黄渤海叶绿素a卫星遥感数据重构及时空分布规律研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王跃启 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2014-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 刘东艳 |
| 关键词 | 黄 海表Chl-a浓度 卫星遥感 数据重构 DINEOF 时空分布规律 渤海 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 中文摘要 | 海洋浮游植物是海洋初级生产力的主要贡献者，海洋叶绿素a（Chl-a）浓度是海洋浮游植物现存量的重要表征参数之一。因此，全面系统的了解海洋Chl-a浓度的时空变化规律及与海洋环境变化的关系，对阐明海洋生态系统的变化规律有着重要作用。 近年来，已有许多不同类型、不同技术参数的海洋水色遥感传感器投入运行，获得的大量遥感数据为海洋生态系统的实时监测提供了广阔的平台。相对于船舶、浮标等现场测定方法，卫星遥感技术对于海洋的观测范围大、周期长并且具有连续性，而且费用也较低。然而，水色遥感数据本身也存在着不容忽视的技术问题：（1）由于海洋上空云层覆盖、传感器扫描参数的设计等原因，使依赖于可见光和近红外波段反演的海洋水色遥感数据存在着较大比例的数据缺失；（2）由于难以检测的薄云或者海洋水体中多种水色物质相互的影响，使目标反演产品中面临着一定的数据精度问题；（3）多平台传感器的在轨运行为海洋环境的监测提供了持续的海量数据，如何有效的融合多源遥感数据，提高的数据的分析精度，也是亟待解决的问题。因此，针对特定的研究区域和具体的研究问题，需要从方法学上提高遥感数据使用的精度。 中国的黄海和渤海（黄渤海，31-410N，117-1270E）是典型的半封闭的陆架浅海，由于其复杂的水体特征和多云雾等气候条件的限制，海洋水色遥感数据在该海区的应用上面临着精度较低和覆盖率不足等现实问题。因此，本研究立足于该海域的海洋水色遥感应用的数据质量问题，利用MODIS和SeaWiFS数据，针对黄渤海区域1997-2013年期间的海洋水色遥感数据，进行了有效的数据重构和和分析，重建1997年-2013年期间黄渤海区域完整的海表Chl-a浓度数据库；并且利用重建后的完整的时间序列Chl-a浓度遥感数据库对黄渤海区域表层Chl-a浓度的十多年来的时空分布规律进行了详细、系统的研究。 首先，利用有限的实测数据，结合前人的研究成果，对SeaWiFS、MODIS和MERIS三种海表Chl-a浓度标准算法产品进行了对比验证。结果显示，在黄渤海区域，虽然三种标准算法产品在绝对值上与实测数据相差较大，但是所反映的Chl-a浓度的相对时空分布形势上具有合理性，因此，可以利用标准产品进行黄渤海表层Chl-a浓度的相对时空变化规律分析。同时，亦对黄渤海区域SeaWiFS、MODIS和MERIS三种标准海表Chl-a浓度产品进行了数据一致性比较，结果显示：三种数据产品之间的均方根误差（RMSE）为0.16-0.18（log10(Chl-a)mg m-3），平均绝对偏差（MAD）为0.10-0.12（log10(Chl-a)mg m-3），相关系数（R）为0.87-0.89，三种数据产品之间的偏差远小于标准算法的设计误差（RMSE=0.22），呈现了很好的一致性。 其次，针对海表Chl-a浓度卫星遥感资料的数据缺失和多源数据的融合问题，将近年来国外学者发展的基于经验正交分解的数据重构方法（DINEOF）引入黄渤海水色遥感资料的完整性重构研究中。针对该海区表层Chl-a浓度遥感数据的特点和实际的应用需要，对传统的DINEOF方法进行了有效的改进，具体体现在：（1）将深度分区方案加入到重构过程中，一方面可以有效的提高数据的重构精度（RMSE降低约10%），另一方面分区后的数据可以有效的支持并行计算，缩短算法的运行时间，提高运行效率。（2）基于回归残差理论的异常值检测方法可以有效的检测和消除数据集中的薄云等引起的“噪声”值，增加数据的可信度，提高DINEOF的重构精度（RMSE降低约30%）。（3）通过标准变量和辅助变量的划分对多变量DINEOF组合重构方法（M-DINEOF）进行了有效改进，并应用到多源海表Chl-a浓度的融合重构试验中，由于最佳模态数的减少，组合重构结果的统计误差会有一定程度的增加，但是相对于直接的替代方法，其长时间序列数据的重建结果却更为合理，融合重构后的长时间序列完整数据集可以有效的支持Chl-a浓度的长时间序列的时空规律研究。 最后，利用重建后完整的海表Chl-a浓度标准数据产品，系统的分析了黄渤海区域Chl-a浓度1997-2013年期间的空间分布、季节变化和年际变化分布规律。（1）从空间分布特征上来看，多年平均Chl-a浓度与水深呈现明显的负相关关系（R=-0.87, P<0.001），多年变化的标准差与水深之间呈现正相关关系(R=0.69, P<0.001)；在水深较浅的近岸海区Chl-a浓度平均值较高（3.0-5.0 mg m-3），但是标准差较低（<0.3 mg m-3），说明近岸地区的Chl-a浓度常年维持在较高的水平；而水深较深的开阔海域（黄海中部）Chl-a浓度平均值较低（0.5-2.0 mg m-3），但是标准差较高（>0.8 mg m-3），说明该区域Chl-a浓度存在较大的时间变异。（2）黄渤海区域海表Chl-a浓度的季节变化存在明显的空间差异，水深较浅的近岸海区（水深< 20 m）Chl-a浓度的季节波动幅度（3.8 mg m-3 - 4.4 mg m-3）较小，呈现出冬末春初季（2月、3月）高、夏季（6月、7月）低，秋季出现弱高峰的变化特征；在水深20 m-50 m的海区，Chl-a浓度在早春的3月份出现最高值，最低值出现在夏季的7月、8月份；而水深大于50m的开阔，Chl-a浓度的最高值出现在春季的4月份，最小值出现在夏季的7月、8月份；长江口邻近海区受入海流量的影响，Chl-a浓度夏季出现最高值，个别年份夏季月均值高于10 mg m-3；而黄河口邻近海区，海表Chl-a浓度的季节变化特征与近岸地区相似（水深< 20 m）。（3）在年际变化尺度上，整个研究区平均海表Chl-a浓度呈现显著的增加趋势（约1.0 % Year-1），并且增长率有随着水深增加而增加的态势，在近岸地区增长率小于0.3% Year-1，在水深较大的开阔海域增长率大于1.3% Year-1，增长率最高的海区为北黄海和南黄海的中西部区域，增幅约为2%-3% Year-1。 通过与黄渤海海区已有研究结果的比较和对影响Chl-a浓度的主要海洋环境因子的对比分析发现，Chl-a浓度的空间分异受水深的影响较大，近岸水和远岸水之间不同的性质和博弈关系，影响了Chl-a浓度的空间变化规律。而海表风场和海表温度等海洋环境的季节变化在不同水深条件下对表层营养盐的调控作用导致了海表Chl-a浓度季节变化的空间差异。近岸和离岸海区Chl-a浓度不同的年际增长幅度，则是体现了Chl-a浓度对营养盐的逐年增加的响应在不同深度海区的差异性。 |
| 学科主题 | 海洋科学 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2014-09-21 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/7078]  |
| 专题 | 中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王跃启. 黄渤海叶绿素a卫星遥感数据重构及时空分布规律研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014. |
入库方式： OAI收割
来源：烟台海岸带研究所
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