太阳高度角对太湖水体真光层深度变化的影响分析

太阳高度角对太湖水体真光层深度变化的影响分析

中国环境科学

2 1,11) 60 1 9 0 3 (0:19￣ 6 6 1

C ia n i n na c ne h E vr metl i c n o S e

太阳高度角对太湖水体真光层深度变化的影响分析邱辉赵巧华，勇，,孙德朱伟军陶蓉茵。吴钟姜雨薇季春华。1,,钱，, (.南京信息工程大学大气科学学院，苏南京 2 0 4;2南京信息工程大学遥感学院，江 10 4 .江苏南京 2 0 4 ) 10 4

摘要：在假定水体表面为镜面、水体中无内光源、无非弹性散射的前提下，过 Ki通 r k的辐射传输理论，究了太湖水体中不同的太阳高度研角对真光层深度变化的影响 .果表明，系数与吸收系数的￣(/)的大小是决定太阳高度角对真光层深度影响的关键因子，a l时，结散射 Lba值 b￣5 /

太阳高度角对真光层深度的影响较小，可以忽略 .基本针对秋季太湖区域而言，短波段(0￣ 4n )/在较 4 0 50 m ba的值在整个湖区均较小，时要考此虑太阳高度角对真光层深度的影响；长波段(4￣ 0n )ba的值在整个湖区均较大，以不考虑太阳高度角对真光层深度的影响 .在较 50 70 m,/可 关键词：真光层深度；太阳高度角；太湖水体中图分类号：X12 2文献标识码：A 文章编号：10—9 32 1)0 19—7 0 06 2 (011-6 00

An ls nte f c fh lratu e n ls Ute u h t et a eT iu Q U Hu￣ HA Qi -u z a io et e oa ltd ge p oi dp hi L k ah . I iZ O a h a’ ys he ot s i a O he c n, o,SUN De yo 2 - ng,

Z U iu AO R n -i,Q A Ha.h n I NG Y . i IC u -u 2 1 ol e o H Wejn,T o gyn - 2 I N ozo g,J A uwe,J h nh a (. l g f: C e

A mop ei S i c, nigU iesyo Ifr t nS ineadT cn lg, aj g2 0 4, hn;2C l g f t sh r c n eNaj nvri fnoma o cec n ehoo y N i 104 C ia .ol e c e n t i n n e o R moe S nig e t es,Naj g n

vri f Ifr t n cec n eh oo,Naj g 2 0 4 hn ) hn n ni U i s o nomai S i e a d T cn lg n e t y o n y n i 1 0,C ia.C ia n 4E vrn etl c n e2 1,l1) 19- 6 6 ni m na S i c, 0 1 (0: 6 0 1 9 o e 3Absr c: I e c n e t f r’ r d ai eta s e e r n e e a s mp i n t a ro l' c t r o u a a t a t n t o tx k S a i t n f rt o y u d rt s u to h t mi rS la e wa e l n h s h o Ki v r h h a r L f c n

1 tm a g t o r e a d e a t c t rn, l i v si a in Wa o d ce n t e e e t ft es lrat u e a g e n 1 i e l i h u c n l i s at i g a e t t s c n u td o f c o a l t d n lso 0n l s sc e ln g o h o h i

h et o ep oi l e a ae E ie cs o dtt h i o a ei bop o ofcet/) ted p f u h t y r nT iuL k . vdn e hwe a tert f ct r gt asrt ncef in ba h ca i h s h ao s n o i i s(Wa ek y f co ee i et ee t n ft ea o ee e t wh c u d b malra d e e en g e td i e r t s t e a t r o d t r n h x e to b v f c, ih wo l e s l v n b e lce t a o h t m h en f h i

(/) ece o 5o re ba rahdt 1 rag￣Aso teatmnsao,u e ath te a o(/) s l i l s l r 1 gri l rh u s n d e t c ta h t b Wa r a v y mal ( re) f u e o t hf t ri a e te e a n teete aete oa ltd ge f c so l b knit cu ti oe )n h ot ae( n - a e bn f h i ,h l a i e n le eth ud ea e o c o ( n rd i es r

w v 1 gw v) a d n rl k s r tu a t n a n g t h - o o4 0 5 0m (4 - 0n . 0 - 4 n 5 0 7 0 m)K e r s e p o i e t; s lr l t d g e; wae e y o La eT iu ywo d: u h t d p h c o a t u ea l s ai n tr d f k ah b

水体真光层深度定义为水柱中支持净初级的浑浊二类水体，层深度很大程度上受制于真光其 1.生产力的水体部分，部临界深度，柱的日非色素颗粒物浓度，次才是叶绿素浓度”针其底即水 净初级生产力为零值的深度[.光层深度直接对一类大洋水体，文熙等【研究表明， 1真 1曹 6 J真光层深而影响着水体中浮游植物分布、初级生产力及水体度不仅与水体叶绿素浓度有关，且与入射光的生态系统变化，水生态系统研究中的一个重要光场分布有关.是 参数【.光层深度一方面取决于水体中各类物 2真]不同的水体真光层深度差异显著，在清洁的质对光的衰减，同时还与到达水表面的光强有关，海洋中，光层深度可以达到 10以上， 真 0m而在浑 m.为了研究的方便和规范化，多数研究者将辐照浊的内陆水体有时则只有几十 c太湖是典型大水度为水表面辐照度 1%的深度定义为真光层深的混浊富营养化湖泊水体。体在物质组成上和度 l.体真光层深度与水质参数(:明度、叶组分浓度大小上都与海洋水体差异明显 .对混 水如透针绿素、悬浮物浓度等)间存在很好的统计关系，之 例如在大洋水体中，光层深度与叶绿素浓度之基金项目：自然科学基金资助项目(17 00 0 018;真国家 40 17, 7 16) 4国家科间有很好的相关，往通过计算叶绿素浓度来反技重大专项 (09 X0 1 103往 2 0Z 70— 11演真光层深度[6而对于以非色素颗粒物主导责任作者，教授，hho us. uc 41 -,副 q za@ni e . td n收稿日期：2 1—2 1 0 0 1—4

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浊湖泊水体，体真光层深度受太阳高度变化的式中： ( )水 为校正后滤膜

上悬浮颗粒物的吸光影响研究仍鲜有报道 .研究利用数值实验方法度； ( )直接在仪器上测定的滤膜上颗粒物本 为研究太阳高度角的变化对真光层深度的定量影的吸光度减去 7 0 m波长处的吸光度 . 0n 吸收系数的计算[ l 1: 4响，探寻真光层深度与入射光场分布的关系，结并

合太湖地区实测数据对结果进行验证，得到太湖区域真光层深度与太阳高度角的关系，以期对太境变化研究起到一定的推动作用 . 1材料与方法 11采样时间及点位 .

.

() . 3 =23× 0

()

() 2

( 湖水体真光层的变化、下光场分布及水生态环式中：为光谱吸收系数；为沉积在滤膜上颗水粒物的有效面积： V为被过滤水样的体积 .12 2有色溶解有机质 ( DOM)谱吸收系 .. C光数的测定使用 02 p的滤膜过滤水样， .2, m提取出黄质，后将黄质水样放入 1 mx c的然 c 4m

再实 4~于 2 1年 1月 4 8日在太湖进行野外调查，比色皿中，利用分光光度计 (测波长 2 0 00 0￣ 0n￣量 M光共采集 3个样点数据，点分布如图 1示.样 8 0 m) 4 CDO的吸光度 .谱吸收系数 2样所采的计算为【: 期间风速较小，气晴好 .集水样带回实验室分天采析水体固有光学量，同时野外原位记录采样点的经纬度，定水温、风速、风向等辅助参数.测aD M()=23 3 D( )r CO .× 2/ 0 () 3 (D M( ) c o o 7 O 7 0 () o =a D M( )一( D M(0 ) 2/ 0 4

以式() 4进行散射校正. 式中：为吸光度； D(为光程路径， aD M 为 m; 0 ( c波长的未校正的吸收系数，; D M 2 m1a O () C为波长的吸收系数，I; D M 7 0为参考波长 7 0 m I a O (0 ) T C 0n处的吸收系数 . 13真光层深度的计算 .将辐照度为水表面辐照度 1%的深度视为真

光层深度，漫射衰减系数存在如下关系【 其与】:De( ) .0/ ( ) =46 5 Ka () 5

式中：为波长； 为真光层深度， () De() m:

为漫射衰减系数，I 1~. T漫射衰减系数 () 按式 ()算 1 6计：图 1太湖采样站点分布示意 F g 1 Ditiu i n o mp ig sa i n i. srb t f a l t s o s n t o

( )‘ +G( )( )( ) = _ ()【 口 6】O

1

() 6

式中： ( )漫射衰减系数；为水表面以下 为 12总悬浮物、黄质光谱吸收系数的测定 .太阳天顶角余弦； 为吸收系数； ( )散射 ( ) 6为 121总悬浮物光谱吸收系数的测定悬浮颗系数， p ) _. G( o为的线性函数，以表示为可粒物的吸收系数利用定量滤膜技术测定【 . 1首先 G P ) 1 o 2g、g到 ( o=g/—g,l 2可以看作是常数，里 1这用滤膜过滤一定量的水样，然后用 UV一 4 IC型 2 0P

紫外分光光度计测量过滤所得的滤膜的吸光度， 计算吸收系数.计算方法为：用 Ce e n利 l l d等 I] va 1 3提出的公式进行散射校正： Ds ) . 8 ( ) . 3 ( ) (=03 Df2+05 D2 7 2

g0 52.:1 ,劝太 14、 0 .、 (n)其= 2g 1 V .:9/ 一中阳天顶角， n为折射指数 . 将式 ()到式 ()得到真光层深度与吸 6代 5中，

()收、散射系数以及太阳高度角的定量关系 ( 1 为简

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单起见，式中省略波长 )公：l=

46 口+ 0 2￣2— . )b .%[ (. 5/ 01 a] 0 4 0 9

( 7 )

式中：口为总的吸收系数，散射系数.水的 b为湖衰减系数主要由纯水、黄色物质、色素和非色素

颗粒物的吸收和散射组成 .总吸收系数 a可因此表示为=t DM+a+av其中 a DM为黄质 2 O C。、, co的吸收系数，为总悬浮颗粒物的吸收系数， a为纯水的吸收系数 .系数 b等于湖水的衰减散射3 5

系数减去总的吸收系数.2结果与分析

3 0 2 5 2 0

要1 52 1太湖吸收光谱和散射光谱特征 . 从图 2可见， 1 a 2 0年 1 0 O月太湖实测 3 2个站点中大部分采样点的吸收系数 ()口同时

表现出1 0 5 0

藻类和非藻类颗粒物的吸收谱线特征， 66 m在 7n的吸收峰明显， 5 0m附近有吸收谷值，0~在 6n 40 5 0 m由于 C 0n DOM、非色素悬浮物及浮游植物叶绿素 a的吸收，水体的总吸收系数较高 l, l吸引收系数随波段呈指数衰减 .湖湖区 a值的空太间差异比较明显，除受浮游植物的影响外，与还

太湖较浅，风浪作用沉积物容易再悬浮的影受响有关 .由图 2 b可见，系数()散射 6的光谱近似为倾斜的直线，较短波长到较长波长呈逐渐下从降的趋势， 6 6 m附近出现较小的低谷，是在 7n这波长(m) i r

受到有机悬浮物强吸收的影响.由图 2可见，/ c ba的值在较长和较短波长时较小，其是在较短尤

图 2全湖 3 2个站点 a和 ba的光谱特征、b lF g 2 S e ta h r ce i iso, n / a h i . p cr l a a t rs c fa b a d b a i T i u c t nLa e k一

波段，与 a值在短波较大有关；大比值出现这最在 5 0 m附近，是太湖水体悬浮物的敏感波 8n这段，时也是叶绿素和胡萝卜素弱吸收区 .同

州一一

+一 23

+3

一-

十 45

一一

十 5

一一

十 6

1一

一

一

8一

一

1一 01~ 8

1 11

一一

1一 32 一

1一 421一

l 62 2

1一 7一~

6 6 m附近的谷值也非常很明显， 7n这是由于叶绿素在该波段附近的吸收作用较强，素颗粒物色的口值较大造成的.由于各站点水中颗粒物主导

2~ 3

2 一 2一一 6

27… 2 '一 9

3

31

3 2

从图 3中可以看到，a的值越小，阳高度 b/太时，阳高度角对真光层深度的影响较小.阳太太

因子类型不同，浮物浓度差异明显，成了太角对真光层深度的影响越大， ba的值大于 1悬造当/ 5湖水体中各参数的显著差异性 .22真光层深度与吸收、散射系数和太阳高度高度角在 1 lo 0 9。间变化时， .~ 0、7~ 0之各类 ba/角的理论关系值所对应的真光层深度变化相对较

小；阳高太根据式() a lm1,讨 ba在 0 2 7令= ( )探/~ 0之间度角在 1~ 0之间变化时，光层深度的变化 0 7o真

变化、太阳高度角从 l9。项角纵~ 0(天到 0)。时真光层深度的变化 .

8。 9变化比较大 .与的变化趋势基本一致 .这种这出现现象的原因是：当太阳高度角较小时，由于光的

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入射倾角较小，子行程较长，子发生散射的光光次数较多，因而漫射光比例比较大，子被吸收光

的概率较高，以太阳高度角变化时，垂直衰所光减的深度变化较小【太阳高度角较大时，接 l;光近于直射，太阳高度角变化时，的行程变化当光较小，的垂直衰减改变较小.光

) D一e

)一

1@一9一 4 0b l 2 .+ 1 ) a

可以看到，层深度随太阳高度角变化的真光增幅只与和 b/关.同的 ba时真光层深度 a有不/随太阳高度角变化的增幅如表 11 o (0时增幅的计算公式为： (0 ) D (o 2。— 1￣- D￣ 1);0时增幅的计算eu———

(。 1)g

_=

—

公式为： ! 2 !! :二；:其他类似).

(。 1)噬

从表 1中可以看到，于同样的太阳高度角，对 ba越小，层深度随太阳高度角的变化越大./真光 当太阳高度角从 1增加到 9。若不考虑散射。 0时，

系数真光层深度增加了 5.%; ba l光层 02若/=,真深度增加了 4 .若 b/ 1,光层深度增加 1%; 3 a= 0真图 3不同 ba时 D随太阳高度角的变化/F g- Va ito f u t e s l l t d n lsa i 3 rai n o Dewi t o a a t u e a g e t hh r i d fe e tb a i rn/

了 1%;/> 5时，光层深度的增幅小于 1%. 4 b 1 a真 0 当太阳高度角从 l变化到 1。从 7。。 O和 0变化到9。真光层深度的增幅较小，大不超过 4 0时，最%每

假定肋从变化到 6,则真光层深度的增 1。当太阳高度角在 1~ 0之间变化时，

光 0;而 0 7。真幅为：

层深度每 1。 0的增幅在 (%~ . . 5 86 %)表 1不同 ba时真光层深度的增幅( /%)T be1 Grw ho te undf rn a e f/%) a l o t fh i eet l a( De i v u ob

23太湖水体太阳高度角对真光层深度的影响 231实测 a . ._ 、b值大致相同、太阳高度角不同时真光层深度的差别选择太阳高度角不同、 分析太湖面积 2 3 . m2均水深 1 m, 3 81, k平 .最大水 b值大致相同的 3和 2 9 3两个点来看不同太阳 3 3点太阳高度深 26是一个典型的大型浅水湖泊 .湖是一高度角时真光层深度的差别.和 2 . m,该

个富营养化、水华频发的内陆水体，受风浪扰角分别为 5 .。 2 .3 .图 4可见，和 2其 1 2和 06。由 O 3 3点动影响较大，时不同季节水体组分构成和浓的吸收系数、散射系数以及两者的比值基本一同度差异明显，体光学特性复杂 .对秋季太湖致，点太阳高度角大于 2 差值为 3。右.水针 3 3点， 0左

水体，析了水体总的 ba值的空间分布，分/以及从真光层深度谱的变化上来看，点真光层深度 3不同太阳高度角时真光层深度的变化 . 整体上比 2 3点大，是在波长较短的波段两尤其

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者的差值明显，说明了当吸收系数和散射系数真光层深度对太阳高度角的依赖较大，较长波这在

大致相同的时候，太阳高度角越大真光层深度越段(4- 0n b 50 70m)/ a的值较大，阳高度角对真光太大；时在较短波段 (0~ 4 n ba的值较小，层深度的影响较小.同 4 0 5 0m)/ 6

5 4—一

邑32

吕

10 4 0 0

4 0 5

50 0

50 5

6 0 0 6 0 5

70 0

4 0 0

4 0 5

50 0

50 5

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65 7 0 0 0

波长(m) n¨蛐" ”如

加

H m86420

— g 6 5 4 3 2 l O

4 0 0 4 0 5

50 0 50 5 6 0 0 6 0 5

70 0

波长(m n )

波长

(m) n

图 4 3、2 点口、ba和 D的变化 3站、b/ e谱F g4 V rai n o a b b aa dD∞ a esai n f a d 2 i. a ito f,,/ n t h t t so 3 n 3 t o

幢

¨

9 8 7 6 5 4 3

图 5太湖实测 3 2个站点 4 6 9、5 0和 6 6nl/空间分布 3、4 0 8 7 n a的 bF g 5 S ai l itiu in f/ k a h t 3, 9, 8 n 7 i v ln t i . p t s b t so a i La eT i u a 6 4 0 5 0a d 6 6B l wa e e g h ad r o b n 4 l

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232太湖典型波段 ba的空间分布 ../

不同水波段【 K o/ sw其中为直接入射进入 2 J d c o, 卜， c o 27模拟的结果也显示了 2数值体的吸收系数和散射系数的差别比较大，时由水体后的天顶角[]同 12. 63吸于吸收和散射系数的光谱特性，同波段 ba相的变化依赖于天顶角的变化[,]收系数和散不/

差也较大，因此不同波段处真光层对太阳高度角射系数是衡量水体中各组分对光的吸收和散射的依赖程度也是不同的 .湖是典型的二类水体，程度的物理量，太 是水体重要的固有光学性质 .水体水体的浊度较大，同湖区水体的组成差异也比组分的固有光学性质直接影响水体的表观光学不Ki I k利用 Mo t C r方法模拟了浑浊水体 ne al o较大，吸收系数和散射系数的差别明显 .个水量， rI在整

生生态系统中，水体中各介质的吸收特性决定了中光场的分布，现漫射衰减系数与 a值和 b发 值之间有很好的相关性，同时 Ki[】用该方 r 还利 k它们在水中对光的竞争能力，响光合有效辐射影能量在水体各介质之间的分配，而决定了水体法研究了太阳高度的变化对固有光学性质和表从的初级生产力及水生生态系统结构和功能的演观光学性质之间关系的影响，到主要依赖于得

化I ."不同波段真光层深度是决定水生生态系统 a值，随平均余弦的变化而变化

;还发现 J并且同时这的重要环境因子，藻类颗粒物中的叶绿素 a在高散射水体的对太阳天顶角变化不敏感，也与 Z e g等 l l究结论是一致的，为在以 hn 2的研 2其认 4 6 m左右存在一蓝光吸收峰， 6 6m左右存 3n在 7n例如波长大于 5 0m的一类水体) 1n 在一红光吸收峰，藻类颗粒物在在 4 0 m左右有吸收为主的( 9n肩峰：黄质和非藻类颗粒物强烈的吸收能力主水体中与天顶角的关系密切. 随着天顶角的增大而增大，因此由计算要分布在短波区域，8n是水体悬浮物的敏感 5 0m一

Moe 波段，粒物的散射作用强，时是叶绿素和胡萝得到的真光层深度也必定与天顶角有关 . rl颗同 2研 b弱吸收区 .素因此选择以上 4个波段进行研究 .等 IJ究了一类大洋水体中真光层深度与天顶 得将实测的太湖 3 2个站点吸收和散射系数的比值角的关系，到在固定的叶绿素浓度下真光层深本研究结果显示， 利用反距离权重法进行空间插值，到 ba的空度随着天顶角的增大而减小 .得//的大小是决定太阳高度角对真光层深度影 a值间分布 .图 5可以看出。从湖心区 ba的值在不同 b/响的关键因子，吸收系数一定时，/小，光层 ba越真的波段均是较大的，这与湖心区风速较大，泥容底 易悬浮造成水体中颗粒物较多，粒物的散射作深度随太阳高度角的变化越大.颗太湖不同湖区物质含量不同，光学量空固有用较大有关；/的最小值出现在竺山湾的外围. ba 同时由于吸收和散射系数的光谱在 4 6 m、4 0 m整个湖区 ba的值均小于 1,间变化比较大， 3n 9n/ 5 因此 ba值存在空间上和光谱上的/因此在较短波段时不能忽略太阳高度角对真光变化也较大，从层深度的影响； 5 0 m、 7 n有部分区域 ba变化，而使得真光层深度在不同的湖区和波段在 8n 66 m/太的值大于 1, 5 0 m,了竺山湾的出口区 ba受太阳高度角的影响不同.湖水体在不同的季 5在 8 n除/固有光学量的光谱特征也的值较小之外，其他区域均较大，7 n除了在湖节水体组分差别较大， 6 6

m本心区和西太湖以及竺山湾里面 ba较大，以不不同，实验仅用了太湖秋季的实测数据进行研/可究，阳高度角对真光层深度影响较大的区域在太考虑太阳高度角的影响外，他区域还是要考虑其太阳高度角对真光层深度的影响.3讨论

不同的季节是不同的，不同的季节太阳高度因此

角对真光深度影响的区域还要分别研究.4结论

早期研究认为，射衰减系数 )漫主要是由 . /水体固有光学性质决定的，受环境光场的影响较 4 1 ba值的大小是决定太阳高度角对真光层深度影响的关键因子，吸收系数一定时，/小， ba越 小，因此被认为是“固有光学性质”[ .是在准但们当太后来的研究中发现，一类水体中，与天顶角真光层深度随太阳高度角的变化越大 .阳高在 。 0时，之间存在显著的相关，其是在波长较长的红光度角从 1增加到 9。若不考虑散射系数真光尤

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1】Mi e B c l g dh fr eemi g h a sI吐 n i层深度增加了 5 . ba l时，层深度增加【2 th l G Alo tms o dtr nn te b0p 0 02/=%,真光

了 4 .%;a 5时，光层深度的增幅小于 l%. 1 b>1真 3/ 0 42当太阳高度角在 1 1。 7￣ 0之间变化 .~ 0和 0 9。而当太阳高度角在 1~ 0之间变化时，光层深 0 7。真度的增幅在 (%~ .%) 1。 5 86每 O. 43太湖区域的实测结果显示，区 ba的值 .湖心/在不同的波段均是较大的.较短波段(3n 在 4 6m、4 0 m等)ba的值在整个湖区均较小，时要考 9n/此

ce ceto qai prcle s g teq ar f e ft of i faut atua sui un t v lr i n c i t n h i i ie et hiu ( F3[ . rce ig f PE 19,3217 18 e nq e Q a J Poedns S I,9010:3 4 . c 1 o -[3 l ea d J S 1】C e l ,Wed m n v n i a n A D.Q a t yn bo pi y e u n fig a srt n b i oq ai p rils l p e s at r o r

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时，光层深度的增幅较小，不超过 4真最大%每 1。 0;

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虑太阳高度角对真光层深度的影响； 50m附【】KjkJT Dee dnc frl osi ewenihrn n 在 8n 1 6 r 0. p n e e o ￣i hp b t e n ee ta d e n近，/ ba的值在全湖基本都大于 1,以不考虑太 5可阳高度角对真光层深度的影响； 66m附近，在 7n 除了竺山湾出口区的部分区域外，他区域可以其不考虑太阳高度角对真光层深度的影响.参考文献：【】韩博平，国， 1韩志付翔 .光合作用机理与模型 I I北京：藻类 M .

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