陆架海和河口的卫星信号对悬浮颗粒物有效横截面积浓度更敏感而非其质量浓度外文翻译资料

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陆架海和河口的卫星信号对悬浮颗粒物有效横截面积浓度更敏感而非其质量浓度

D. G. Bowers amp; K. M. Braithwaite

收稿：2011年3月14日/ 接受：2011年9月8日/ 在线发布：2011年9月27日

＃Springer出版社2011

摘要：传统上，陆架海和河口悬浮颗粒物的定量遥感算法旨在将卫星辐射计感测到的信号与悬浮颗粒的质量相关联。然而，本文基于原位测数据分析，发现海面处的辐照反射系数与悬浮颗粒物的有效横截面积的关系比与它们的质量的关系更为紧密。因此，其他光学性质（其在混浊水中取决于颗粒有效横截面积）可以直接与反射系数相关。为了在质量浓度方面解译卫星数据（例如检验悬浮泥沙输送的数值模型），有必要知道颗粒的有效横截面积和质量之间的关系。对于本文展示的英国西部沿海水域2008 - 2009年的数据集，对于给定的尺寸和质量的悬浮颗粒物，有效横截面积的变化达5倍，这种变化的原因目前尚不清楚。

1、前言

悬浮颗粒物颗粒物在陆架海和海洋的物理、化学和生物学中发挥重要作用。它们吸收太阳的热量，因此影响水体热结构和分层（Sathyendranath等人，1991）。农药，重金属和放射性同位素等物质吸附在颗粒表面，这些化学物质的命运受颗粒的影响，而不是周围的水（Zhang et al。2008）。颗粒散射和吸收光，因此会减少阳光穿透到海中的深度。这对初级生产力（例如Bricaud等人1998; Babin等人2003）以及由卫星光学感测的表面层的厚度有影响。

从海面出射的一些散射光可用于对悬浮颗粒物的卫星遥感。卫星图像（例如图1）展现出了与已知的浊度分布（例如，在河流羽流中;例如Petus等人，2010）和陆架海浑浊最大值（例如Bowers等人2005）定性地一致的反射模式。一些作者（例如 Stumpf和Pennock 1989; Doxaran等人2002; Binding等人2005; Nechad等人2010）已经开发了将反射率与近表面悬浮颗粒物的浓度相关联的定量算法。独特地，卫星遥感提供了观察大面积的陆架海海水的机会，这导致我们对悬浮颗粒物的物理学的发展（例如Bowers等人1998; Ellis等人2008）。

用于推导陆架海域和海洋中悬浮颗粒物浓度的定量算法几乎都试图将遥感信号与暂停中的颗粒的质量浓度（以g 或等效物表示）相关联。这有两个很好的理由，首先，通过过滤海水来衡量在海上最常测量的质量浓度，并称重收集在过滤器上的颗粒的干质量。因此，质量浓度的测量更容易用于“校准”卫星图像。第二，悬浮颗粒物的数值模型预测质量浓度（例如，Uncles and Mitchell 2011; Gao et al。2011）。如果要使用卫星数据来测试数值模型，那么如果可能的话，显然希望将遥感信号转换为质量浓度。

图 1 英国西海岸和爱尔兰东海岸的SeaWiFs伪色图（NERC地球观测数据中心，英国普利茅斯）。 亮度或反射率的变化对应于悬浮颗粒物中已知的变化，最亮的区域是最混浊的水域。 彩色圆圈2008年和2009年野外运动的地点; 颜色随机选择，不表示任何特定于站点的功能。

然而，光子与粒子相互作用的机会取决于其有效横截面积，而不是其质量。 对于大于几个波长的光的粒子，散射和吸收系数与粒子有效横截面积成大致成比例（Morel 1991; Boss et al。2009; Bowers et al。2011）。 悬浮颗粒物的遥感通常使用光谱的红色或红外部分的反射系数，这与散射系数成正比（Binding等人，2005）。 因此，预计卫星遥感将与悬浮在海面附近的颗粒的总横截面积而不是其质量更为密切相关。 Bale等 （1994）在实验室研究表明，事实上，反射率与颗粒有效截面积比其质量和颗粒有效截面积的关系更好。

但是，Bale及其合着者的观察结果尚未得到原位测量的证实，同时，大多数调查人员仍然将卫星图像解释为显示质量分布，而不是粒子的横截面积。当然，粒子质量和有效截面积面积之间有一些关系。对于恒定密度和直径D的固体球，横截面积：质量比标度为1 / D。对于天然颗粒，横截面积：质量比对尺寸较不敏感。 在混浊的陆架海中的真实颗粒通常是较小的颗粒的集合，其松散地连接在一起在絮凝物或聚集体中。 通过在絮状物中彼此保持彼此的颗粒产生的横截面积的减小，通过在它们之间具有间隔的颗粒的低效包装产生的面积的增加来补偿。 其结果是，粒子的给定质量的截面积下聚集在很大程度上是保守的（Boss等人，2009）。 然而，我们在本文中显示，在给定尺寸的颗粒的有效截面积面积质量比仍然存在显着变化。 因此，有必要了解当解释卫星图像时，原位测量的反射率对有效截面积或质量的影响是否更为敏感。

近年来，使用絮凝照相机（Milligan 1996; Flory等人2004）和激光衍射（参见LISST系列仪器; Agrawal和Pottsmith 2000），原位测量悬浮颗粒的横截面积变得更容易。 LISST测量近似正向散射（Slade和Boss 2006），并应用基于Mie理论的反演来导出粒子体积与粒径的分布。在实验室中已经用固体（非聚集）颗粒测试反演（Karp-Boss等人2007; Andrews等人2010）。它也在由聚集体占主要的悬浮液上进行了测试（通过与在某种程度上与LISST尺寸范围重叠的照相机进行比较）（Mikkelsen等人2005）。这些方法之间的有利比较表明，聚集颗粒的折射率的变化不会不利地影响衍生的尺寸光谱。 Figate和Friedrichs（2003）给出了对LISST的思考。因为LISST仪器反转衍射图案，而不是直接测量颗粒体积和尺寸，所以最好是根据颗粒有效截面积的相对而非绝对估计来解释数据。

给定颗粒体积与尺寸的分布，如果对颗粒的形状做出某些假设，则可以计算悬浮液中颗粒的总横截面积。我们在本文中的目的是比较在海面测量的反射系数与粒子横截面积和粒子质量，并看到哪个给出了回归分析中最接近的关系。我们探讨这一分析结果对解释沿海水域卫星图像的后果。

2、材料和方法

2008年和2009年，在英国西海岸和南部海岸的图1所示的8个地点进行了观测，每个地点共有1至30个站。通过使用Whatman GF / F过滤器（标称孔径0.7mu;m）过滤，分析表面水样品的颗粒（全部和矿物，燃烧后）的质量浓度。通过在90％丙酮中提取并使用针对标准叶绿素样品校准的Turner台式荧光计进行荧光测定，来测量颗粒的叶绿素含量。

使用生物球仪PRR-600（在所有波长处的辐照度已经降低到在该深度处的表面值的小于1％），测量向上和向下辐照度的垂直轮廓到10mu;m的深度。该仪器测量以412,443,490,510,555和665nm为中心的六个波长的辐照度。轮廓被外推到表面，并且辐射反射系数被计算为正好在表面下方的上升流与下游辐照度的比率。许多研究（例如Binding等人2003,2005; McKee等人2007）使用光谱的红色或近红外部分中的反射系数来导出粒子浓度;我们选择665 nm处的反射率用于本文的分析。

该PRR-600还测量400-700 nm范围内的总辐照度（光合有效辐射或PAR）。使用PAR辐照度与深度的对数线性图来计算下降的PAR辐照度的漫射衰减系数（）。

使用LISST-100激光衍射仪器（Sequoia Scientific Inc.，Bellevue，WA）在每个站进行测量。 LISST测量悬浮颗粒在小体积水中产生的衍射图案，并且使用它来推断在2.5-500mu;m范围 内的32个对数间隔尺寸类别中的颗粒体积。在每个轮廓的前10m中选择数据以匹配辐射计测量。从体积计算每个尺寸类别中的颗粒的横截面积，假设颗粒是直径等于给定尺寸范围的平均值的球体。每单位体积水的总颗粒横截面积计算为所有尺寸类别中的横截面积的总和。

3、结果

在大多数地点和站点，颗粒是矿物质主导的絮凝物。 它们的总体密度（干质量/“湿”体积）小于水，并且过滤器上的矿物与总物质的比例高（平均为0.79）。 有一个例外，在2009年4月的浮游植物开花期间，Anglesey的一系列五站（参见图1中的绿色圆圈）被采样。叶绿素浓度超过10mu;g ，与平均值相比，对于其他部位小于5mu;g 。 在这些“春季开花”站，颗粒特征与其他场所不同。 总体颗粒密度（干质量/“湿”体积）低于其他站的平均值（332，相比512 kg ），平均粒径较小（21，38mu;m），矿物质与过滤器总质量的比例较低（0.64， 相比0.79）。这个地点的颗粒很可能大多数是浮游植物细胞，其尺寸，密度和光学特性与矿物质絮状物具有不同。来自这些站的数据已经保留在随后的图中，但是已经用不同的符号识别，并从回归分析中省略。

3.1 颗粒的单位质量的横截面积

图2显示悬浮液中颗粒的总横截面积与其质量（为总悬浮固体的干质量）的比率，相对于颗粒的尺寸绘制。 尺寸已经表示为索特直径，这里计算为总体积的1.5倍除以总横截面积。可以看出，小的“春季开花”站的颗粒横截面积：质量比高于平均横截面积：质量比。在其他地区，虽然随着尺寸比例的增加呈弱势趋势，但是有效截面积：质量比与粒度无显着关系。对于恒定密度的固体颗粒，有效截面积：质量比随着尺寸的增加而降低，但是对于絮凝物，由于在引言中讨论的原因，这不会发生。

非春季开花站的平均横截面积：质量比为0.1 。然而，图2中最引人注目的特征可能是，对于任何给定的粒子尺寸，在该平均值附近存在该比率（约5倍）的相当大的分散。 目前来说，我们不完全明白这种变化的原因。

图 2总粒子横截面积与质量比绘制对粒径。空心点为在2009年4月的春季浮游植物开花期间Anglesey遗址的观测（图1中为绿色），实心点为其他地点的观察数据。颗粒大小表示为索特直径（总颗粒体积除以横截面积的1.5倍）。横截面积：质量比显示出没有强大的整体趋势与粒度（与固体球的预期的负面趋势相反），但是对于任何给定的粒度，比率存在相当大的变化性。

3.2 在665nm处的反射系数随颗粒质量和有效截面积的变化

图3示出了在665nm处的反射系数相对于颗粒的质量浓度的曲线图。 反射率（无量纲）对质量浓度C的回归（以mg /计）给出：

（1）

（N = 82， = 0.54，斜率的标准误差和截距分别为0.0002和0.002：本文中使用的符号列表在表1中给出）。随着质量浓度的增加反射率增加，但是这个关系是相对较弱的。 使用等式1的预测浓度误差的RMS（均方根）值为3.2 mg ，与6.8 mg 的该数据集的平均浓度相比; 因此使用等式1检索悬浮物质量浓度的相对误差为47％。

图4示出了在单位体积的水（A，单位）中665nm处的反射系数相对于颗粒的横截面积的曲线图。 对区域的反射回归给出：

（2）

（N = 78，R2 = 0.82，斜率和截距的标准误差均为0.001）。因此，颗粒截面积的变化解释了反射率变化的比例大于质量浓度的变化。 每立方米水平均颗粒有效截面积为0.71平方米。 使用方程2的预测横截面积的RMS误差为0.22平方米，平均值的31％。在这个图上，来自春季开花站点的数据点位于其余数据的总体趋势之外。对于这些站，反射率不随着颗粒横截面积增加而增加，可能是因为这些低折射率颗粒引起的散射变化太弱而无法检测。

图 3 在水面下665 nm处的辐照度反射率，R（665），以mg 表示的近地表颗粒物负荷颗粒的质量浓度（单位体积水中颗粒的干质量）绘图。空心点在2009年4月春季开花期间Anglesey地点的观测结果显示，实心点为其他站点的数据。 线条显示与非藻类绽放数据的最佳线性拟合。

四、讨论

本文提出的数据表明，近表面颗粒横截面积与表面反射系数的相关性要大于颗粒质量。这肯定表明，卫星“看到”粒子横截面积比质量更好，但我们必须首先检查我们应用的测试的性质，这是基于回归分析。

首先，我们可以根据对决定群体系数的置信区间（Wonnacott和Wonnacott，1986），评估对有效截面积（0.82）和质量（0.53）给出的拟合优度。R（665）对C的回归的该参数的95％置信区间为0.37 lt; lt;0.67。R（665）对A的回归的等价值为0.74 lt; lt;0.89。这加强了对于我们的数据集，粒子横截面积是比粒子质量更好的预测反射比的解释。

然而，可以认为两个数据集之间的的差异简单地反映了C测量中的更高的不确定性。实际上，A和C的测量以完全不同的方式和在不同体积的水中进行。对C进行三次测量，并且这些指示操作误差在平均值的10％的量级。然而，在有效截面积测量的情况下没有重复，其基于每个站处的单个LISST分布；因此，在这种情况下，我们无法判断测量误差是否有偶然的降低导致的改善。还有，的值对x轴上的值的范围敏感。对于质量浓度，范围（表示为观察值的标准偏差作为平均值的比例）为0.37，而对于横截面积，其为0.65。因此，颗粒区域的更大的动态范围可以有助于更高的值。我们感谢审稿人指出使用作为可预测性测试的这些限制。

也就是说，在理论上（如引言中所讨论的），我们预期反射率与这些水域中的颗粒有效截面积密切相关，再加上在回归分析中确实产生了更高的的观察结果支持这样的结论：至少对于主要是矿物主导的絮凝物，卫星比它们的质量更好地感测颗粒的有效截面积，其在我们的大多数站主要是这样的。在浮游植物绽放期间研究的几个站显示不同的趋势的发现表明反射率和有效截面积之间的关系可以随着颗粒的有机含量而变化。谁在浮游植

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