海洋浮游植物打包效应及其生物光学影响研究

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浮游植物是海洋初级生产力的重要贡献者,依靠光合作用与外界环境进行物质交换。浮游植物对光的吸收作用是光合作用的先决条件之一,探究浮游植物吸收系数变化对认识浮游植物生长过程至关重要。浮游植物打包效应控制着吸收光谱量级,是影响浮游植物进行生物光学过程的重要参数。因此,浮游植物打包效应的量化工作是海洋水色研究领域中不可忽视的一环。然而,目前已有打包效应量化方法不完善,多基于局部海域现场采集测量数据集,针对特定波段开展研究工作,缺乏对全球海域的把握。相比有限的现场资料,长时间序列的卫星水色遥感数据集具有观测范围广、时间分辨率多样化、方便获取等特点,为研究全球海域浮游植物提供了数据基础,但依然面临诸多难点与挑战:(1)基于浮游植物色素和吸收系数数据集,如何优化完善全球典型海域的打包效应量化模型;(2)面向全球海域,如何定量化打包效应与水色遥感参数之间的贡献比例。因此,本文以全球海域为研究区域,基于现场实测数据集,建立色素补偿模型,分析全球分布模态,并推导拟合相关衍生模型;进而结合MODIS-Aqua长时序卫星数据集(2002–2020年),开展全球海域浮游植物打包效应的生物光学响应,以及对浮游植物吸收系数贡献的研究,定量化表达相互之间的贡献比例,明晰全球海域范围上的影响特征分布。主要研究结果和结论包括:(1)完善优化了浮游植物打包效应(Package effect,Qa*(λ))量化模型,成功绘制打包效应全球卫星产品。基于全球海域中典型水体(中国近海代表Case II水体;大西洋代表Case I水体)的航次数据集,针对打包效应量化异常现象(Qa*>1),开发建立了色素补偿模型,成功降低了打包效应量化异常的概率。中国近海为代表的Case II水体中,打包效应量化模型在总叶绿素a浓度(Total Chlorophyll-a concentration,TChla)位于1–4 mg m-3范围内表现良好,在520 nm波段上,0<Qa*<1比例从70%上升至100%;同时Case I水域中,在TChla>0.1 mg m-3范围上,Qa*(455)提升明显,从40%提升至90%。最后,将模型成功应用到卫星数据上,首次绘制打包效应的卫星产品,填补了打包效应在卫星应用上的空缺。其空间分布显示打包效应与TChla浓度之间存在很好的一致性。(2)定量揭示了全球海域打包效应与TChla、等效粒径之间的内在联系。基于全球长时序卫星水色遥感数据集,利用相关性分析与因果性分析方法,定量表达TChla和总等效粒径大小(Total Equivalent Size Index,SIt)对打包效应的影响,明晰了打包效应在浮游植物不同生物光学过程中的作用。结果表明:(1)低纬度海域中Qa*与TChla、SIt之间的因果关系较中高纬海域更强,该区域的归一化因果关系显示,Qa*贡献了TChla和SIt约10%–50%的变化,表现为稳定TChla和SIt变化的作用;而TChla和SIt贡献了Qa*约40%–60%的变化,并带去了更大的不可预见性(不确定性)。(2)结合太阳辐射能的全球分布特征,由于低纬度海域全年光强变化波动较小,Qa*与TChla、SIt三者之间的平衡过程主要是由浮游植物驱动;而在中纬度地区,则为辐照度驱动模式,即海表光强有着更宽的变化范围,当辐照度增加时,浮游植物细胞会增加打包效应数值(Qa*→0),以捕获更少的光子,保护光合作用器官,以进行持续的光合作用。(3)初步定量化了打包效应对浮游植物吸收系数(Phytoplankton absorption coefficient,aph(λ))的影响。(1)从Qa*(443)流向aph(443)的正向信息流(TQa*→aph)在北半球中高纬度海域较弱,而在低纬地区则有明显的负向分布,而从aph(443)流向Qa*(443)的信息流(Taph→Qa*)则为相反趋势。归一化信息流揭示了低纬度海域20%–50%的aph变化受到Qa*贡献,表现为平缓aph变化的作用,而在南大洋与北大西洋北部的中高纬地区,Qa*贡献了aph中30%–40%的变化,引入了更多的不确定性。(2)绝对信息流的超前滞后分析表明:当aph滞后于Qa*一个月时,TQa*→aph体上仍较弱,但强度要强于同时期的信息流强度,且模态分布相似;当Qa*滞后aph一个月时间长度时,Taph→Qa*在全球海域上都表现出负向信息流,即超前变化的浮游植物吸收都会使得打包效应和色素组成的变化趋于稳定,减少不确定性。
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