王魯寧，魏 皓，趙 亮

（1.中國海洋大學海洋環(huán)境學院，山東 青島266100；2.天津科技大學海洋科學與工程學院，天津300457）

海水的光學性質對于研究海洋生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能尤其是初級生產力有重要意義，而海水中的懸浮顆粒物對于光輻射的影響在國際上也一直是1個重要的研究課題，例如 HEBBLE（the High Energy Benthic Boundary Layer Experiment）[1]和 PROVESS（the Processes of Vertical Exchange in Shelf Seas）[2－3]都將海水懸浮顆粒物動力學作為研究重點。

海洋中的浮游植物用來進行光合作用的那部分太陽輻射我們稱為光合作用有效光強PAR（photosynthetically available radiation），其波段為400～700nm，對PAR的度量有2種計量系統(tǒng)[4]：一種是能量系統(tǒng)，即光合有效輻照度，單位是w/m2；另一種是量子系統(tǒng)，即光合有效量子通量密度，單位是 mol·m－2·s－1）。本文中單位采用后者。在海洋生態(tài)模式中PAR是1個重要的強迫因子，海表的PAR可以從衛(wèi)星遙感資料得到，但PAR隨深度的垂直分布通常是利用PAR在水中的指數衰減規(guī)律得到[5－6]：

式中：k為衰減系數；I0為海面處的PAR值；z為海面以下深度（z＜0）?？梢姡琍AR在海水中衰減系數k是海洋生態(tài)模型的關鍵參數。造成PAR在海水中衰減的物理過程主要為反射與吸收[7]，而海水中能夠反射、吸收PAR的組分可以分為純海水、可溶物質與懸浮顆粒物[8－10]，三者以懸浮顆粒物影響最大，特別是在中國近海這樣典型的高濁度海域，懸浮顆粒物的濃度與衰減系數之間的關系也成為研究重點。Bader[11]認為不同粒徑的懸浮顆粒物在水中的分布滿足關系式：

式中：r為粒徑累積斜率（cumulative slope）；ND為單位體積海水中大于直徑為D的粒徑個數。在懸浮顆粒物分布穩(wěn)定的情況下，懸浮物的體積濃度與光的衰減系數間存在線性相關性。對于分布性質穩(wěn)定的懸浮物，累積斜率的標準值為3[12－13]。在此基礎上，很多工作相繼展開，McCave[13]與 Peterson[14]研究得到，累積斜率的值在3.0±0.3之間時，懸浮物體積濃度與衰減系數之間存在較好的線性關系：P＝－203.4＋496.0k[13]與P＝－265.1＋569.5k[14]。然而兩者工作僅限于對長波段（λ＝660nm）光衰減的研究，且所用懸浮顆粒物粒徑范圍較窄，基本分布在1～32μm之間。本文利用測得的同一深度剖面上PAR與懸浮顆粒物體積濃度，建立了PAR的衰減系數與懸浮顆粒物總濃度之間的相關關系，并進一步將32種粒徑大小不一的懸浮顆粒物分為3種粒級，建立起了各粒級與衰減系數之間的相關關系。

1 數據資料與觀測方法

本文所用數據資料來源于4次出海觀測：2005年3月自然科學重大基金項目“上層海洋與低空大氣”（SOLAS）黃海第一航次觀測中的大面站與2個連續(xù)站的觀測；國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目“我國近海生態(tài)系統(tǒng)食物產出的關鍵過程及其可持續(xù)機理”第二課題“近海重要界面物質交換的關鍵過程”的3個航程：2005年12月14～15日膠州灣定點連續(xù)觀測；2006年5月4～5日桑溝灣定點連續(xù)觀測；2007年4月黃海春季水華調查。在每個測站利用加拿大RBR公司生產的XR－620CTD所集成的球形光學探頭觀測得到PAR的剖面分布，同時將現場激光粒度儀LISST－100與CTD一同施放，觀測得到與PAR同一剖面上1.36～230μm范圍內32種粒徑的懸浮顆粒物體積濃度（μL/L）的分布。圖1為這4次出海觀測站位的分布。

圖1 4個航次觀測站位圖Fig.1 The site locations in four investigations

1.1 2005年3月大面與定點連續(xù)觀測

SOLAS黃海第一航次觀測區(qū)域在（32.50°N～39.50°N，120.50°E～124.50°E）（見圖1a）。在17個大面站與2個25h連續(xù)觀測站A1、A2處進行了PAR與懸浮物濃度的剖面觀測。A1站觀測時間（3月26日15：00～27日15：00）；A2站觀測時間（3月20日15：00～27日15：00）。此航次得到PAR與懸浮物濃度的數據共有21組。

1.2 2005年12月定點連續(xù)觀測

2005年12月14 ～15日利用中國海洋大學東方紅2號考察船于青島外海（36.04°N，120.32°E）處（見圖1b）進行了1個周日定點連續(xù)觀測，觀測間隔1h，共得到10組數據。

1.3 2006年5月定點連續(xù)觀測

2006年5月4 ～5日于榮成桑溝灣內（37.13°N，122.55°E）站點（見圖1c）做了1次定點連續(xù)觀測，觀測間隔1h，得到15組數據。

1.4 2007年4月大面與定點連續(xù)觀測

2007年4月份利用北斗號考察船在黃海進行了為期25天的觀測（見圖1d），此次在大面觀測其間做了3次定點連續(xù)觀測，共得到35組數據。

以上4次觀測均采用船基吊放方式剖面觀測，XR－620CTD與 LISST－100同時施放，其中 XR－620CTD的數據采樣頻率為6Hz（水華航次為0.3Hz），LISST－100的數據采樣頻率為1Hz。在施放儀器時，已盡量保證了儀器保持在船向陽側，以便接受充足的外部光照。

2 數據處理與分析

2.1 光衰減系數的計算

首先對PAR的原始觀測數據做物理剔除，得到各測站PAR隨深度的剖面變化，此處分別選取SOLAS航次中連續(xù)站A1的3月26日23時與27日11時2次觀測PAR的剖面圖（見圖2）為例。通過對比發(fā)現，23時測得的PAR隨深度變化不大，主要分布在3～5個單位之間，一般認為是儀器背景值；而11時測得的PAR隨深度變化較為規(guī)律，基本呈指數分布，可見水體中PAR的值首先取決于外部光學環(huán)境（日照條件）。因此在隨后分析中同測站的PAR與懸浮顆粒物濃度都只采用日照充分的白天時段數據，篩選后得到的數據對共有77組。

圖2 SOLAS航次定點觀測站A1站在26日23時與27日11時PAR的剖面分布Fig.2 The profiles of PAR at the mooring site A1 （SOLAS）at 23：00（26th，March）and 11：00（27th，March）separately

在對所得數據作平滑處理后，利用PAR指數衰減規(guī)律對PAR值做擬合，擬合時所需數據集的深度區(qū)間選取基本遵循以下原則：取表層1m以下的濃度值，以降低船體對PAR測量的影響；另外PAR在水中的衰減主要集中在真光層內，真光層以外的深度PAR值很小可認為是光場背景值。海洋生態(tài)學上定義光強僅為表層光強1%的深度為真光層，海洋中的浮游植物光合作用主要集中在這一深度層內，同時也是海洋浮游生物活動最為活躍的區(qū)域[15]。根據定義與各站PAR隨深度的分布，可以求得各站真光層深度hk（如果hk超過測站水深hmax，則認為hk＝hmax），圖3所示所有測站真光層深度hk與站點水深hmax具有較好的線性相關（R2＝0.85）。

對各站真光層內PAR值做擬合后得到PAR隨深度指數衰減曲線以及衰減系數k。仍然以A1站27日11時為例，圖2中虛線為該測站PAR的擬合曲線，衰減指數為0.3/m。

圖3 所有測站真光層深度hk與測站水深hmax的關系Fig.3 The relation of the euphotic layer depth with the maximum depth form all situs

作者將膠州灣與桑溝灣定點觀測作為在近岸海區(qū)的觀測，SOLAS航次以及水華航次觀測作為外海區(qū)觀測。對比近岸與外海PAR衰減系數的分布（見圖4）可以看到：近岸海區(qū)PAR衰減系數較大，分布在0.5～1之間，說明近岸海區(qū)PAR衰減的較快；外海區(qū)PAR衰減系數較小，在0.1～0.4之間，只有個別觀測有較大值。

圖4 近岸海區(qū)與外海區(qū)PAR衰減系數相對頻數的分布Fig.4 The distributions of frequency of attenuation coefficient in coastal and open waters separately

2.2懸浮顆粒物體積濃度分布特征

LISST－100測得的懸浮顆粒物濃度數據的初步處理同PAR類似。根據Soulsby[16]提出的溫氏分級表，本文進一步將32種粒徑分為3種粒級：黏土（d≤12μm）；粉砂（d＝12～62μm ）；細砂 （d≥62μm），d為粒徑大小。

圖5為SOLAS航次A1站3月27日11時測得的3種粒徑體積濃度的剖面，其中同一深度層懸浮顆粒物體積濃度細砂＞粉砂＞黏土，濃度主要取決于粒徑大小。黏土與粉砂體積濃度隨深度的變化很小，整個剖面分布比較均勻，而細砂剖面分布比較雜亂且體積濃度隨深度增大。根據Bader[11]提出的累計斜率的定義，經過擬合可分別求得各站每一深度層上所有懸浮顆粒物的累積斜率值r，對每一站的r在真光層內做深度平均，可得到每個站點所有懸浮顆粒物累積斜率值的平均值（見圖6）。可見，所有站點的基本成正態(tài)分布，且主要分布在2.4～3.0之間，平均值為2.71，與 Mc－Cave[13]與Peterson[14]等得到的值較為接近，說明觀測站點懸浮顆粒物的分布基本穩(wěn)定，可推測懸浮物顆粒濃度與光衰減系數之間存在良好的線性相關性。同時，通過對比近岸與外海海區(qū)3種粒級懸浮顆粒物累計斜率的分布（見圖7）可以發(fā)現：近岸黏土的累計斜率平均值分布在2～2.5之間，粉砂則在2.5～3.5之間，細砂的值則主要分布在2.5～4之間；外海3種粒級懸浮物的累計斜率平均值基本呈正態(tài)分布，其中黏土r值主要分布在2～3之間，而粉砂、細砂的r值變化范圍較大，分布在2～5之間。通過對比發(fā)現，不管在近岸還是外海區(qū)粉砂類懸浮物的分布最穩(wěn)定，細砂類分布最不穩(wěn)定，而外海區(qū)黏土類懸浮物的分布相對于近岸要更穩(wěn)定。

圖5 SOLAS航次A1站27日11時3種粒級懸浮顆粒物濃度的剖面分布Fig.5 The profiles of concentration of suspended particles of 3classes at mooring site A1（SOLAS），at 11：00on 27th，March of 2005

圖6 全部站點真光層內所有粒徑懸浮顆粒物平均累積斜率值相對頻數的分布Fig.6 The distribution of frequency of cumulative slope of all suspended particles in euphotic layers of all sites

圖7 近岸（膠州灣、桑溝灣定點測站）與外海（2005年3月、2007年4月黃海站點）海區(qū)3種懸浮顆粒物粒級累積斜率平均值的分布Fig.7 The distributions of cumulative slope of suspended particle of 3classes in coastal and open waters separately

3 結果與討論

3.1 PAR衰減系數與懸浮顆粒物濃度的關系

對各站點懸浮顆粒物濃度特征值的選取較為關鍵，Karen[2]利用12L采水瓶同光學儀器同層取水，選取深度層在上表層（大約3m左右）的濃度為測站特征值；Bowers[17]則每站基本采3層水樣（近表層、中層或躍層、近底層），取表層水樣的濃度作為所測站點的懸浮顆粒物濃度特征值。同2.1節(jié)中處理PAR的原則相同，本文選取對真光層深度內懸浮顆粒物濃度做積分平均后的濃度值Pk作為測站的特征值。

本文選取桑溝灣觀測與2007年4月黃海航次觀測數據作分析，得到PAR衰減系數K與真光層內所有粒徑懸浮顆粒物濃度Pk（mL/L）之間的相關關系（式3.1），圖8所示所有測站PAR衰減系數與懸浮顆粒物濃度存在較好的線性相關關系（R2＝0.80），但分別在近岸區(qū)（桑溝灣觀測）與外海區(qū)（黃海航次觀測）測站兩者相關性較較差（R2＝0.67；R2＝0.43），同時近岸海區(qū)的懸浮顆粒物濃度普遍高于外海海區(qū)，這主要與近岸海區(qū)水動力環(huán)境以及陸源輸入有關。

圖8 RAR衰減系數與真光層內所有粒徑懸浮顆粒物濃度的關系Fig.8 The relationship of PAR attenuation coefficient with concentrations of all suspended particles in euphotic layer

2.2節(jié)中本文將測得的32種不同粒徑的懸浮顆粒物分為3種粒級（黏土、粉砂、細砂），這3種粒級對PAR衰減的影響由于濃度、組成成分以及分布性質的不同而不同，需要對這3種粒級進行對比分析。圖9給出了真光層內3種粒級懸浮顆粒物的平均濃度分別與PAR衰減系數K之間的相關關系。經過對比不難發(fā)現，黏土、粉砂濃度P1、P2與PAR衰減系數具有較好的相關性（R2＝0.87；R2＝0.87），而細砂濃度P3與衰減系數的相關性較差（R2＝0.59）。

圖9 三種粒級體積濃度分別與PAR衰減系數的相關性比較Fig.9 The relationships of PAR attenuation coefficient with concentration of suspended particles of 3classes separately

由式3.1得到，當海水中懸浮顆粒物濃度Pk的值為零，波長范圍在400～700nm的PAR衰減系數K的值為0.14m－1，這是由純海水、黃色物質以及1.36～230μm范圍以外的懸浮物造成的衰減，明顯高于楊生光[18]在黃海千里崖海域測得的純海水消光系數值（0.065 4m－1）。另外，Spinrad[1]和 Peterson[14]分別求得的660nm單一波段的光在純水中的衰減系數值為0.4與0.47m－1，遠高于PAR在純水中的衰減，反映了不同波段的光在水中衰減的差異。

由式3.2、3.3、3.4得到，海水中粒級較小的黏土（≤12μm）與粉砂（12～62μm）類懸浮顆粒物濃度與PAR衰減系數間呈較好的線性相關，而粒級較大的細砂（＞62μm）類懸浮顆粒則與光衰減相關較差。Pak[19]認為光的衰減主要是由小于20μm的顆粒組分控制的，Siegel[20]也認為粒徑小于5μm的顆粒濃度分布能更好地反映出光衰減系數的分布，都突出了細顆粒物質對于光衰減的重要性。

3.2 結果的驗證

本文利用SOLAS走航測站與膠州灣定點測站數據分別對關系式3.1、3.2、3.3、3.4做精度檢驗，用判定系數R2衡量回歸方程的擬合度，計算公式為：

式中：yi、Yi分別為數據實測值與預報值。

表1所示為SOLAS航次與膠州灣定點觀測數據與各回歸方程（式3.1、3.2、3.3、3.4）之間的判定系數，其中近岸膠州灣數據與各方程之間的判定系數值較高，均在0.50左右，說明觀測數據中的誤差有50%可以用回歸方程中的線性關系解釋。SOLAS航次數據與式3.1、3.4的擬合度較好，而與式3.2、3.3擬合度相對較差，判定系數分別為0.30、0.39，即只有30%、39%的誤差用回歸方程解釋。

表1 SOLAS航次與膠州灣定點觀測數據與各回歸方程之間的判定系數R2值Table 1 The determination coefficients（R2）of observations in SOLAS and Jiaozhou Bay to the results form regression equations

4 結論

本文通過對2個航次與2次定點觀測得到的PAR與懸浮顆粒物體積濃度數據進行分析，得到以下結論：

（1）近岸海區(qū)懸浮顆粒物濃度普遍要高于外海區(qū)，PAR的衰減系數也大于外海區(qū)。不同粒徑的懸浮顆粒物在不同海區(qū)的分布特征不同：近岸與外海海區(qū)的粉砂類懸浮物累計斜率平均值在3左右，分布較穩(wěn)定；外海區(qū)黏土類懸浮物分布較外海海區(qū)穩(wěn)定；細砂類懸浮物在近岸與外海的穩(wěn)定性較差。

（2）PAR衰減系數K與32種粒徑懸浮顆粒物總體積濃度Pk（mL/L）間呈較好的線性相關：K＝0.92Pk＋0.14。對于不同粒級的懸浮顆粒物，PAR衰減系數與分布較穩(wěn)定的黏土、粉砂類懸浮物濃度線性相關，與分布較不穩(wěn)定的細砂類懸浮物濃度的相關性較差，可見PAR的衰減特性從粒徑較小的懸浮顆粒物分布上得到更好的反映。

（3）光衰減系數在生態(tài)模型中是一重要的因子，能夠影響浮游植物葉綠素a以及初級生產力的分布[4]。然而，由于光衰減系數很難直接觀測到，以往的生態(tài)模型在光衰減系數取值上一般采用經驗估算得到，忽略了光衰減系數的空間分布。本文建立起海水中光衰減系數與懸浮顆粒物濃度的關系，可以利用較易觀測的懸浮物濃度計算光衰減系數，同時，也能反映出水動力環(huán)境下懸浮物濃度空間分布的變化對光衰減系數空間分布的影響，為生態(tài)模型提供更準確的光衰減系數值。

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