xué)傳感器既適用于衛(wèi)星觀測平臺(tái)（如SeaWiFS、MODIS等）,也可適用于現(xiàn)場觀測平臺(tái)（如光學(xué)浮標(biāo)），提供連續(xù)觀測資料。近年來,遙感技術(shù)已廣泛用于HABs監(jiān)測,不僅可勾勒出赤潮的時(shí)空分布,也可提供相應(yīng)的水文環(huán)境參數(shù)的時(shí)空分布，為赤潮發(fā)生機(jī)制研究提供重要資料［3-5］。Stumpf等［1］利用SeaWiFS遙感數(shù)據(jù)開展了近岸赤潮的常規(guī)監(jiān)測研究。雖然衛(wèi)星遙感有其明顯的時(shí)空覆蓋優(yōu)勢，但受大氣云層的影響較大,遇濃云天氣時(shí)遙感技術(shù)將失效;另外,目前遙感衛(wèi)星的重訪周期最快為1天,不能提供更高的采樣頻率。光學(xué)浮標(biāo)的優(yōu)勢在于不受大氣狀況的影響,且能提供幾小時(shí)甚至更高頻率的監(jiān)測數(shù)據(jù)。但是,目前光學(xué)浮標(biāo)主要用于水色遙感器的現(xiàn)場定標(biāo)監(jiān)測，獲取離水輻亮度、光衰減系數(shù)等信息［6-8］,有關(guān)光學(xué)浮標(biāo)用于赤潮過程的定點(diǎn)連續(xù)跟蹤監(jiān)測及預(yù)警還無報(bào)道。本文的目的是研究基于現(xiàn)場光學(xué)浮標(biāo)數(shù)據(jù)的HABs連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，經(jīng)過赤潮監(jiān)測實(shí)例分析檢驗(yàn)赤潮監(jiān)測及預(yù)警光學(xué)浮標(biāo)這一新技術(shù)的有效性。近年的研究表明,珠江口是一個(gè)赤潮高發(fā)區(qū)［9-10］。2007年8月，在珠江口擔(dān)桿島近海開展了光學(xué)浮標(biāo)應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)期間在114.289°E、22.062°N布放了光學(xué)浮標(biāo),獲取了連續(xù)14天的水體高光譜數(shù)據(jù)。同時(shí),每天09:00、12:00和15:00在浮標(biāo)布放區(qū)采集水樣，用于Chl.a等水色要素的分析。水體表觀光學(xué)參數(shù)（AOPs）由浮標(biāo)上的高光譜輻射計(jì)自動(dòng)測量。浮標(biāo)上共安裝6臺(tái)高光譜輻射計(jì),分別測量海面、水下0.32m和2.32m深度處向下光譜輻照度和向上光譜輻亮度。輻射計(jì)有效光譜測量范圍400—860nm,光譜分辨率1nm。系統(tǒng)每天定時(shí)開機(jī)測量12次,每次連續(xù)測量10min,其中一次測量安排在凌晨2點(diǎn),其他時(shí)間為每天08:00至18:00之間每隔1h測量一次。凌晨2點(diǎn)鐘測量獲取的數(shù)據(jù)為輻射計(jì)暗電流，用于輻射計(jì)本底值的修正。測量數(shù)據(jù)通過CDMA實(shí)時(shí)發(fā)回實(shí)驗(yàn)室。由實(shí)測數(shù)據(jù)可推導(dǎo)出漫射衰減系數(shù)、遙感反射率等物理量。根據(jù)水下光輻射傳輸理論考慮到水下光輻射場的角度分布,浮體傾角為10°時(shí)向上輻亮度測量的誤差可達(dá)3%[11],因此,首先根據(jù)同步觀測的浮標(biāo)傾角剔出傾角大于10°的數(shù)據(jù)。根據(jù)對(duì)實(shí)測的9000組傾角數(shù)據(jù)的分析,小于10°的傾角占83%。然后根據(jù)凌晨2點(diǎn)測得的輻照度和輻亮度值進(jìn)行各光譜通道的暗電流校正。在此基礎(chǔ)上，由下式分別計(jì)算輻照度漫射衰減系數(shù)Kd（z）和輻亮度漫射衰減系數(shù)KL（z）:其中zEd1、zEd2為向下輻照度傳感器所處的深度,zEd1=0.325m/zEd2=2.30m;zLu1.zLu2為向上輻亮度傳感器所處的深度,zLu1=0.905m/zLu2=2.88mo由于各深度的Ed（入）和Lu（入）是同步測量的，因此在上述計(jì)算中無需專門校正海面入射輻射的漲落。由實(shí)測的向上輻亮度推導(dǎo)得到水面下墊面（0-）的向上輻亮度，即：根據(jù)Gordon和Ding[12]基于蒙特卡羅計(jì)算推斷的模型對(duì)Lu（0-,入）的自陰影效應(yīng)進(jìn)行校正，其中Ltrue（0-,入）為校正之后的值,Lmeasured（0-,入）為實(shí)uu測值,￡為Lu傳感器自陰影校正因子,表示為：其中f是漫射天空光與直射天空光對(duì)下行輻照度貢獻(xiàn)的比值,本方法采用了Baker和Smith[13]的結(jié)果（可查找表格）進(jìn)行線性插值估算。進(jìn)一步可推導(dǎo)得到離水輻亮度：通常可不考慮2（1-p）/n隨波長及海面風(fēng)速的變化，因此2（1-p）/n取值0.543。由下式計(jì)算遙感反射率：浮游植物吸收自然光后有部分能量以熒光的形式重新發(fā)射。熒光可用輻亮度傳感器測量,假設(shè)由細(xì)胞內(nèi)發(fā)射到水體的熒光是各向同性的,浮游植物的熒光是中心波長約為683nm附近的紅光,此波段水體的吸收系數(shù)較大，因此,水下輻亮度傳感器接收的熒光信號(hào)主要來自3—5m水層的貢獻(xiàn)。在自然水體中，除自然熒光外還存在水體的后向散射、黃色物質(zhì)熒光、生物發(fā)光、拉曼散射以及海底反射，因此海水深度z處的總的上行光譜輻亮度包括各種因素的貢獻(xiàn)，如果忽略生物發(fā)光，則由Lambert-Beer定律可得總上行光譜輻亮度為：等號(hào)右邊各參量下標(biāo)ub、uR、uf、uCDOM、uBottom分別代表后向散射、拉曼散射、浮游植物自然熒光、黃色物質(zhì)熒光和底層反射。Huot等［14］輻射傳輸模擬的結(jié)果表明,拉曼散射對(duì)上行輻亮度的貢獻(xiàn)約為2%—3%,這通常在光譜輻亮度測量儀器的測量誤差范圍之內(nèi),可忽略。黃色物質(zhì)熒光在紅光波段的吸收很小，對(duì)于浮游植物自然熒光波段（中心波長約為683nm）,上行輻亮度中的黃色物質(zhì)熒光也可忽略。對(duì)于光學(xué)無限深水體,底層反射對(duì)上行輻亮度的影響也可忽略。因此，本文研究的水體上行輻亮度信號(hào)主要來源于后向散射和浮游植物自然熒光，即（10）式表明，傳感器測得的熒光輻亮度疊加在水體后向散射信號(hào)中,水體后向散射輻亮度與海面入射光強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)熒光輻亮度也隨海面入射輻射而變化，為消除海面入射輻射變化的影響,本文用同一深度的下行輻照度對(duì)上行輻亮度進(jìn)行歸一化處理，即其中Rl相當(dāng)于輻亮度反射率。本文采用歸一化熒光線高度（NFLH,單位為sr-1）和歸一化熒光強(qiáng)度（NFI,單位為nm-sr-1）提取熒光信息。歸一化熒光線高度是計(jì)算反射率光譜熒光峰反射率最大值與熒光峰處波段兩側(cè)的兩個(gè)波段所確定的基線同一波段上的反射率差值。歸一化熒光強(qiáng)度是計(jì)算熒光峰處波段兩側(cè)的兩個(gè)波段所確定的基線與基線以上反射率光譜所組成的部分的積分。歸一化熒光線高度的計(jì)算中，選取基線波長為660nm、710nm,熒光中心波長683nm［15］。顆粒物及有色溶解有機(jī)物吸收系數(shù)用分光光度法測定。采集的水樣用直徑25mm、孔徑0.7pm的WhatmanGF/F濾膜過濾,然后用定量濾膜技術(shù)(QFT)方法測定總顆粒物、非藻類顆粒物和浮游植物的光譜吸收系數(shù)。采用Helios紫外可見分光光度測量,波段范圍設(shè)為350—750nm,光譜分辨率為1nm。有色溶解有機(jī)物(CDOM)的光譜吸收系數(shù)采用LWCC液芯波導(dǎo)及光譜儀聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)測定［16］。采用熒光法測定海水中葉綠素a的濃度(Chl.a),所用儀器Turner-Design10型熒光光度計(jì)。同時(shí)測定了分級(jí)葉綠素a的濃度，把粒徑大于20pm的藻類歸為小型藻類(Micro),粒徑介于3—20pm之間藻類歸為微型藻類(Nano),粒徑介于0.7—3pm的歸為微微型藻類(Pico);通過過濾、測定各粒徑范圍的葉綠素a濃度,并計(jì)算各粒徑范圍葉綠素a濃度與水樣葉綠素a總濃度的比例，該比例分別為小型、微型、微微型藻類所占的比例。采用顯微鏡鏡檢計(jì)數(shù)方法測定浮游植物細(xì)胞密度CD,并進(jìn)行藻類識(shí)別。葉綠素a濃度和藻細(xì)胞密度異常是赤潮發(fā)生的重要指標(biāo),一般地,藻細(xì)胞密度達(dá)105cell?L-1、葉綠素a濃度達(dá)20mg?m-3以上時(shí),可認(rèn)為爆發(fā)赤潮,本文用這兩個(gè)指標(biāo)來表征浮游植物生物量。Chl.a和CD初始觀測值分別為1.5mg?m-3和3x104cell?L-1,在觀測實(shí)驗(yàn)過程中Chl.a和CD都有兩個(gè)量級(jí)的變化，其變化范圍分別為0.9—31.1mg?m-3和1.29x104—1.76x106cell-L-1oChl.a和CD的變化趨勢較一致，如圖1示,表明藻細(xì)胞的大量繁殖導(dǎo)致了葉綠素a濃度的升高。用顯微鏡對(duì)藻類分類的結(jié)果表明,赤潮爆發(fā)期間優(yōu)勢種主要為聚生角毛藻(Chaetocerossocialis),其細(xì)胞數(shù)占所有藻細(xì)胞數(shù)的92%。赤潮前后主要為聚生角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)、新月筒柱藻(Cylindrothecaclosterium)、斯托根管藻(R.stolterfothii)和菱形海線藻(Thalassionemanitzschioides)等硅藻的混合,甲藻及藍(lán)藻的細(xì)胞密度相對(duì)低很多。水體各組分的光吸收系數(shù)表現(xiàn)出明顯的時(shí)間序列變化,例如,443nm總顆粒物吸收系數(shù)ap(443)變化范圍為0.076—0.658m-1。赤潮前后,aph(443)、aCDOM(443)與aNAP(443)有不同的變化趨勢,主要表現(xiàn)在它們對(duì)總吸收系數(shù)的貢獻(xiàn):赤潮期間，浮游植物的吸收貢獻(xiàn)達(dá)到最大,CDOM吸收貢獻(xiàn)達(dá)到最小，而非藻類顆粒物的吸收貢獻(xiàn)變化不明顯。aph(443質(zhì)獻(xiàn)的變化趨勢與Chl.a及CD的變化趨勢一致。浮游植物比吸收系數(shù)也有明顯的變化，例如a*ph(443)和a*ph(676)的變化范圍分別為0.011—0.082m2?mg-1及0.007—0.042m2?mg-1,其變化達(dá)6至8倍。赤潮期間,浮游植物比吸收系數(shù)明顯偏小，例如，當(dāng)Chl.a濃度大于20mg-m-3時(shí)a*ph(443)的變化范圍為0.011—0.022m2?mg-1,明顯低于赤潮前后的值。向下輻照度漫射衰減系數(shù)在光譜形狀和強(qiáng)度兩方面都有較大的變化。以Kd(490)為例其變化范圍在0.158—1.185m-1之間,平均值為0.457m-1。圖1所示為代表性波段Kd的時(shí)間序列，與葉綠素a濃度呈現(xiàn)出一致的變化趨勢。由圖中可見，赤潮期間Kd比赤潮前后的大,赤潮前后Kd(443)的平均值分別為0.356和0.198m-1°Kd(入)的光譜形狀也有很大變化，赤潮期間其光譜形狀與浮游植物的光譜吸收系數(shù)類似，但非赤潮期間其光譜形狀與浮游植物的光譜吸收系數(shù)相去甚遠(yuǎn)(除了在683nm這一熒光峰位置)，如圖2示。Kd光譜與aph光譜相似性表明葉綠素濃度的變化是影響Kd光譜分布的決定因素，尤其在赤潮發(fā)生期間。為此,采用最小二乘法對(duì)Kd(入)-Kw(入)與Chl.a之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，即表示為幕指數(shù)函數(shù)的形式：這里Kw(入)表示純海水的衰減系數(shù),本文引用Morel和Maritorena[17]的數(shù)據(jù)。擬合結(jié)果表明(圖3a、b),在443nm波段兩者之間表現(xiàn)出明顯的幕指數(shù)相關(guān)性，擬合決定系數(shù)R2高達(dá)0.92。在整個(gè)可見光波段,尤其在藍(lán)一綠波段擬合決定系數(shù)R2值在0.8以上。類似地，對(duì)443nm和整個(gè)可見光波段的漫射衰減系數(shù)與細(xì)胞密度CD之間的幕指數(shù)關(guān)系分析,表示為：此處CD單位為106cell?L-1,函數(shù)擬合結(jié)果如圖3c、d示,其中藍(lán)-綠光波段函數(shù)擬合的R2大于0.7,表明了藻細(xì)胞密度對(duì)水體漫射衰減系數(shù)的影響，為進(jìn)一步根據(jù)浮標(biāo)測量的Kd監(jiān)測浮游植物生物量的變化提供了很好的條件。如圖2a示遙感反射率(Rrs)的光譜形狀與強(qiáng)度都有較大的變化,在赤潮前后,Rrs在藍(lán)綠光波段較高,尤其在480—570nm的波段,但在赤潮期間,Rrs在藍(lán)綠波段的值相對(duì)較小，在570nm附近的峰值也窄很多。對(duì)于所有的觀測數(shù)據(jù),均觀測到遙感反射率Rrs在685nm附近的峰值，這一峰值與浮游植物的自然熒光有關(guān)［15,18］。遙感反射率藍(lán)-綠波段的比值與水體葉綠素a濃度之間存在著密切的相關(guān)性,如圖1,490nm和555nm的光譜反射率比值表現(xiàn)出明顯的時(shí)間序列變化，與葉綠素a濃度的變化呈現(xiàn)出反向相關(guān),兩者之間幕指數(shù)擬合的決定系數(shù)為0.83。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出,Chl.a(或CD,此處單位為106cell?L-1)可用Rrs(入)波段比值來表征：本文選取入2為遙感反射率光譜的峰值波長570nm,幕指數(shù)擬合結(jié)果如圖4所示，可見Rrs(入)/Rrs(570)與葉綠素a濃度、藻細(xì)胞密度CD之間表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，在藍(lán)一綠波段和紅光波段R2分別在0.8和0.6以上。進(jìn)一步分析得出,698nm和570nm的遙感反射率組合反演的葉綠素a濃度具有很好的效果,R2=0.88,相對(duì)偏差的均方根約為33.8%,表示為：Rrs(698)/Rrs(570)與藻細(xì)胞密度之間的幕指數(shù)函數(shù)可以表示如下,R2=0.63:遙感反射率光譜表現(xiàn)出來的與水體葉綠素a濃度、藻細(xì)胞密度之間的相關(guān)性也為基于浮標(biāo)數(shù)據(jù)監(jiān)測水體浮游植物生物量的變化提供了條件。赤潮爆發(fā)期間,NFLH和NFI都變化了約6倍.浮游植物熒光信號(hào)從19號(hào)開始增大直到21的最大值,此后，信號(hào)減小直至24號(hào)的最小值。浮游植物Chl.a也經(jīng)歷了與熒光信號(hào)一樣的過程，其間底層Chl.a增加了5倍與此同時(shí),藻細(xì)胞密度也同Chl.a濃度一樣增加了6倍。統(tǒng)計(jì)分析表明,NFLH(或NFI)與Chl.a和CD之間的相關(guān)關(guān)系可表示為二次多項(xiàng)式的形式[16]:這里,[Chl.a]代表Chl.a濃度(mg?m-3),[CD]代表細(xì)胞密度(106cell?L-1)。Chl.a及CD異常是用以判斷赤潮發(fā)生與否的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)前,遙感技術(shù)尚不能提供時(shí)間尺度小于24h的Chl.a及CD數(shù)據(jù)。式(9)—(16)被用以從光學(xué)特性反演Chl.a和CD,如圖5示反演的Chl.a和CD值與實(shí)測值有很好的一致性,表明錨泊光學(xué)浮標(biāo)為連續(xù)赤潮監(jiān)測及其預(yù)警提供了很好的條件。為了檢驗(yàn)反演結(jié)果，將實(shí)測值與反演值之間相對(duì)偏差的均方差RRMS(relativerootmeansquareerror)定義如下：其中,n為樣品數(shù),X即為Chl.a或者CD。表1給出了各種光學(xué)特性及其反演結(jié)果的比較結(jié)果。值得注意的是,Chl.a的反演精度比CD的高，比如Chl.a的反演的相對(duì)RRMS為30.6%—77.4%,而CD反演的相對(duì)RRMS為83.6%—136.4%,如表1示。同樣值得注意的是，由漫射衰減系數(shù)或者遙感反射率的反演精度比用熒光高度的反演精度高,比如用熒光線高度反演Chl.a的相對(duì)RRMS為77.4%,而用漫射衰減系數(shù)或者遙感反射率反演Chl.a的相對(duì)RRMS分別為30.6%和33.8%。下面對(duì)此展開討論。漫射衰減系數(shù)通過吸收與散射系數(shù)與Chl.a、非藻類顆粒物及有色溶解有機(jī)物發(fā)生作用，圖3表明,Kd的34%—92%(平均值73%)與Chl.a濃度有關(guān)，但只有19%—73%(平均值58%)與細(xì)胞密度有關(guān)。由此可見，漫射衰減系數(shù)對(duì)Chl.a的變化比對(duì)細(xì)胞密度的變化更敏感。類似地,Rrs和NFI也這樣，即反射率的比值及熒光強(qiáng)度對(duì)Chl.a的變化比對(duì)細(xì)胞密度的變化更敏感。這些結(jié)果可由細(xì)胞尺寸及細(xì)胞內(nèi)色素濃度的差別來解釋。鏡檢的結(jié)果表明,赤潮發(fā)生期間浮游植物優(yōu)勢藻主要為聚生角毛藻,藻華前后主要為硅藻混合藻,色素組分的變化相對(duì)較穩(wěn)定。分粒級(jí)葉綠素a濃度的分析結(jié)果表明，藻華期間優(yōu)勢藻主要為＞20pm的硅藻(Chaetocerossocialis),而赤潮前后硅藻的數(shù)量明顯減少,表現(xiàn)為較多的是小于20pm的藻類。赤潮期間Chl.a濃度較高，熒光強(qiáng)度與Chl.a的關(guān)系還受到熒光效率、水體吸收系數(shù)、水體衰減系數(shù)等其他因素的影響［19］。色素打包效應(yīng)對(duì)浮游植物熒光的影響是—直存在的,Babin等［20］的結(jié)果表明,葉綠素a濃度由0.03到30mg?m-3時(shí),打包因子(Qa)減小了3倍(由1到0.3)。觀測期間,赤潮前后Chl.a濃度的變化達(dá)到5倍,更有甚者,藻華期間Micro-級(jí)別的浮游植物增多，細(xì)胞密度增加,被細(xì)胞內(nèi)色素吸收的熒光強(qiáng)度將隨著Qa的減小而增大，因此探測到的熒光強(qiáng)度將減小,反演得到的Chl.a濃度將減小。水體的衰減系數(shù)將影響探測到的自然熒光，圖1e給出了計(jì)算得到的漫射衰減系數(shù)，可見赤潮期間漫射衰減系數(shù)增大,因此熒光信號(hào)被探測到之前被吸收的比例增大。水體本身的吸收也將導(dǎo)致被探測到的熒光信號(hào)減小。McKee等［21］最近指出，非藻類顆粒物對(duì)離水輻亮度自然熒光信號(hào)的影響可達(dá)50%。因此,有必要研究熒光信號(hào)的算法。本文對(duì)珠江口海域的連續(xù)觀測期間正好發(fā)生了赤潮,觀測研究表明,葉綠素a濃度和細(xì)胞密度變化范圍分別為0.9—31.1mg?m-3和1.28x104一1.76x106cell?L-1,而且優(yōu)勢藻為硅藻。顆粒物吸收系數(shù)的變化趨勢與葉綠素a濃度的變化趨勢一致,也與光束衰減系數(shù)、熒光強(qiáng)度等的變化趨勢一致。高光譜輻射計(jì)獲取的光衰減系數(shù)、遙感反射率和熒光強(qiáng)度可反演葉綠素a濃度和細(xì)胞密度,其中反演葉綠素a濃度的平均RRMS為30.6%、33.8%和77.4%,而反演細(xì)胞密度的平均RRMS為83.6%、83.9%和136.4%。本文的結(jié)果表明，由于高光譜輻射計(jì)可以適時(shí)地獲取每小時(shí)或者更短時(shí)間尺度的數(shù)據(jù)，可以利用裝備了高光譜輻射計(jì)的光學(xué)浮標(biāo)用于赤潮監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。STUMPFR.P,CULVERME,TESTERPA,etal.MonitoringKareniabrevisbloomsintheGulfofMexicousingsatelliteoceancolorimageryandotherdata[J].HarmfulAlgae,.2003,2(2):147-160.MILLIEDF,SCHOFIELDO,KIRKPATRICKGJ,etal.Detectionofharmfulalgalbloomsusingphotopigmentsandabsorptionsignature:AcasestudyoftheFloridaredtidedinoflagellate[J].LimnolOceanogr,1997,42:1240-1251.CULLENJJ,CIOTTAMI,DAVISRF,etal.Opticaldetectionandassessmentofalgalblooms[J].LimnolOceanogr,1997,42:1223-1239.TESTERPA,STUMPFRP.Phytoplanktonbloomsandremotesensing:Whatisthepotentialforearlywarning[J].JournalofShellfishResearch,1998,17(5):1469-1471.SCHOFIELDO,BISSETTGJ,KIRKPATRICKP,etal.Opticalmonitoringandforecastingsystemsforharmfulalgalblooms:Possibilityorpipedream?[J].JPhycology,1999,35(6supp.):1477-1496.ANTOINED,D’ORTENZIOF,HOOKERSB,etal.Assessmentofuncertaintyintheoceanreflectancedeterminedbythreesatelliteoceancolorsensors(MERIS,SeaWiFSandMODIS-A)atanoffshoresiteintheMediterraneanSea(BOUSSOLEproject)[J].JGeophysRes,2008,113:doi:10.1029/2007JC004472.CLARKDK,YARBROUGHMA,FEINHOLZM,etal.MOBY,ARadiometricBuoyforPerformanceMonitoringandVicariousCalibrationofSatelliteOceanColorSensors:MeasurementandDataAnalysisProtocols[S].Oceanopticsprotocolsforsatelliteoceancolorsensorvalidation.2003,Rev.4,Vol.VI,NASATech.Memo.2003-211621,NASAGSFC,Greenbelt,MD,141pp.PINKERTONMH,LAVENDERSJ,AIKENJ.ValidationofSeaWiFSoceancolorsatellitedatausingmooreddatabuoy[J].JGeophysRes,2003,108:doi:10.1029/2002JC001337.TANGDL,KESTERDR,NII-HSUN,etal.InsituandsatelliteobservationsofaharmfulalgalbloomandwaterconditionatthePearlRiverestuaryinlateautumn1998[J].HarmfulAlgae,2003,2:89-99.YINKD,ZHANGJL,QIANPY,etal.EffectofwindeventsonphytoplanktonbloomsinthePearlRiverestuaryduringsummer[J].ContinentalShelfResearch,2004,24:1909-1923.MORELA,GENTILIB.Diffusereflectanceofoceanicwaters.II.Bidirectionalaspects[J].ApplOpt,1993,32:6864-6879.GordonHR,DingK.Self-shadingofin-wateropticalinstruments[J].LimnolOceanogr1992,37:491-500.BakerKS,SmithRC.Irradiancetransmittancethroughtheair-waterinterface[M]//SPINRADRW,OceanOpticsX.ProcSPIE,1990,1302,556-565.HUOTY,BROWNCA,CULLENJJ.Retrievalofphytoplanktonbiomassfromsimultaneousinversionofreflectance,thediffuseattenuationcoefficient,andSun-inducedfluorescenceincoastalwaters[J].JofGeophysRes,2007,112,C06013.ZHAOJ,CAOWX,YANGY乙etal.Measuringnaturalphytoplanktonfluorescenceandbiomass:AcasestudyofalgalbloominthePearlRiverestuary[J].MarinePollutionBulletin,2008,56:1795-