中國近海高濁度水體中光傳輸特征的數(shù)值模擬研究.pdf

1、黃海是西太平洋上一個半封閉的陸架淺海，多條河流攜帶大量泥沙經(jīng)此入海，陸源影響嚴(yán)重；在黃海環(huán)流系統(tǒng)的作用下，懸浮物質(zhì)分布具有顯著的區(qū)域性與季節(jié)性特征，水體光學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變，絕大部分海域?qū)俚湫偷亩愃w。本文首先利用SOLAS第一航次2005年3月19-27日在整個黃海的現(xiàn)場觀測資料，分析了研究海區(qū)光合有效輻射PAR的衰減特征及PAR在水體中衰減的影響因素；然后在觀測資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合黃海海區(qū)生物光學(xué)模型的歷史數(shù)據(jù)，利用水體中的光傳輸模式A

2、OMC，進(jìn)一步模擬了黃海不同海區(qū)光在水體中的衰減特征，探討了影響光傳輸?shù)闹饕p因子及其與光學(xué)特性量的關(guān)系，具體結(jié)論如下： (1)黃海海區(qū)生物光學(xué)特征：①黃海海域的濁度與葉綠素a濃度分布具有明顯的區(qū)域性差異，濁度在黃海北部成山頭附近的近岸水域?yàn)楦咧祬^(qū)，黃海中部與南部離岸水域?yàn)榈椭祬^(qū)；葉綠素a濃度[Chl-a]在整個海域較低，基本上隨深度分布均勻，黃海南部水體中的[Chl-a]要高于北黃海，近岸水體高于離岸水體。②濁度反映水體中

3、總懸浮顆粒物的含量，與葉綠素a濃度的相關(guān)不明顯，表明非藻類的懸浮粒子是引起濁度增大的主要貢獻(xiàn)來源。③在真光層深度以上，光合有效輻射PAR隨深度以及積分濁度IT的衰減呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，在大多數(shù)站位的相關(guān)性顯著(R<'2≥0.98)；線性回歸與指數(shù)回歸法分別計算的K<,T>(PAR)和K<,O>(PAR)兩者一致性較好，除了在離岸深水區(qū)的Gp站，相對差△=12.3％，其他站位的△均低于10％，表明PAR隨深度衰減的指數(shù)率模式更適用于近岸淺水區(qū)

4、。④PAR衰減系數(shù)K<,d>(PAR)存在分層結(jié)構(gòu)，分別為近表面2m處的極大值層與20-30m處的漸進(jìn)層。⑤不同站位影響光衰減的主要因子不同，具有一定的區(qū)域性特征。K<,d>(PAR)在大多數(shù)站位與[Chl-a]無明顯相關(guān)性，隨濁度的增加而增大，呈一定的正相關(guān)性，說明這些水體中的浮游植物不是影響光傳輸?shù)闹饕p因子，主要光衰減因子為非藻類的懸浮粒子；而在某些近岸站，Kd(PAR)與濁度、葉綠素a濃度的相關(guān)均不明顯，影響光傳輸?shù)囊蜃訌?fù)雜。

5、 (2)利用完整的光學(xué)實(shí)測資料進(jìn)行不同季節(jié)整個研究海區(qū)的光衰減特征分析是比較困難的，而數(shù)值模式不受觀測時間與地點(diǎn)的限制，可以在很大程度上解決這個難題。本文利用Monte Carlo方法開發(fā)建立的水體光傳輸模式AOMC，在進(jìn)行準(zhǔn)確性必要驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對黃海海區(qū)的光學(xué)衰減特征進(jìn)行了模擬，研究結(jié)果表明：①在多數(shù)站位，AOMC模式模擬計算的平均PAR衰減系數(shù)K<,dM>(PAR)與實(shí)測數(shù)據(jù)計算的平均PAR衰減系數(shù)K<,do>(PAR)

6、具有很高的一致性，相對差控制在20﹪。②K<,dM>(PAR)隨深度的變化規(guī)律與觀測結(jié)果K<,do>(PAR)相似，出現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)；近表層(1-4m)，模擬值與觀測值差別較大，在4m深度以下到真光層深度處，多數(shù)站位的K<,dM>(PAR)值與K<,do>(PAR)值接近，差別很小，這是因?yàn)樵诒韺?m以上PAR的觀測值受船體陰影以及表面波浪的影響較大，從而在計算K<,do>(PAR)時產(chǎn)生了一定了誤差，造成模擬值與觀測值差別較大，在4m以下

7、，PAR衰減系數(shù)K<,d>(PAR)受環(huán)境光場的影響較小，受水體中成分的影響較大，因而模擬值與觀測值接近。③指數(shù)率模型反演PAR值與實(shí)測PAR值在各深度上比較一致，相對差最大不超過45﹪，表明指數(shù)律模型中使用的K<,dM>(PAR)準(zhǔn)確性較高。④光從大氣中傳輸進(jìn)入懸浮粒子含量高的黃海水體中時，下行輻照度的光譜性質(zhì)發(fā)生改變，隨水深增加，輻照度光譜峰值從大氣中的藍(lán)光區(qū)右移到了水體中的綠光區(qū)。⑤模式的敏感性分析表明，非藻類的懸浮粒子是影響黃海

8、海區(qū)光傳輸?shù)闹饕蛩兀窃孱惲Ｗ訉Ｋ泄獾乃p作用相當(dāng)于其他物質(zhì)作用的總和，在PAR衰減系數(shù)中占53.3﹪，其次是浮游植物。⑥非藻類的懸浮粒子對光譜的影響主要集中在波長小于600nm的短波區(qū)間，與其他光傳輸影響因子相比，非藻類粒子的物質(zhì)種類與濃度變化更容易影響光的傳輸特征，從而導(dǎo)致水體中的光量與光場性質(zhì)的改變，對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。⑦黃海的光學(xué)衰減特征具有顯著的區(qū)域性差異，在同一深度處，北黃海的光譜輻照度值低于南黃海，近岸水域低

9、于離岸水域，PAR衰減系數(shù)的平均值K<,d>(PAR)，在北黃海最大(0.298m<'-1>)，依次是近岸水域(0.276m<'-1>)、離岸水域(0.201m<'-1>)，南黃海最小(0.175 m<'-1>)，在一定程度上反映了影響光傳輸主要因子的分布特征。⑧目前生態(tài)模式中使用的光學(xué)模型將K<,d>(PAR)簡單表示為純水與浮游植物的衰減系數(shù)和，該光學(xué)模型在非藻類粒子是光衰減主要因子的黃海中不適用，本文利用AOMC模式并結(jié)合實(shí)測資料