王浩宏，劉大召,2*

（1. 廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2. 南海資源大數(shù)據(jù)中心 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)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(shè)強(qiáng)大的海洋國家奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在我國，北部灣具備很大的發(fā)展?jié)摿?，有?yōu)質(zhì)的良港和豐富的資源[1]。同時，由于獨(dú)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(yùn)貨物的重要出海航道，具有產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)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(zhì)漁場之一[3]。進(jìn)入21 世紀(jì)后，在國家戰(zhàn)略指導(dǎo)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(guān)鍵的作用。后向散射系數(shù)的測量與剖析是光學(xué)測量與分析的要素，它的大小與水中各成分的濃度有關(guān)，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(xué)特征。此外，根據(jù)顆粒物與散射的經(jīng)典基礎(chǔ)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(zhì)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(guān)系能夠更好地分析海水光學(xué)性質(zhì)。研究水體的后向散射特性在海洋光學(xué)研究遙感監(jiān)測和水色成分的海洋生物地球化學(xué)領(lǐng)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(jìn)的前提下，國內(nèi)外有很多學(xué)者對后向散射系數(shù)進(jìn)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(jì)模型[8]；湛江灣后向散射系數(shù)在空間上的分布[9]等。國內(nèi)學(xué)者關(guān)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(diào)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(zhì)量濃度和葉綠素質(zhì)量濃度兩者分別與后向散射系數(shù)之間的相關(guān)性，探討他們之間的關(guān)系的強(qiáng)弱，為進(jìn)一步深入探討北部灣海域水體的固有光學(xué)特性提供基礎(chǔ)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(diào)查總共設(shè)有41 個站位點(diǎn)（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(shè)有5 個站位點(diǎn)，靠近海南島北部海域的斷面設(shè)有3 個站位點(diǎn)，而在這2 個斷面之間的其余5 個斷面分別設(shè)有6 至7 個站位點(diǎn)。站位點(diǎn)的設(shè)置主要考慮能夠盡量地對北部灣海域?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)狀式的海上調(diào)查，增加可信度。出海調(diào)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(shí)的數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)域與站位設(shè)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(jìn)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(shù)的發(fā)展，技術(shù)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(jìn)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(jì)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(jìn)行了測量，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)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(diǎn)。hydroscat-6p 包含6 個獨(dú)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(dú)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(jié)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(dá)該站位點(diǎn)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(jié)果與分析

3.1 后向散射系數(shù)的統(tǒng)計(jì)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(jì)值，可較為明顯地看出，每個通道之間都有很強(qiáng)的相關(guān)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(guān)系數(shù)分別為：0.973 0，0.981 0，0.966 0，0.904 5 和0.848 6。相關(guān)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(guān)系數(shù)分別為：0.973 2，0.983 2，0.944 0，0.907 8 和 0.870 0。相關(guān)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(jì)值

表2 冬季后向散射系數(shù)的統(tǒng)計(jì)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。可以明顯地看出，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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)記錄確認(rèn)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(diǎn)。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(diǎn)，冬季數(shù)值集中在0.1 m-1的站位點(diǎn)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(nèi)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(yīng)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(diǎn)所測得的后向散射系數(shù)數(shù)值較遠(yuǎn)離岸邊的區(qū)域高。

3.3 后向散射系數(shù)光譜模型

國內(nèi)外許多學(xué)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(jié)果一致證實(shí)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(guān)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(jì)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(jìn)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(jìn)行兩者之間的冪函數(shù)擬合。

結(jié)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(yuǎn)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?yàn)樯舷陆缦?，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(fēng)季風(fēng)的影響，但在密度梯度為主導(dǎo)因素的情況下形成逆時針環(huán)流[33]，在冬季時，季風(fēng)則成為環(huán)流方向的主導(dǎo)因素，在東、東北季風(fēng)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(zhì)受潮汐影響[35]與海流作用下經(jīng)瓊州海峽擴(kuò)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(zhì)通過瓊州海峽的速度較夏季快而且物質(zhì)的擴(kuò)散范圍比夏季大[37]，因此對應(yīng)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(guān)。

3.5 后向散射系數(shù)與懸浮泥沙濃度和葉綠素濃度的關(guān)系

圖8 后向散射系數(shù)與懸浮泥沙質(zhì)量濃度的關(guān)系

圖9 后向散射系數(shù)與葉綠素質(zhì)量濃度的關(guān)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(zhì)量濃度、葉綠素質(zhì)量濃度的關(guān)系，可以明顯看出后向散射系數(shù)與懸浮泥沙質(zhì)量濃度兩者之間的存在較為強(qiáng)的相關(guān)性，而且相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.69。然而，后向散射系數(shù)與葉綠素質(zhì)量濃度之間則存在較弱的相關(guān)性，相關(guān)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(zhì)量濃度的影響，而葉綠素質(zhì)量濃度對其影響不大，結(jié)果與太湖及黃、東海等類似[10-11,39-40]。

4 結(jié)論

本文利用在2017 年冬季和2018 年夏季在北部灣海域出海調(diào)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(jié)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(yuǎn)離海岸的區(qū)域，后向散射系數(shù)在0.1 m-1以內(nèi)。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(zhì)量濃度和后向散射系數(shù)之間存在較好的相關(guān)性，二者的相關(guān)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(zhì)量濃度的遙感模型，進(jìn)行水色遙感反演等研究。