北部灣后向散射系數(shù)的時空分布與變化分析

王浩宏，劉大召,2*

（1. 廣東海洋大學 電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088；2. 南海資源大數(shù)據(jù)中心 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江），廣東 湛江 524002）

我國海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展正處于有史以來的最佳時期，為我國建設強大的海洋國家奠定了堅實的基礎。在我國，北部灣具備很大的發(fā)展?jié)摿?，有?yōu)質的良港和豐富的資源[1]。同時，由于獨特的地理位置，北部灣成為中國華南地區(qū)乃至大西南航運貨物的重要出海航道，具有產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益的潛力[2]。此外，廣西大量入海徑流為北部灣提供豐富的營養(yǎng)成分，推動其成為我國重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地和優(yōu)質漁場之一[3]。進入21 世紀后，在國家戰(zhàn)略指導下，北部灣區(qū)域迅速發(fā)展，但伴隨而來的，其海洋生態(tài)環(huán)境方面所承受的挑戰(zhàn)日益增大[4]。

在水色遙感反演中，后向散射系數(shù)起著非常關鍵的作用。后向散射系數(shù)的測量與剖析是光學測量與分析的要素，它的大小與水中各成分的濃度有關，可以直接反映水體成分的變化，通過對后向散射系數(shù)的研究可揭示水體的光學特征。此外，根據(jù)顆粒物與散射的經(jīng)典基礎理論之一的Mie 散射理論，水體中懸浮顆粒物包括浮游植物和泥沙類等對海水中后向散射性質有較大的影響[5]。因此，探討懸浮顆粒物中各成分與后向散射特性之間的關系能夠更好地分析海水光學性質。研究水體的后向散射特性在海洋光學研究遙感監(jiān)測和水色成分的海洋生物地球化學領域具備重要的價值和意義?？v觀全球，在現(xiàn)場獲取后向散射系數(shù)方法越發(fā)先進的前提下，國內外有很多學者對后向散射系數(shù)進行了研究和討論，包括：浮游植物的后向散射特性模型[6]；懸浮顆粒物對海洋水體后向散射系數(shù)特性影響[7]；黃海、東海后向散射系數(shù)統(tǒng)計模型[8]；湛江灣后向散射系數(shù)在空間上的分布[9]等。國內學者關于太湖[10-11]與鄱陽湖[12]后向散射系數(shù)的研究也比較多。

本文利用2017 年冬季和2018 年夏季出海調查北部灣海域獲取的數(shù)據(jù)，分析對比冬、夏兩季的變化和差異，探討北部灣海域的后向散射系數(shù)的時空分布隨季節(jié)的變化規(guī)律，剖析懸浮泥沙質量濃度和葉綠素質量濃度兩者分別與后向散射系數(shù)之間的相關性，探討他們之間的關系的強弱，為進一步深入探討北部灣海域水體的固有光學特性提供基礎研究。

1 研究范圍與時間

針對北部灣海域的自然地理環(huán)境特征，海上調查總共設有41 個站位點（圖1），分為7 個斷面。由圖1 可知，靠近廣西壯族自治區(qū)防城港市和北海市海域的斷面設有5 個站位點，靠近海南島北部海域的斷面設有3 個站位點，而在這2 個斷面之間的其余5 個斷面分別設有6 至7 個站位點。站位點的設置主要考慮能夠盡量地對北部灣海域實現(xiàn)網(wǎng)狀式的海上調查，增加可信度。出海調查時間上分別為2017年冬季和2018 年夏季出海航次，為深入研究北部灣后向散射系數(shù)的空間分布提供了詳實的數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)域與站位設置

2 數(shù)據(jù)的測量與獲取

常見的后向散射系數(shù)測量方法有直接獲取法和間接獲取法。直接獲取法是使用后向散射系數(shù)測量儀器進行測量。隨著研究人員對后向散射特性的深入研究的以及現(xiàn)代化測量技術的發(fā)展，技術趨于成熟，測量后向散射系數(shù)的儀器也越來越多，目前，主要通過后向散射系數(shù)測量儀對水體后向散射系數(shù)進行現(xiàn)場測量[13]；間接獲取法是利用比較容易測量的吸收系數(shù)和水面光譜的水體散射相函數(shù)計算得出的，可反演水體中懸浮顆粒物后向散射系數(shù)[14]。

本次研究在船舶現(xiàn)場對海水的后向散射系數(shù)進行了測量，在實驗室內進行懸浮泥沙濃度、葉綠素濃度等數(shù)據(jù)的測量與處理[9]。后向散射系數(shù)的測量采用HOBI Labs 公司的hydroscat-6p 儀器。本儀器具備完好的嵌入式的控制單元，數(shù)據(jù)存儲單元以及可再充電電池，具有體積小、使用方便等特點。hydroscat-6p 包含6 個獨立的通道（每個通道的中心波長分別為 420 nm，442 nm，470 nm，510 nm，590 nm 和700 nm）。此外，各個通道都有各自的光源和光接收裝置。而對于每個通道波段的光源來說，都能產(chǎn)生獨特的光并射入水中，同時，被水體散射的部分光就會被光接收裝置所接收[15]。

為防止海表不確定要素對研究結果的影響，這次研究所采用的后向散射數(shù)據(jù)取儀器在下水至到達該站位點的最大深度所測得的數(shù)據(jù)，再去除掉深度小于0.5 m 的數(shù)值，然后取其均值代表海洋表層水體的后向散射系數(shù)。

3 結果與分析

3.1 后向散射系數(shù)的統(tǒng)計值

表1 和表2 分別為北部灣夏季和冬季的后向散射系數(shù)的統(tǒng)計值，可較為明顯地看出，每個通道之間都有很強的相關性。

在夏季時，參考通道波長470 nm 和其余剩下通道波長 420 nm，442 nm，510 nm，590 nm 和 700 nm 之間相關系數(shù)分別為：0.973 0，0.981 0，0.966 0，0.904 5 和0.848 6。相關系數(shù)最小值為0.848 6，平均值為0.942 7。同理可得冬季的相關系數(shù)分別為：0.973 2，0.983 2，0.944 0，0.907 8 和 0.870 0。相關系數(shù)的最小值為0.870 0，平均值為0.935 6。相對來說，夏季時的后向散射系數(shù)平均值和最大值均比冬季時要高。

表1 夏季后向散射系數(shù)的統(tǒng)計值

表2 冬季后向散射系數(shù)的統(tǒng)計值

3.2 后向散射系數(shù)的光譜曲線

圖2 和圖3 分別為北部灣6 個波段通道，在夏季和冬季時的后向散射系數(shù)光譜曲線圖?？梢悦黠@地看出，夏季后向散射系數(shù)的最大值比冬季大，總體而言，大多數(shù)站位點的后向散射系數(shù)值都相對較低，均小于0.15 m-1，數(shù)值大部分集中在0.1 m-1左右和0.05 m-1以下，只有少數(shù)站位點的數(shù)值在0.15 m-1以上。圖中光譜線條較為平緩，但整體上后向散射系數(shù)隨著波長的增加呈減少趨勢，其中，明顯以第3通道處（中心波長為470 nm）為最大峰值。而經(jīng)過查找站位點記錄確認圖2 和圖3 中后向散射系數(shù)值高于0.15 m-1的曲線均為距離岸邊較近的站位點。冬夏季對比來看，夏季的后向散射系數(shù)最高值比冬季大且都為同一站位點，冬季數(shù)值集中在0.1 m-1的站位點比夏季多。

圖2 北部灣海域夏季表層水體后向散射系數(shù)光譜曲線

圖3 北部灣海域冬季表層水體后向散射系數(shù)光譜曲線

北部灣大范圍存在明顯的全日潮和不正規(guī)全日潮[16]，其中在北部以全日潮為主，在東部為不正規(guī)全日潮[17]。不管在漲潮或者落潮的時候，海底淺灘泥沙都會被掀起，這直接引致水體中懸浮泥沙含量的急劇增大，懸浮顆粒物濃度會在短時間內有一定幅度的上升。由于北部灣海洋潮汐洋流動力明顯，潮余流等水體擾動引發(fā)海水中懸浮顆粒物的成分發(fā)生劇烈的變化[16]。同時，海水中的懸浮顆粒物對光線的折射也相應地變得極其不穩(wěn)定，從而造成后向散射系數(shù)比較大[18]。因此，靠近岸邊的區(qū)域其站位點所測得的后向散射系數(shù)數(shù)值較遠離岸邊的區(qū)域高。

3.3 后向散射系數(shù)光譜模型

國內外許多學者模擬了不同地方懸浮顆粒物后向散射系數(shù)的光譜特性并建立不同的光譜模型，研究結果一致證實懸浮顆粒物后向散射系數(shù)的光譜模型滿足如下指數(shù)關系[19-23]，如式（1）所示：

式中：λ0是參考波長，bb(λ)是所需要通過計算獲取的波長的后向散射系數(shù)，bb(λ0)是參考通道波長的后向散射系數(shù)，n是波長指數(shù)。

本次研究選擇中心波長為470 nm 的通道作為數(shù)據(jù)分析時的參考通道，剩余通道的后向散射系數(shù)采用式（2）與參考通道的后向散射系數(shù)進行線性擬合，然后再利用波長之間的比值與通過線性擬合之后所得出的的系數(shù)A，進行兩者之間的冪函數(shù)擬合。

結果如圖4 和圖5 所示。最后，得到了北部灣夏季和冬季后向散射系數(shù)光譜模型，如式（3）和式（4）所示：

圖4 北部灣海域夏季后向散射系數(shù)光譜曲線

圖5 北部灣海域冬季后向散射系數(shù)光譜曲線

北部灣的夏冬兩季后向散射系數(shù)的波長指數(shù)分別為0.28 和0.24，和黃、東海的波長指數(shù)為1.54相比差距較大，而懸浮顆粒物中各成分濃度大小對后向散射系數(shù)有著不可忽視的重要影響，北部灣海域的懸浮泥沙濃度分布與黃、東海[24-28]的類似，都表現(xiàn)為近岸高、遠岸低，懸浮顆粒物粒子直徑隨著深度的增大而增大等，但從整體上看，北部灣水體的總懸浮物濃度（TSM）比黃、東海的要低[29-31]，兩者的后向散射系數(shù)波長指數(shù)的差異可能是由于水中懸浮顆粒的組成不同所致[22]。

3.4 后向散射系數(shù)的空間分布

圖6 和圖7 分別為北部灣海域夏季和冬季后向散射系數(shù)的空間分布，可以看出，高值區(qū)域主要出現(xiàn)在沿海海域, 防城港市以及海南島北部海域為上下界限，在中間連接著潿洲島，其中以北海市與雷州半島圍成的三角形海域的特征最為顯著，直到北部灣中部海域，數(shù)值才呈現(xiàn)了一定程度的下降，等值線的疏密間接映射了后向散射系數(shù)的變化速率。等值線越集中，后向散射系數(shù)變化速率越快，反之亦然。

圖6 北部灣海域夏季后向散射系數(shù)的空間分布

圖7 北部灣海域冬季后向散射系數(shù)的空間分布

從整體上看形成了沿著海岸高值分布的后向散射系數(shù)分布圖。由于經(jīng)過長期的觀察與分析，海洋環(huán)流在北部灣海域終年為逆時針方向[32]，在夏季時北部灣雖然受到南和西南風季風的影響，但在密度梯度為主導因素的情況下形成逆時針環(huán)流[33]，在冬季時，季風則成為環(huán)流方向的主導因素，在東、東北季風的影響下，北部灣也同樣呈現(xiàn)出逆時針方向的環(huán)流。除此之外，瓊州海峽處海流方向全年基本上為由東向西流動[34]，懸浮物質受潮汐影響[35]與海流作用下經(jīng)瓊州海峽擴散到北部灣，并隨著環(huán)流往北部灣東北部輸送[36]，從而形成了高值區(qū)域。由于冬季物質通過瓊州海峽的速度較夏季快而且物質的擴散范圍比夏季大[37]，因此對應圖中北部灣冬季后向散射系數(shù)大于0.1 m-1的范圍比夏季的大。北部灣后向散射系數(shù)分布特征與濁度和葉綠素[26]分布類似，濁度可以反映懸浮顆粒物濃度變化，浮游植物和泥沙類懸浮物是海水懸浮顆粒物的主要組成部分，而且葉綠素濃度可以反映浮游植物豐度[38]，因此，推測后向散射系數(shù)的大小與該區(qū)域葉綠素以及懸浮泥沙濃度大小有關。

3.5 后向散射系數(shù)與懸浮泥沙濃度和葉綠素濃度的關系

圖8 后向散射系數(shù)與懸浮泥沙質量濃度的關系

圖9 后向散射系數(shù)與葉綠素質量濃度的關系

以夏季為例，圖8 和圖9 分別為北部灣夏季后向散射系數(shù)與懸浮泥沙質量濃度、葉綠素質量濃度的關系，可以明顯看出后向散射系數(shù)與懸浮泥沙質量濃度兩者之間的存在較為強的相關性，而且相關系數(shù)的平方R2=0.69。然而，后向散射系數(shù)與葉綠素質量濃度之間則存在較弱的相關性，相關系數(shù)的平方R2=0.40。研究表明北部灣研究區(qū)域水體后向散射系數(shù)主要受海水中懸浮泥沙質量濃度的影響，而葉綠素質量濃度對其影響不大，結果與太湖及黃、東海等類似[10-11,39-40]。

4 結論

本文利用在2017 年冬季和2018 年夏季在北部灣海域出海調查所獲取的后向散射數(shù)據(jù)、懸浮泥沙以及葉綠素等數(shù)據(jù), 研究冬夏兩季北部灣海域的后向散射系數(shù)的時間與空間分布的變化差異，通過分析后向散射系數(shù)的變化，建立了北部灣海域的后向散射系數(shù)的光譜模型。結論如下：

（1）后向散射系數(shù)冬夏季光譜曲線整體上較為平緩，夏季后向散射系數(shù)最大值和平均值都比冬季時要高，冬季時波長指數(shù)為0.24，夏季時波長指數(shù)為0.28。

（2）后向散射系數(shù)在高值區(qū)域沿岸分布，數(shù)值在0.1 m-1以上，而對于遠離海岸的區(qū)域，后向散射系數(shù)在0.1 m-1以內。高值區(qū)域的范圍以防城港市、北海市、潿洲島為邊界線，并且向下延伸至海南島西北部，其中以北海市和雷州半島沿岸海域最為明顯。在冬夏兩季的分布上，冬季時后向散射系數(shù)平均值維持在0.05～0.06 m-1之間，而夏季時則維持在0.05～0.07 m-1之間。

（3）懸浮泥沙質量濃度和后向散射系數(shù)之間存在較好的相關性，二者的相關系數(shù)的平方R2=0.69，能夠利用后向散射系數(shù)建立其與懸浮泥沙質量濃度的遙感模型，進行水色遙感反演等研究。