王長鳳，段洪濤，馬榮華，張玉超

(1:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京210008)

(2:中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

長江中下游地區(qū)以地勢平坦、河湖眾多、水網(wǎng)稠密為其主要自然景觀特征，素有“水鄉(xiāng)澤國”之稱，面積在1.0 km2以上的湖泊有598個，合計面積1.53×104km2，平均湖泊率約為9.6%，是我國淡水湖泊數(shù)量最多、分布最為密集的地區(qū)［1-3］.享有盛譽(yù)的中國五大淡水湖——鄱陽湖、洞庭湖、太湖、洪澤湖和巢湖，除洪澤湖位于淮河流域外，其他湖泊都位于長江中下游地區(qū).近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類活動的劇烈影響，該區(qū)域水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，藍(lán)藻水華頻發(fā)，湖泊的水環(huán)境問題越來越突出［4-5］.大型湖泊是周邊人口重要的飲用水源地，因此，亟需加強(qiáng)這些湖泊的水質(zhì)監(jiān)測和評價工作.

衛(wèi)星遙感擁有快速、大范圍、周期性的特點，具有常規(guī)監(jiān)測方法不可替代的優(yōu)勢;隨著新一代水色傳感器MERIS(MEdium Resolution Imaging Spectrometer)、GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)等的陸續(xù)發(fā)射，衛(wèi)星遙感在內(nèi)陸大型湖泊水體監(jiān)測方面已經(jīng)發(fā)揮著越來越重要的作用.但由于內(nèi)陸湖泊等Ⅱ類水體物質(zhì)組成復(fù)雜，水色遙感模型影響因素較多，導(dǎo)致精度通常不高，普適性不強(qiáng).因此，大部分Ⅱ類水體模型是針對目標(biāo)水色參數(shù)反演設(shè)計的，其它水色因子在模型中一般都被弱化，甚至被忽略.例如，目前針對葉綠素濃度反演的三波段模型，就是以忽略懸浮泥沙和黃色物質(zhì)在近紅外波段的吸收為前提條件［6-8］.因此，了解和掌握水體的固有光學(xué)特性，特別是吸收系數(shù)，是判斷水色遙感模型假設(shè)是否合理的關(guān)鍵，對于水色遙感研究具有重要的科學(xué)意義［9］.

鄱陽湖、太湖和巢湖等作為長江中下游的大型湖泊和重要水源地，在固有光學(xué)特性研究方面已經(jīng)做了大量的工作.如Wu等［10］以鄱陽湖為對象，對其水體吸收、后向散射及其與水體中其他組分的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的研究;Ma等［11-12］以太湖為研究對象，分別對其吸收和后向散射特性進(jìn)行了深入分析和揭示;金經(jīng)緯等［13］分別對巢湖水體的吸收、后向散射特性以及藻華水體的光學(xué)特性進(jìn)行了研究.但是這些工作都是將鄱陽湖、太湖和巢湖分別作為獨立的湖泊進(jìn)行研究，而依據(jù)各自固有光學(xué)特性建立的水色算法通常具有較大的局限性，多適用于所研究區(qū)域，較難推廣使用.特別是懸浮泥沙較多的鄱陽湖與富營養(yǎng)化嚴(yán)重、藍(lán)藻水華肆虐的太湖和巢湖，水體光學(xué)特性具有較大的差別.如果能夠針對不同湖泊水體固有光學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，將為Ⅱ類水體普適模型的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)，具有較大的應(yīng)用價值.

本研究針對鄱陽湖、太湖和巢湖3個大型湖泊，運(yùn)用IOCCG［14］報告提供的分類標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮水體3大組分(懸浮物、浮游植物色素和黃色物質(zhì))，依據(jù)其吸收特性進(jìn)行分類，將水體劃分為不同的主導(dǎo)類型;針對不同主導(dǎo)類型水體的吸收特性進(jìn)行深入分析，并對Gons和Gitelson等模型適用性進(jìn)行評價.這些研究有助于推動水色遙感的發(fā)展，具有較大的科學(xué)意義與實用推廣價值.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 實測數(shù)據(jù)與方法

分別于2010年10月和2011年8月在鄱陽湖、2008年10月和2011年8月在太湖、2009年10月在巢湖采集表層水樣，共獲得有效樣點260個(表1).現(xiàn)場采集的水樣放在保溫箱里覆冰保存，當(dāng)天帶回實驗室后立即過濾.總顆粒物吸收系數(shù)(ap)、浮游植物色素吸收系數(shù)(aph)和非色素顆粒物吸收系數(shù)(ad)采用定量過濾技術(shù)測定［15-16］;有色可溶性有機(jī)物(CDOM)吸收系數(shù)(ag)和葉綠素a濃度(CChl.a)通過分光光度計分別測定［11，17-19］;總懸浮物濃度(CSPM)、有機(jī)懸浮物濃度(CSPOM)和無機(jī)懸浮物濃度(CSPIM)采用稱重法測定［20］.

1.2 水體光學(xué)類型劃分方法

依據(jù)IOCCG 2000年報告提出的方法［14］，首先對內(nèi)陸水體某波長處3大組分的吸收系數(shù)ad、aph和ag求和后作歸一化處理，計算每個樣點3大組分各自所占的比例，進(jìn)而可以在三角圖中確定每個樣點所處的位置.

根據(jù)報告中所述2/3分界線［14］(表2)，將水體首先劃分為Ⅰ類水體(即大洋水體)和Ⅱ類水體(沿岸和內(nèi)陸等光學(xué)復(fù)雜水體)，然后參考Morel等的研究對Ⅱ類水體進(jìn)一步劃分［21-22］，即以1/6為分界線(表2)將Ⅱ類水體劃分為單一類型主導(dǎo)、兩種類型共同主導(dǎo)和三種類型共同主導(dǎo)，其中以三種類型共同主導(dǎo)最為復(fù)雜，這一主導(dǎo)類型大多分布于內(nèi)陸或沿岸光學(xué)復(fù)雜的水體.本文選取442 nm為參考波長，按照前面所述方法對3大湖泊有效樣點的主導(dǎo)類型進(jìn)行劃分(圖1).

表1 鄱陽湖、太湖和巢湖水體組分的吸收系數(shù)及濃度的描述性統(tǒng)計Tab.1 Descriptive statistics of absorption coefficients and concentrations of water components in Lake Poyang，Lake Taihu and Lake Chaohu

表2 主導(dǎo)類型分類方法Tab.2 The dominant-type classification

2 結(jié)果與討論

2.1 季節(jié)性差異

3大湖泊水體吸收系數(shù)分類如圖1和表3所示.鄱陽湖夏季(8月份)ad為主導(dǎo)類型，所占比例達(dá)67.57%，ad-ag共同主導(dǎo)類型比例為29.73%，二者占所有樣點的97.30%.而秋季(10月份)，鄱陽湖主導(dǎo)類型發(fā)生顯著變化，占據(jù)絕對主導(dǎo)地位的主導(dǎo)類型只有ad，其所占比例高達(dá)84.78%(＞2/3)，其余主導(dǎo)類型基本可以忽略.這與Wu等［23］對鄱陽湖的研究結(jié)果一致，鄱陽湖與長江毗連，水位季節(jié)變化顯著，每年7 -9月份長江江水倒灌鄱陽湖，并且鄱陽湖北部存在大量采砂活動，導(dǎo)致懸浮泥沙濃度增大［24-25］，使得鄱陽湖的主導(dǎo)光學(xué)類型為ad.夏季之所以出現(xiàn)ad-ag共同主導(dǎo)的現(xiàn)象，是因為夏季雨水較多，河流攜帶CDOM進(jìn)入水體相應(yīng)較多;而且湖水溫度較高，加劇了浮游植物腐爛分解，導(dǎo)致水體中CDOM的含量升高;而秋季，天氣轉(zhuǎn)涼，雨量減少，CDOM吸收變化較為平緩，此時CDOM主要來源于內(nèi)源(浮游植物的分解)［26］.

圖1 3大湖泊水體吸收系數(shù)分類結(jié)果Fig.1 The result of classification of water absorption coefficients of Lake Poyang，Lake Taihu and Lake Chaohu

太湖夏季占據(jù)主導(dǎo)的類型為ad-aph-ag，所占比例可達(dá)78.26%，輔助主導(dǎo)類型ad-aph所占比例為17.39%.到了秋季，占據(jù)絕對優(yōu)勢的主導(dǎo)類型ad-aph-ag比例降為15.28%，而原來在夏季沒有成為主導(dǎo)的ad-ag類型在秋季占據(jù)優(yōu)勢主導(dǎo)地位，其比例可達(dá)52.78%;另外ad所占比例由4.35%增加到16.67%，增幅較大;總體來說，秋季太湖與ad相關(guān)的主導(dǎo)類型占到69.45%.這主要是由于太湖藍(lán)藻暴發(fā)時段主要集中在6--9月，8月份達(dá)到最高值［5，27］.通常太湖葉綠素a濃度春、夏季要比秋、冬季高［28］;夏季由于藻類具有明顯的優(yōu)勢種群，葉綠素a濃度較大，浮游植物色素吸收系數(shù)最大;到了秋季，藻類密度出現(xiàn)下降，非藻類顆粒物成為影響水體光學(xué)特性的重要影響因子.另外，由于太湖中CDOM主要來源于藻類死亡降解［29］，ag在夏、秋季都具有一定貢獻(xiàn).

對于巢湖，主導(dǎo)類型ad-aph-ag在秋季(10月份)占據(jù)絕對主導(dǎo)，其所占比例為81.82%.巢湖夏、秋季水體葉綠素的濃度沒有太大變化，維持在一個較高的水平［30］.因此，與太湖相比，巢湖在秋季水體的物質(zhì)組成變化不大，主導(dǎo)類型較為單一，形成以ad-aph-ag為主、ad-ag為輔的格局.需要說明的是，太湖、巢湖所有水華樣點由于浮游植物色素濃度過高，aph占絕對主導(dǎo)，沒有包含在本研究中.

表3 長江中下游大型湖泊主導(dǎo)類型分類結(jié)果Tab.3 The dominant-type classification of large lakes in the middle-lower reaches of Yangtze River

同一湖泊在不同季節(jié)有較大差異，事實上，同一季節(jié)不同湖泊也有較大差別.在秋季，鄱陽湖為ad單一主導(dǎo)類型，太湖為 ad-ag共同主導(dǎo)，巢湖由ad-aph-ag共同主導(dǎo).3個湖泊秋季的主導(dǎo)類型均以一種主導(dǎo)類型為主，其他主導(dǎo)類型比例較小;而鄱陽湖與太湖主導(dǎo)類型相似，都與ad相關(guān);巢湖秋季藻類仍有較大貢獻(xiàn).而在夏季，鄱陽湖與太湖具有十分明顯的區(qū)別:鄱陽湖以懸浮泥沙為主，包含ad、ad-ag2種主導(dǎo)類型;太湖由于富營養(yǎng)化嚴(yán)重，藻類密度較大，占據(jù)主導(dǎo)地位的是ad-aph-ag和ad-aph類型.

總體來說，不同湖泊不同季節(jié)，懸浮泥沙對于水體吸收具有重要影響，特別是鄱陽湖，完全以懸浮泥沙為主導(dǎo);而對于富營養(yǎng)化湖泊——太湖和巢湖，浮游植物色素的吸收作用不容忽略，特別是在夏季發(fā)揮了重要作用.事實上，由于ad、ag光譜具有相似的形狀，可都用冪函數(shù)模擬，因此本研究將 ad、ag和ad-ag主導(dǎo)的類型歸納為一個類型，命名為ad-g類型;該類型主要存在于鄱陽湖夏、秋兩季以及太湖秋季.另外，aph光譜曲線與ad和ag光譜曲線差別較大，因此將其它幾種類型，包括ad-aph和ad-ag-aph等，統(tǒng)一歸納命名為aph-related類型;該類型主要存在于太湖夏季和巢湖秋季(表3).

2.2 不同主導(dǎo)類型下的吸收系數(shù)

2.2.1 ad-g類型 ad-g類型包含3種不同的主導(dǎo)類型，即ad、ag和ad-ag，根據(jù)前文主導(dǎo)類型的劃分方法可將這3種不同主導(dǎo)類型所包含的有效樣點進(jìn)行區(qū)分，然后分別對這些樣點3大組分的吸收系數(shù)求平均值即可得不同主導(dǎo)類型下的吸收曲線(圖2a、b、c)，圖2d為所有這3種主導(dǎo)類型的平均值.ad主導(dǎo)類型中(圖2a)，ad曲線顯著高于其它兩種(aph、ag)吸收曲線，而且ad(442)變化范圍和均值都很大(表4).ag主導(dǎo)類型中(圖2b)，3種物質(zhì)吸收系數(shù)差異不是很大，整體偏低，顆粒物物含量較少;但是不同顆粒物曲線較易區(qū)分，特別是ag曲線最高，顯著不同于其它類型水體.這種水體多是由藻華死亡分解形成“湖泛”，因而釋放大量的CDOM，顏色通常發(fā)黑.ad-ag類型中(圖2c)，3種物質(zhì)吸收系數(shù)與前兩種主導(dǎo)類型又有著較大的區(qū)別，基本呈現(xiàn)ad(442)＞ag(442)＞aph(442)的分布形式(表4)，這種水體通常處于藻類分解后期，葉綠素a逐步分解為黃色物質(zhì).

圖2 ad-g類型平均吸收系數(shù)曲線:(a)ad;(b)ag;(c)ad-ag;(d)ad-gFig.2 The average absorption coefficient spectra of ad-gdominant-type:(a)ad;(b)ag;(c)ad-ag;(d)ad-g

2.2.2 aph-related類型 aph-related類型包含2種不同的主導(dǎo)類型，即ad-aph-ag和ad-aph，與圖2數(shù)據(jù)源獲取方法一致，參照前文主導(dǎo)類型的劃分方法可將這2種不同主導(dǎo)類型所包含的有效樣點進(jìn)行區(qū)分，然后分別對這些樣點三大組分的吸收系數(shù)求平均值即可得其平均吸收曲線(圖3a、b)，圖3c為主導(dǎo)類型ad-aph-ag和ad-aph的平均值.aph-related類型中aph曲線雖然普遍仍小于ad，但不同于ad-g類型，aph曲線高于ag(圖3).特別是不同于ad-g類型，aph-related類型曲線在667nm附近具有明顯的峰值(圖3c)，由于受其它因素影響較小，葉綠素a濃度的反演模型精度通常會較高.另外，ad-aph-ag主導(dǎo)類型的ad雖然總體光譜曲線數(shù)值要小于主導(dǎo)類型ad-aph的，但是ad(442)均值與其變化范圍兩者基本一致，說明ad-aph主導(dǎo)類型ad曲線斜率(Sd)較大.

2.3 常用模型適用性評價

針對Ⅱ類水體葉綠素濃度的反演，目前精度較高，最為常用的是Gons兩波段和Gitelson的三波段算法［31-32］.但由于這兩個模型都有假設(shè)前提條件，特別是對水體吸收特性有特殊的要求，因此，需要針對特定水體分析模型的適用性，才能保證模型精度.

Gons模型有關(guān)吸收的假設(shè)主要有以下3個:(1)a(709)≈aw(709);(2)a(665)≈aph(665)+aw(665)，即忽略CDOM和非藻類顆粒物在665 nm的吸收(ad+g(665));(3)浮游植物色素比吸收系數(shù)在指定波長處是一個常數(shù)，即a*ph(665)假設(shè)為常數(shù).其中，假設(shè)條件(1)由于分光光度計700 nm以后信噪比較差，吸收基本上沒有數(shù)值，因此可以認(rèn)為滿足條件;但對于假設(shè)條件(2)和(3)，則需要進(jìn)一步研究和驗證.利用實測數(shù)據(jù)針對Gons模型假設(shè)條件計算獲得的數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)(表5):①不同主導(dǎo)類型水體ad+g(665)的吸收都有一定的數(shù)值，與假設(shè)條件不符，會引起模型的誤差;② 特別是ad-g相關(guān)主導(dǎo)類型中，ad+g(665)在總吸收系數(shù)a(665)中的比例占30%～40%，很難被忽略(除了ag類型外，但由于樣點較少，沒有代表性)，誤差較大;③aph-related相關(guān)類型中，ad+g(665)占總吸收系數(shù)比例通常在25%以下，可以近似認(rèn)為滿足Gons模型假設(shè)條件，但也會造成一定誤差;④對于比吸收系數(shù)a*ph(665)，ad-g不同主導(dǎo)類型在 0.0095 ～0.0376 m2/mg之間，與模型默認(rèn)值0.0161 m2/mg差別較大［33］;而aph-related類型與默認(rèn)值類似.

表4 不同主導(dǎo)類型下水體組分的吸收系數(shù)及濃度的描述性統(tǒng)計Tab.4 Descriptive statistics of absorption coefficients and concentrations of water components at different dominant-types

圖3 aph-related類型平均吸收曲線:(a)ad-aph-ag;(b)ad-aph;(c)aph-relatedFig.3 Absorption spectra of aph-related dominant-type:(a)ad-aph-ag;(b)ad-aph;(c)aph-related

基于Gordon經(jīng)典模型［34］，Gitelson提出的針對渾濁水體的三波段模型［32］，被廣泛使用;該模型有關(guān)吸收的主要假設(shè)條件為:(1)a(λ3)≈aw(λ3);(2)ad(λ1)+ag(λ1)≈ad(λ2)+ag(λ2);(3)aph(λ1)?aph(λ2).針對MERIS數(shù)據(jù)，其三個波段分別為665、709和753 nm.類似于Gons模型第一假設(shè)條件，Gitelson模型假設(shè)條件(1)可以認(rèn)為已經(jīng)滿足.而對于假設(shè)條件(2)，由于涉及到709 nm，本文在實際觀測中沒有此數(shù)值，由于可根據(jù)前文主導(dǎo)類型的劃分方法將每種主導(dǎo)類型所包含的有效樣點進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)而可得這些樣點的ad和ag值，因此可以利用650～700 nm的ad+ag曲線(圖4)來判斷條件是否滿足.由于非色素顆粒物和CDOM吸收都可以用冪函數(shù)模擬，呈逐漸遞減趨勢，且665、700 nm的ad+ag差異較大;因此，可以判斷該假設(shè)條件無法完全滿足，將在模型中引起誤差.而對于假設(shè)條件(3)，ad-g相關(guān)主導(dǎo)類型相對較難滿足該條件，二者差異較小(圖2);而aph-related主導(dǎo)類型由于aph在其中起到部分主導(dǎo)作用，更趨于滿足條件.

表5 不同主導(dǎo)類型下Gons模型假設(shè)條件的響應(yīng)Tab.5 The response of different dominant-types on the assumptions of the Gons model

3 結(jié)論

1)秋季鄱陽湖、太湖和巢湖水體(10月份)的主導(dǎo)類型相對單一，以一種主導(dǎo)類型為主，分別為ad、ad-ag和ad-aph-ag;夏季鄱陽湖和太湖差別較大，雖同為兩種類型共同主導(dǎo)，但前者主導(dǎo)類型為 ad、ad-ag，后者為 ad-aph-ag、adaph.

2)引入 ad-g類型對主導(dǎo)類型 ad、ag、ad-ag，aph-related類型對 ad-aph-ag、ad-aph進(jìn)行歸納合并，發(fā)現(xiàn)ad-g類型主要存在于鄱陽湖夏、秋季和太湖秋季，aph-related類型主要存在于太湖夏季和巢湖秋季.

3)相對于Gons和Gitelson模型的假設(shè)條件，不同湖泊水體和不同主導(dǎo)類型適用性不一致;aph-related主導(dǎo)的水體更趨于滿足假設(shè)條件，而ad-g主導(dǎo)類型將會產(chǎn)生較大的誤差.

總體來說，Ⅱ類水體葉綠素a遙感的核心仍是如何去除高懸浮物的影響.事實上，由于ad-g主導(dǎo)類型水體的廣泛存在，因此，下一步的工作重點應(yīng)針對該類水體吸收特性，設(shè)計更為有效的模型，推動Ⅱ類水體水色遙感研究的發(fā)展.

圖4 不同主導(dǎo)類型下ad+agFig.4 ad+agof different dominant-types

致謝:感謝中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所“湖泊-流域科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺”提供數(shù)據(jù).在實驗過程中得到了姜廣甲、饒家旺、趙晨露、王澤人、尚琳琳、周琳、呂春光、邢永超、肖凱、齊琳、項文華、林珊等人的幫助，在此一并感謝.

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