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热带海洋学报 >

2024 , Vol. 43 >Issue 2: 1 - 11

DOI: https://doi.org/10.11978/YG2023002

海洋调查与观测

体散射函数及衰减系数快速剖面仪的研发及应用*

  • 李彩 , 1 ,
  • 刘聪 1, 2 ,
  • 张现清 1 ,
  • 陈飞 1 ,
  • 肖志会 3 ,
  • 杨泽明 1 ,
  • 郑媛宁 1, 2 ,
  • 周雯 1 ,
  • 许占堂 1
展开
  • 1.热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所), 广东 广州 510301
  • 2.中国科学院大学, 北京 100049
  • 3.中国科学院南海海洋研究所仪器中心, 广东 广州 510301
李彩。email:

*感谢中国科学院仪器设备功能开发技术创新项目的资助; 感谢中国科学院海南热带海洋生物实验站黄晖研究员、周伟华研究员和付兴胜助理工程师对本次研究数据的获取提供的支持和帮助; 感谢中国科学院海南热带海洋生物实验站组织的三亚湾生态环境调查冬季航次。

李彩(1977—), 女, 甘肃省白银市人, 研究员, 主要从事海洋光学技术的研究。email:

Copy editor: 殷波

收稿日期: 2023-06-25

  修回日期: 2023-08-27

  网络出版日期: 2023-08-24

基金资助

广州市南沙区重点领域科技项目(2022ZD001)

国家自然科学基金项目(41976181)

国家自然科学基金项目(41976172)

国家自然科学基金项目(41976170)

国家自然科学基金项目(42276181)

热带海洋环境国家重点实验室自主研究项目(LTOZZ2003)

国家重点研发计划课题项目(2022FY100601)

收起

Development and Application of the Multiangle Volume Scattering and Attenuation Meter (VSAM)*

  • LI Cai , 1 ,
  • LIU Cong 1, 2 ,
  • ZHANG Xianqing 1 ,
  • CHEN Fei 1 ,
  • XIAO Zhihui 3 ,
  • YANG Zeming 1 ,
  • ZHENG Yuanning 1, 2 ,
  • ZHOU Wen 1 ,
  • XU Zhantang 1
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Tropical Oceanography (South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences), Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. Equipment Public Service Center (South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences), Guangzhou 510301, China
LI Cai. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2023-06-25

  Revised date: 2023-08-27

  Online published: 2023-08-24

Supported by

Science and Technology Planning Project of Guangzhou Nansha District Guangzhou City China(2022ZD001)

National Natural Science Foundation of China(41976181)

National Natural Science Foundation of China(41976172)

National Natural Science Foundation of China(41976170)

National Natural Science Foundation of China(42276181)

Open Project Program of the State Key Laboratory of Tropical Oceanography(LTOZZ2003)

National Key R&D Program of China(2022FY100601)

Fold

摘要

水体体散射函数(volume scattering function, VSF, β θ , λ)、吸收系数 a λ及衰减系数 c λ是海水固有光学特性的基础性参数, 基于上述参数可以进一步推算得到水体所有特征性光学特性参数, 进而为海洋初级生产力、全球碳循环等基础和前端领域研究以及水色遥感、水环境监测及灾害预警、水下光场分布、目标追踪、光伏发电等军民融合领域的应用和发展提供重要的数据支撑。受限于体散射函数的强方向性, 其测量技术难度大且发展不成熟。文章以高角度分辨率多角度体散射函数及衰减系数高频剖面测量为目标, 研发了可同步获取17个角度体散射函数、水体衰减系数、剖面深度及温度信息的快速剖面测量仪(volume scattering and attenuation meter, VSAM), 其测量频率最高可达20Hz, 体散射函数测量角度范围为10°~170°, 角度分辨率10°, 剖面最大工作深度200m。利用VSAM对三亚湾和崖州湾水体光学特性分布进行剖面调查研究: 整体上, 崖州湾和三亚湾水体体散射函数及衰减系数均存在较大的水平、垂直及角度(体散射函数)变化特征; 同一水层, 自西向东衰减及体散射函数呈递减趋势; 同一站位, 衰减及体散射函数随剖面深度呈递增趋势; 前向10°体散射函数最大, 后向120°体散射函数最小, 前后向体散射函数相差2个数量级甚至更高。结合同期获取的水体浊度和叶绿素浓度剖面调查结果发现, 浊度是崖州湾水体体散射函数及衰减系数显著高于三亚湾的主导贡献者, 且上述海域水体浊度与颗粒物散射 β p 90 ° , 650及衰减 c p 650具有很好的线性相关性。VSAM测得的衰减系数及后向体散射函数分别与Viper (Trios公司, 德国)及ECO-VSF3 (Seabird公司, 美国)测量结果在剖面分布上具有较好的一致性。

关键词： 体散射函数; 衰减系数; 剖面测量; 三亚湾; 崖州湾

本文引用格式

李彩 , 刘聪 , 张现清 , 陈飞 , 肖志会 , 杨泽明 , 郑媛宁 , 周雯 , 许占堂 . 体散射函数及衰减系数快速剖面仪的研发及应用*[J]. 热带海洋学报, 2024 , 43(2) : 1 -11 . DOI: 10.11978/YG2023002

Abstract

The volume scattering function (VSF, β θ , λ), the absorption coefficient a λ, and attenuation coefficient c λ are the basic parameters of the inherent optical properties of seawater, based on the above parameters, all the inherent and apparent characteristic parameters of the seawater can be further deduced, and the important information data for the basic and front-end research on the primary productivity of the ocean and the global carbon cycle, as well as the military-civilian integration fields application such as the development of the water color remote sensing, the water environment monitoring and disaster early warning, the underwater light field distribution, target tracking, and the photovoltaic power generation will be supported. Limited by the strong directionality of VSF, its measurement technology is difficult and immature. In this paper, with the goal of high-frequency profile measurement of high-angle resolution multi-angle VSF and attenuation coefficient of seawater, a multiangle volume scattering function and attenuation coefficient meter (VSAM) that can simultaneously measure 17 angular VSFs, the attenuation coefficient, the profile depth and temperature information has been described, the measurement angle range of VSF is 10° ~ 170° with the interval of 10°, while the theoretical measurement frequency and deepest profile depth are 20 Hz and 200 m, respectively. With VSAM, the distribution of optical parameters of Sanya Bay and Yazhou Bay has been investigated and studied, and on the whole, the VSFs and attenuation coefficient of Yazhou Bay and Sanya Bay have large changes in horizontal, vertical and angle (for VSFs). The minimum and maximum of VSFs in 120° and 10°, respectively, and the maximum is two or more orders of magnitude larger than the minimum. The attenuation and VSFs show a decreasing trend from west (the Yazhou Bay) to east (the Sanya Bay) in the same water layer and an increasing trend from surface to underwater deeper in the profile at the same station. Combined with the results of water turbidity and chlorophyll concentration profile results measured during the same period, it is found that turbidity is the dominant contribution of the VSFs and attenuation coefficient of the Yazhou Bay, and it also has a good linear correlation with c p 650 and β p 90 ° , 650 in these two bays. The attenuation coefficients and VSFs measured by VSAM are in good agreement with the attenuation coefficient measured by Viper (www.trios.de) and the VSFs by ECO-VSF3 (www.seabird.com) in the same stations and water layer during the same period.

Key words： volume scattering function; attenuation coefficient; profile measurement; Sanya Bay; Yazhou Bay

海水光学特性分为固有光学特性和表观光学特性, 是研究和利用海洋资源的重要参数。水体体散射函数[volume scattering function, VSF, β θ , λ]、吸收系数[ a λ]及衰减系数[c λ]均是海水光学特性的基础参数, 利用水体及其组分的 β θ , λ和 a λ可以计算得到所有特征性光学特性参数; 结合太阳光辐射等边界条件, 基于辐射传输方程, 可以得到包括遥感反射率(R)、漫射衰减系数(K)等在内的水体表观光学特性及水下光场分布参数, 因此, 上述参数可以直接或间接揭示水体的组分及其浓度、比例等重要信息, 进而为水下光辐射传输(Lee et al, 2003)、海洋初级生产力、全球碳循环等基础及前端领域研究, 以及水色遥感(Mcleroy-Etheridge et al, 1998; Loisel et al, 2010)、水环境监测及灾害预警(Hojerslev, 1975)、水下光场分布及光学成像(张现清 等, 2023)、目标追踪(Duntley, 1963)、光伏发电等军民融合领域应用研究提供重要的理论依据和数据支撑。
用于描述海水中光散射方向性的体散射函数是波长( λ )与散射角( θ )的函数, 与水体及其各组分密切相关(王万研 等, 2018)。根据其测量角度覆盖范围可以将体散射函数测量技术分为前向小角度(一般10°以内)散射测量技术、90°~180°范围内单个或多个角度后向体散射函数测量技术以及0~180°范围内多个角度散射光信号的广角/多角度体散射函数测量技术。受制于宽动态范围微弱散射光通量的有效探测及广角度范围体散射函数的精确定标(李彩 等, 2013; 刘聪 等, 2023), 0~180°范围内广角/多角度体散射函数测量技术是海洋光学测量技术领域一个重要而又棘手的难题, 技术发展缓慢且不成熟。自20世纪40年代兴起至今, 发展起来的广角体散射函数测量原理及技术主要包括单一探测器转动式、多探测器阵列式以及单一面阵电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)探测技术等3大类(徐聪辉, 2019; 徐聪辉 等, 2019a)。
20世纪40年代至21世纪初, 受光、机、电技术先进性限制, 单一探测器旋转式体散射函数测量技术一直是广角体散射函数的核心技术, 该技术基于单一光源、单一探测器, 通过旋转光源、探测器或折光棱镜的方式实现0~180°范围不同角度散射通量/体散射函数的测量。该结构代表性样机是20世纪60年代后期, Petzold等研制的用于前向小角度散射及10°~170°范围内广角体散射函数测量仪样机, 且利用该样机对港口、近岸及大洋3类典型水体体散射函数进行了调查研究(Petzold, 1972), 调查结果作为经典数据引用至今。基于该结构原理设计的最先进的仪器是Lee等研发的体散射测量仪(Volume scattering meter, VSM)(Lee et al, 2003), 它可以获得0.6°~177.9°范围(角度分辨率高达0.3°)内的体散射函数。受测量原理及过程所限, 采样频率、测量稳定性及功耗是该类仪器的瓶颈(Kullenberg, 1978a; 1978b)。进入21世纪初, 随着技术的飞速发展及光电探测器性能提升、体积变小, 多探测器阵列式广角体散射函数测量结构应运而生, 该结构通过在不同方向安装散射光通量探测器来实现不同角度体散射函数的测量(Li et al, 2012), 代表性样机有Wetlabs公司研发的多角度散射测量仪(multiangle scattering optical tool, MASCOT) (Twardowski et al, 2012), 它可以同时获得10°~170° (间隔10°)范围内17个角度散射通量, 借助高光谱水体吸收衰减测量仪(absorption and attenuation meter, ac-s)等仪器获取的衰减系数, 可以计算得到对应角度VSF, 该结构无任何移动组件, 不同角度探测器可独立设计其增益, 大大提高了散射通量的测量速度及动态范围, 受制于其测量原理和结构特点, 阵列式结构角度分辨率(10°)目前尚无法做到与旋转光源或探测器结构分辨率(0.3°)相媲美。21世纪10年代, 为开展藻类散射特性研究, 日本科学家研发了一种基于面阵CCD探测器的体散射函数测量仪I-VSF, 利用CCD阵列探测结构, 可以快速测定广角(8°~172°, 间隔1°)体散射函数, 该项技术仅适用于实验室使用(Tan et al, 2013), 因其利用同一CCD探测不同角度散射光信号, I-VSF测量灵敏度低、动态范围较小。目前, 世界上唯一一台商业化广角体散射函数测量仪LISST-VSF来自于美国Sequoia公司, 该测量仪耦合阵列式固定探测及“旋转眼球式”单一探测技术, 可以在数秒钟内完成0.1°到155° (间隔不大于1°)范围内VSFs的测量(Hu et al, 2019)。总体而言, 虽然经历了70多年的研发历程, 但至今体散射函数, 尤其覆盖0~180°的广角/多角度体散射函数测量方法及技术仍不够成熟, 体散射函数实测数据极其稀少, 技术的不成熟和观测数据的稀缺与海洋认识及应用需求的日益增长形成了强烈的对比。
体散射函数定标方法概括起来主要有3大类: 基于散射体估算、基于辐射通量及权重函数、基于标准颗粒物散射相函数及Mie散射理论(刘聪, 2022; 刘聪 等, 2023)。基于散射体估算的定标方法利用仪器的光机结构估算散射体, 同步散射通量传感器的光辐射定标, 结合其数学定义式进行定标。但不同角度散射体的准确计算难度较大, 一般通过特定角度散射体来近似估算其他角度散射体, 这种估算方法角度适应性受限, 无法有效适用于前向小角度和后向近180°散射角体散射函数定标(Li et al, 2012)。基于辐射通量及权重函数的体散射函数定标是通过在一定距离内移动漫射板, 利用面散射的距离积分模拟体散射, 移动漫射板的过程中, 同步测定通量传感器的综合响应权函数, 在此基础上, 结合传感器的光通量响应因子即可计算得到体散射函数。该方法无需考虑仪器复杂的光机结构参数, 定标过程较为简单, 可有效避免因散射体估算不准而带来的定标误差, 但其更适用于宽视场角的后向散射仪器定标。与上述两种方法相比较, 基于标准颗粒物散射相函数及Mie散射理论的体散射函数定标方法最大优势就是其定标精度基本不受散射角度范围及视场角大小的限制, 随着技术及方法的进步, 目前已成为体散射函数定标的主流方案。该方法首先基于已知标准颗粒物的粒径及折射率, 利用Mie散射理论数值模型估算出其在不同角度的散射相函数, 然后结合颗粒物散射系数, 计算对应浓度颗粒物在不同角度的体散射函数, 并将其与对应角度实测散射光通量相对应, 确定对应角度体散射函数定标因子。随着计算及测量精度的不断提升, 标准颗粒物的折射率及粒径分布等特征参数的测量精度会越来越高, 散射相函数的估算模型会越来越完善、精度越来越准确, 基于Mie散射理论及标准颗粒物的体散射函数定标精度也会越来越高。
针对海洋光学及其交叉学科前沿研究及应用发展需求, 结合前期自主研发的我国第一套7角度水体体散射函数及衰减系数测量仪(Li et al, 2012), 本文以高角度分辨率多角度体散射函数 β θ , λ及衰减系数c λ的高频剖面测量为目标, 研发了可同步获取17个角度水体体散射函数、衰减系数、剖面深度及温度信息的快速剖面测量仪(volume scattering and attenuation meter, VSAM), 其测量频率最高可达20Hz, 测量角度范围为10°~170°, 角度分辨率10°, 最大工作深度200m; 基于标准物质及Mie散射理论开展了体散射函数及衰减系数定标研究; 利用VSAM结合水质测量仪对三亚湾和崖州湾水体光学特性及水质进行了剖面调查研究, 并将VSAM测量结果与同类商业化仪器进行对比分析验证了VSAM性能及测量结果的可靠性。

1 测量原理与技术

1.1 测量原理

任一角度体散射函数[( β θ , λ ]数学定义为该散射角相应的散射体( V θ )和立体角( Ω )的散射通量[ Φ s θ , λ ]的二阶导数与入射辐照度( E )的比值, 单位为m-1·sr-1。公式(1)为体散射函数的数学计算公式(Li et al, 2012; 刘聪, 2022)。
β θ , λ = ∂ 2 Φ s θ , λ E ∂ Ω ∂ V θ
式中: θ为散射角(单位: °), V θ为散射体的体积(单位: m3), λ为波长(单位: nm), E为入射辐照度(单位: W·m-2·nm-1)。 β θ , λ具有显著的时空变化特点。
图1给出了VSAM中透射及散射光通量探测原理。图中 V θ为散射体的体积(单位: m3), r s为光源至散射体中心的距离(单位: m), r d为散射体中心至探测器的距离(单位: m), r t为散射体中心至0°透射探测器的距离(单位: m), Φ 0 0 , 0 , λ为光源出光口光通量(单位: W), Φ s r d , θ , λ表示 θ方向探测器接收到的散射光通量(单位: W),   Φ t r t , 0 , λ为0°方向透射探测器接收到的散射光通量(单位: W)。
图1 体散射函数测量原理示意图

Fig. 1 Measurement principle of volume scattering function

结合图1中VSAM的测量原理及其具体光机结构参数, 公式(1)中相关参数可以进一步表征为公式(2)和公式(3):
E = Φ 0 0 , 0 , λ S e − c λ r s                    
Φ s r d , θ , λ = Φ s r s , θ , λ e − r d = Φ 0 0 , 0 , λ e − c λ r d + r s
式中: S表示出射光束的横截面积(单位: m2), r s为光源至散射体中心的距离(单位: m), r d为散射体中心至探测器的距离(单位: m), 对于VSAM, r s + r d = 0.3 m, r s = r d (Liu et al, 2023); Φ 0 0 , 0 , λ为光源出光口光通量(单位: W), Φ s r s , θ , λ为经散射体散射后进入 θ方向的散射光通量(单位: W), Φ s r d , θ , λ表示 θ方向探测器接收到的散射光通量(单位: W); c λ表示待测样品衰减系数。将公式(2)、(3)带入公式(1)可得公式(4):
β θ , λ = Φ s r d , θ , λ S Φ 0 0 , 0 , λ e − c λ r d + r s Ω V θ
根据衰减系数 c λ的定义(曹文熙 等, 2003), 结合图1中VSAM设计参数, 到达0°探测器的光通量表示为 Φ t r t , 0 , λ, 衰减系数的计算式参数化为公式(5):
c λ = − 1 r d + r s ln Φ t r t , 0 , λ Φ 0 0 , 0 , λ
对于待测水体, 测得其衰减系数 c λ, 以及相应角度下的散射光通量 Φ s r d , θ , λ, 即可通过公式(4)计算得到相应的体散射函数 β θ , λ。通过对不同角度范围 β θ , λ积分可得到散射系数( b )、后向散射系数( b b )及无量纲归一化的散射相函数 β ˜ θ等, 公式(6)~公式(8):
b = 2 π ∫ 0 π β θ sin θ d θ
b b = 2 π ∫ π 2 π β θ sin θ d θ
β ˜ θ = β θ b  

1.2 仪器光机结构设计

VSAM的结构设计如图2, 图2a的光机结构中, 0°透射光通量探头以及10°~170°范围内17个散射光通量探头均与光源共面, 所有光通量探头及光源外形均设计为上大下小的楔形结构以确保探测器及光源能够按照10°间隔布放在内半径15cm、外半径27cm的半圆环上; 仪器工作总控水密舱体通过支架固定在图2a的半圆环上方(如图2b), 水密舱体与各角度散射通量探头、透射通量探头及工作光源之间利用19条水密电缆电联通, 温深度探头安装在圆柱形水密舱上盖(徐聪辉, 2019; 刘聪, 2022)。
图2 VSAM光机结构及实物图

a. 光机结构; b. 3D图, 黄色框线部分是工作总控水密舱; c. 实物图

Fig. 2 Optical-mechanical structure and photo of VSAM.

(a) Optical-mechanical structure, (b) 3D photo, the yellow box represents the watertight cylinder, (c) Physical photo

VSAM所采用光源为定制型PG-VI-650-50mW (中心波长659nm)单波段准直半导体激光器(长春新产业光电技术有限公司), 输出1KHz调制(占空比为1:1)圆偏振光, 输出峰值功率为50mW, 在距离出光孔30cm处, 光斑小于3.6mm; 为确保体散射函数测量的稳定性和重复性, 对光源能量变化进行实时检测跟踪, 光源设计中, 利用半透半反镜将准直出射光分为两束, 一束(≥95%)穿过光学窗口作为工作光能量进入海水中进行散射测量, 即为测量光束, 另一束(≤5%)直接进入内置参考光探测器以监控光源的变化过程, 形成参考光, 通过参考光实时补偿和校正测量光束能量变化。
17个散射光通量探头组和1个透射光通量探头内外部结构整体相同, 探头外壳采用铝合金材质以减轻其重量, 外壳黑色氧化处理, 内部由光学准直聚焦透镜、窄带滤光片、视场角限定光阑、高灵敏度光电探测器以及模拟信号预处理电路等组成, 为更好地适应散射光信号方向性特点, 确保测量信息的有效性, 对透射及不同角度散射光通量探头内部光阑进行了针对性设计, 以优化探测器的视场角, 总体设计原则为前向散射光信号强, 设计小的接收视场角, 后向信号弱, 设计较大的视场角, 所有探头内部半视场角变化范围控制在0.4°~2.5°。
因VSAM具备同步测量衰减系数(0°透射)的功能, 为解决透射光探头窗口玻璃的镜面反射对光源及后向散射光污染的问题, 除了限定其接收视场角外, 还将透射光探头的窗口玻璃外侧设计为具有一定倾斜度的斜面结构, 尽可能避免透射光探头窗口玻璃的镜面反射, 考虑光通量探测器水下浸没效应, 对透射光探测器安装、探测器窗口倾斜面的微调等均需要在水下完成。

1.3 数据采集控制系统

图3所示为VSAM测量控制系统及上位机工作控制功能示意图。其中, VSAM测量控制系统主要用于控制VSAM数据采集、存储及信息传输, 其核心功能模块有光通量和温深度感知模块、20通道模数转换模块(analog to digital converter, ADC)(徐聪辉 等, 2019b)、数据采集控制及存储模块、供电系统等; 上位机工作控制功能模块主要用于VSAM工作参数及工作模式的选择设定、VSAM测量数据的下载与处理等。数据采集过程控制及存储模块主要由STM32微处理器芯片、MicroSD存储卡、板载电源等核心器件构成, 实现包括0°透射、17个角度体散射光通量、用于光源变化补偿的参考光通量以及温度和所处水深的快速采集及储存。供电系统由可充电锂离子电池、恒流/恒压模块及VSAM供电过程控制模块构成, 主要为VSAM的数据采集、存储提供稳定的电压, 20通道ADC主要用于17通道散射光通量、1通道透射光通量及1通道参考光信号的高精度模数转换。
图3 数据采集系统硬件结构及软件功能示意框图

Fig. 3 Schematic diagram of the hardware structure and software function of data acquisition system

为配合VSAM工作总控系统实现数据采集及过程控制, 上位机用户界面设计了在线测量模式和水下全自动快速剖面测量模式两种。在线测量模式主要用于各种工作参数的设定、修正及读取、暗电流测量及校正、衰减系数及体散射函数定标、样品在线测量、数据可视化下载及关键参数修订和读取等, 在线测量过程中上位机实时控制VSAM测量与数据保存过程。VSAM水下全自动快速剖面测量则采用水下自动、自容测量模式, 为确保测量数据的有效性, 水下全自动快速剖面测量基于预设水深阈值开启, 仪器下水后会实时采集当前所处水深并将其与系统内预设水深临界值进行对比, 当仪器水下深度超过预设临界水深时, 开启对水体体散射、透射等光通量信号的测量并将其与对应剖面深度及温度同步进行自容式存储; VSAM水下可选择剖面下行测量、上行测量及上下行测量等多种全自动测量模式, 上述全自动测量模式通过人工介入模式下水前预设定。

2 VSAM的定标方法研究

定标过程就是将各个角度测量得到的透射及散射光通量码值换算为与其对应的衰减系数及体散射函数, 21世纪10年代研制的我国第一套7角度水体体散射函数及衰减系数测量仪(Li et al, 2012), 采用了散射体估算及散射通量定标的体散射函数定标方法。体散射函数定标时, 首先利用已知光学及机械结构的相关参数估算得到90°探测器接收视场角对应的散射体V90, 然后以纳米为基础, 基于相同接收视场角, 构建不同方向散射体的正弦估算模型并计算得到Vθ, 最后结合各通量探测器的辐射定标对体散射函数进行定标。该方法角度适应性受限, 不适于VSAM定标, 因此VSAM定标研究中, 体散射函数定标基于标准聚苯乙烯颗粒物及Mie散射理论展开, 衰减系数定标基于超纯水展开, 对于体散射函数及衰减系数的详细定标方法、过程及精度等均已在前期研究中予以详细介绍(Liu et al, 2023)。图4所示为VSAM定标及数据处理可视化用户界面。
图4 定标及数据处理可视化用户界面

Fig. 4 GUI for real time data chart and VSF calculation

3 基于VSAM的崖州湾和三亚湾水体光学特性调查研究

本次调查航次为中国科学院海南热带海洋生物实验站“三亚湾生态环境调查冬季航次”, 调查海域为崖州湾(Y)及三亚湾(W)两个海湾, 调查时间为2022年1月6日至9日, 调查站位有23个, 其中三亚湾12个(W1~W12), 崖州湾11个(Y1~Y11)。观测要素包括体散射函数 V 90和衰减系数 V θ(z为剖面深度), 最大测量深度为18m。崖州湾和三亚湾均位于海南岛南端, 三亚湾是三亚市旅游区的重要组成部分, 崖州湾是当前三亚市重点发展和科技城建设要地。沿岸生活和建设所致陆源泥沙和废水对上述海湾水质产生一定的影响, 水体的光学特性可以直接或间接地验证或反馈水质的变化。图5为三亚湾和崖州湾调查站点位置分布及现场仪器投放照片。为配合VSAM开展现场水体光学特性调查、水质分析和数据质量评估, 现场调查时, 同步配套了一套综合比测系统, 该系统主要由水体衰减系数测量仪Viper (https://trios.de/)、后向三角度体散射函数测量仪ECO-VSF3 (https://www.seabird.com/)、三参数水质荧光计TRILUX (https://chelsea.co.uk/)等组成, 因Viper、ECO-VSF3和TRILUX均无深度探头, 为匹配剖面深度, 比测系统中还同步集成了自主研制的自容式温盐深传感器(conductivity-temperature-depth, CTD)。
图5 三亚湾及崖州湾VSAM调查站位及作业照片

a. 调查站位; b. VSAM作业照片; c. 比测系统作业照片

Fig. 5 Measuring sites and operating photos of VSAM in the Sanya Bay and Yazhou Bay.

(a) Measuring sites, (b) Operating photo of VSAM, (c) Operating photo of the comparison system

图6和图7分别为三亚湾12个站点和崖州湾11个测量站点的体散射函数随剖面深度及角度的3D变化图。总体而言, 崖州湾水体体散射函数较三亚湾水体体散射函数处于较高水平, 具体的, 在剖面分布上, 三亚湾和崖州湾所有站位体散射函数、随剖面深度均呈递增趋势, 剖面变化率崖州湾较三亚湾更为显著, 尤其崖州湾Y1站点的体散射函数, 从表层到底层, 同一角度体散射函数相差3个数量级, 显著高于其他站点; 角度分布上, 前后向散射体现出了强的方向性特点, 前向10°最大, 体散射函数最小出现在后向120°附近, 这与Kullenberg (1984)在德雷克海峡和秘鲁上升流区调查研究结论一致。
图6 三亚湾各站点体散射函数角度及剖面分布

Fig. 6 Angle and profile distribution of VSFs at each station in Sanya Bay

图7 崖州湾各站点体散射函数角度及剖面分布

Fig. 7 Angle and profile distribution of VSFs at each station in the Yazhou Bay

进一步分析不同站位表层 c z , 650、 β 10 ° , z , 650及 β 120 ° , z , 650的空间变化, 如图8所示。同一水层, 三亚湾水体衰减及体散射函数显著低于崖州湾, 同一站位, 10°与120°体散射函数相差均在2个数量级以上。在同一站位的纵向, 崖州湾Y1至Y7水域, 3m水层的 c 3 , 650、 β 10 ° , 3 , 650及 β 120 ° , 3 , 650均高于1m水层的 c 1 , 650、 β 10 ° , 1 , 650及 β 120 ° , 1 , 650, 且变化趋势具有较好的一致性。在同一水层的横向, 崖州湾海域的 c z , 650、 β 10 ° , z , 650及 β 120 ° , z , 650最大区域均出现在Y1站点, 以Y1最大为中心, 自西向东逐渐递减, 除Y1外, Y3和Y5站点的 c z , 650、 β 10 ° , z , 650及 β 120 ° , z , 650均高于其他站位, 这一现象可能是由于上述站点紧邻西鼓岛及东锣岛, 岛上滩沙或砾石冲刷注入所致; 三亚湾水域, 自西向东, c z , 650、 β 10 ° , z , 650及 β 120 ° , z , 650的变化趋势则以W7、W8为临界先减小后增大, 至W1站位达到最大, 究其原因应该是W1站位临近鹿回头旅游风景区, 人类活动的陆源输入对水质的影响和水体光学特性的改变。
图8 崖州湾及三亚湾衰减系数及特定角度体散射函数表层分布

Fig. 8 Surface distribution of attenuation coefficients and VSFs

如图9所示, 结合同期开展的水质(浊度和叶绿素)调查信息, 对三亚湾和崖州湾表层1m处吸收和体散射函数 c 1 , 650、 β 90 ° , 1 , 650及水质参数浊度和叶绿素的空间分布特征进行分析发现, 崖州湾海域, 水体的衰减及散射的空间分布与浊度一致, 与叶绿素浓度的分布相反, 自西向东, 以Y7、Y8为临界, 衰减、散射、浊度以Y1为高值先递减后增大, 叶绿素浓度则以Y1为低值先递增后递减, 至Y7站点附近, 浊度达到最小, 叶绿素达到最大, 这一水质特征可能是由于Y7靠近著名的大小洞天风景区, 人类活动的陆源营养输入导致的叶绿素浓度增加所致。三亚湾, 自西向东, 以W7、W8为临界, 叶绿素先减小后增加, 而浊度整体呈递增趋势, 至W1附近, 叶绿素和浊度都达到三亚湾调查站点的最大值。进一步结合决定系数r2、均方根误差RMSE和平均绝对百分比误差MAPE, 对崖州湾和三亚湾水体浊度与颗粒物衰减系数 c p 650、90°体散射函数 β p 90 ° , 650之间的相关性进行分析(张现清 等, 2023), 如图10所示, 整体上崖州湾和三亚湾水体浊度与体散射函数及衰减系数之间有很好的线性相关性。
图9 崖州湾和三亚湾沿岸表层1m处水体衰减系数(a)、体散射函数(b)、浊度(c)及叶绿素质量浓度(d)空间分布

Fig. 9 Spatial distribution of c p 650, β p 90 ° , 650, turbidity, and Chla (1) in Yazhou Bay and Sanya Bay

图10 调查海湾水体浊度与颗粒物衰减系数及体散射函数的相关性

RMSE表示均方根误差; MAPE表示平均绝对百分比误差

Fig. 10 The correlation between turbidity and c p 650, β p 90 ° , 650 in the investigated Bays

4 VSAM性能验证

将比测系统中Viper测得的 c z , 650及ECO-VSF3测得的 β 100 ° , z , 650、 β 125 ° , z , 650与VSAM对应参数进行对比。因为Viper采样频率太低(小于0.03Hz), 且测量过程中自研温盐深传感器故障, 能够进行数据有效匹配的作业站位太少, 所以图11仅给出三亚湾W4、W11两个站点的VSAM与ECO-VSF3和Viper测量结果比测。通过对比可以看出, VSAM测得的衰减系数及后向体散射函数分别与Viper和ECO-VSF3测量结果在剖面分布趋势有很好的吻合度, 但在量级上有细节性的不同, 具体来说, 对 c z , 650, VSAM测量结果低于Viper测量结果; 对 β θ , z , 650, VSAM测量结果高于ECO-VSF3。造成上述细节上差距可能的原因有: 1) 两套仪器非同步下水测量, 时间的滞后性以及前一套仪器下水扰动等均可带来水体光学特性的短暂变化和细微区别; 2) 仪器本身的测量误差。
图11 三亚湾W4站位(a~c)、W11站位(d~f)的VSAM与Viper及ECO-VSF3测量结果对比

Fig. 11 Comparison of c p z , 650, β 100 ° , z , 650, β 120 ° , z , 650, and β 130 ° , z , 650 measured by VSAM, Viper, and ECO-VSF3 in Sanya Bay

5 结论

水体体散射函数是海水光学特性的关键基础性参数之一, 基于水体的体散射函数和吸收系数可以直接或间接揭示水体的组分及其浓度、比例等重要信息, 进而为水下光辐射传输、全球碳循环等基础及前端领域研究以及水色遥感及灾害预警、水下光场分布及基于光场的军民融合领域应用及发展提供科学依据和数据支撑。本文以多角度体散射函数 c z , 650及衰减系数 β 100 ° , z , 650高频剖面测量为目标, 研发了可同步获取10°~170°范围内17个角度(角度分辨率10°)水体体散射函数、衰减系数、剖面深度及温度信息的快速剖面测量仪VSAM, 与MASCOT相比, 无需额外辅助仪器, VSAM可直接测量并获取多角度水体体散射函数。利用VSAM对三亚湾和崖州湾水体光学特性剖面分布进行了调查研究发现, 崖州湾和三亚湾水体的体散射函数及衰减系数均存在较大的空间(纵向、横向)及角度变化特征, 同一水层, 自西向东衰减及体散射函数呈递减趋势; 同一站位, 衰减及体散射函数随剖面深度呈递增趋势; 水体体散射函数表现出显著的角度分布特征, 前向10°最大, 后向120°最小。结合同期获取的水体浊度及叶绿素浓度剖面调查结果发现, 浊度是崖州湾水体体散射函数和衰减系数显著高于三亚湾的主导贡献者, VSAM测量结果与同期Viper和ECO-VSF3测得的衰减系数和后向体散射函数在剖面分布趋势上具有高度的一致性。

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