王忠林 邢旭峰 司寶玲 黃妙芬 尹增強 孫忠泳

摘 要：海水中CO2總濃度影響大氣CO2的濃度水平，是決定海洋酸化程度的重要因子。該研究利用珠江口海域現場采集的數據，建立了適用于Landsat 8衛(wèi)星數據的反演海水中CO2總濃度的模型，研究結果表明：利用現場實測數據對遙感模式估算值進行驗證，所建立模式具有較高的準確率；珠江口海域水中總CO2數值在26～70mg/L，分布為近岸海域高于外海，西部海域遠高于中部和東部。

關鍵詞：珠江口海域；Landsat衛(wèi)星數據；海水總二氧化碳；黃色物質；反演算法

中圖分類號 P716.5 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）07-0084-3

Study on the Algorithm of Inversing Carbon Dioxide in Seawater Based on Landsat8 Data

Wang Zhonglin1 et al

（1 Ocean and Environmevt College，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China）

Abstract：The total CO2 concentration in the sea water affects the level of atmospheric CO2 and is the decisive factor of the degree of ocean acidification. The article，based on the data which were measured in the Pearl River Estuary，is erecting the model of the distribution of the total CO2 concentration in the sea water which is adaptable for the retrieval of data of Landsat8 OLI. The results showed that the use of the measured data to validate the values estimated from remote sensing model indicating that the model has a high accuracy rate. The values of CO2 in the Pearl River estuary is between 26～70mg/L，offshore higher than the open sea and western higher than the central and eastern.

Key words：Pearl river estuary； Landsat8/OLI data； Carbon dioxide in seawater，CDOM； Inversion algorithm

近年來，隨著全球變暖的加劇，人們對溫室氣體的關注也在不斷的增加。從1990年開始，人們就開始對CO2在內的溫室氣體進行研究，政府間氣候變化專門委員會發(fā)布第一次綜合評估報告指出：人類活動排放的溫室氣體在大氣中長期累積將導致氣候變化，此后全球也都關注著溫室氣體的變化，并采取了相應的措施。2015年，近200個國家達成巴黎協議，其中重要的一項就是“國家自主貢獻”條約，每個合約國要對人為排放和清除的溫室氣體進行核算，而對CO2的核算將是研究的重點之一。海洋作為地球表面最大的碳庫，決定著大氣CO2的濃度水平，因此關于海洋中的CO2系統(tǒng)的研究備受關注[1]。海水吸收大量的CO2導致海洋酸化將引發(fā)珊瑚和浮游生物生長緩慢、種群數量減少等一系列生態(tài)問題，而且海水中CO2的含量直接影響著浮游植物的光合作用，對海洋的初級生產力也有顯著的影響。

目前對海洋CO2的研究多集中在海表CO2分壓和海氣通量方面，水中CO2含量的研究較少，尤其是遙感研究更是集中在海氣通量的研究上：如Liu推測全球陸架邊緣海整體來講是大氣CO2的弱匯[2]，Cai和Lohrenz通過有色可溶性有機物（Chromophoric dissolved organic matter，CDOM）為參數，計算了密西西比河口pCO2的分布[3]。目前研究水體CO2體系有兩種方法，一是直接測定水樣的總CO2與溶解CO2，主要測定方法是庫侖滴定法和紅外CO2分析法，這兩種方法測量過程復雜，因而很少被用于海上調查；二是通過測定水樣的pH值、堿度以及水溫和鹽度進行間接計算。

本文利用2013年11月和2014年2月兩個航次在珠江口海域現場采集的溫鹽數據和固有光學量數據，建立了適用于Landsa 8 OLI數據通過CDOM為中間物質反演水中CO2總濃度的模型，為中國南海的CO2濃度反演提供參考。

1 研究海區(qū)和數據

研究海區(qū)包括珠江口及鄰近海域，位于21°～22°N、113°～114°E，河口海域為受人為活動影響極大的區(qū)域，也包含了外海較清潔水體，共布設站位29個（見圖1）試驗時間為2013年11月和2014年2月。由于冬季海況惡劣，導致取樣點有所舍棄，近岸數據有所減少，兩個航次CDOM有效樣本總計46個，由于光譜測量對天氣穩(wěn)定性的要求較高，兩個航次對應的現場光譜測量數據為33個，有效的溫鹽數據42組，可用于研究的試驗數據有28組。

CDOM吸收系數樣品按照NASA給定的海洋光學測量規(guī)范進行測量[8]，計算公式如下：

ag（λ）=（2.303/l）×{[ODS（λ）-ODbS（λ）]-ODnull，g } （1）

式（1）中，l為比色皿的光程（通常取值0.1m），ODS（λ）是樣品相對于參比純水的光學密度（無量綱），0Dbs（λ）是經過樣品處理程序處理的空白純水相對于參比純水的光學密度（無量綱）；ODnull，g是在可見光長波段或近紅外波段溶解物質吸收可以假定為零的波段的表觀殘余光學密度（無量綱）取出計算后435～445nm處的光譜吸收系數計算平均值作為ag（440）；根據國際常用表International Oceanographic tables[9]結合水體溫度將現場測量的鹽度轉換為實用鹽度，再根據海洋調查規(guī)范[6]計算海水中總CO2濃度，計算公式如下：

ρ（CO2）=（0.67×S–0.05）×12000 （2）

式（2）中，ρ（CO2）為海水中CO2的總濃度（以C計），單位為毫克每立方米（mg/m3）；S為海水實用鹽度（無量綱）。

水體光譜測定采用美國ASD公司生產的可見近紅外地物光譜儀測，使用的是水面之上測量法。

本文借鑒Bower的CDOM反演模式，通過現場光譜數據和Landsat 8光譜響應函數建立了針對珠江口海域的CDOM提取模型。

ag（440）=0.0723×exp（0.0723（R4/R2））（R2=0.84） （3）

式（3）中，ag（440）是指波長在440nm時對應的吸收系數，R4、R2分別為Landsat 8的B4和B2波段對應的遙感反射比（sr-1）。

2 模型的建立

當大氣CO2穿越?！獨饨缑孢M入水相后，就建立了CO2體系，或稱碳酸鹽體系。其中有游離態(tài)的CO2、H2CO3，離子態(tài)的HCO3-、CO32-、他們的總量稱為總CO2（ΣCO2），由此可以發(fā)現，海水中總CO2的含量受到海水pH、堿度、鹽度和溫度的共同影響。理論上，只要測量CO2體系的4個基本參數（TCO2（總CO2）、Alk（堿度）或TA（總堿度）、p（CO2）（CO2分壓）或f（CO2）（CO2逸度））、pH中的2個就可以對CO2體系進行研究，另外2個可以通過熱力學關系進行計算[4]。根據研究，近岸河口區(qū)CO2的平面分布主要受鹽度控制，隨著鹽度的增加，總CO2呈線性增加[5]，因此可以通過實用鹽度計算海水中總CO2的含量[6]，而鹽度和有色可溶性有機物質又密切相關，CDOM為水色遙感可探測到光學特性的3大成分之一，黃妙芬針對南海海域，建立了通過遙感反射比反演ag（440）的模型[7]，所以我們可以通過此方法來反演海水中CO2的含量。

利用2013年11月和2014年2月在珠江口及其入?？谀喜亢Ｓ虻?個航次，現場測量得到28組樣本數據，隨機選取其中20個試驗數據，利用CDOM吸收系數反演水中CO2總濃度的模式，做散點圖（圖2）。

通過對ag（440）和CO2總濃度進行回歸分析，我們可以發(fā)現簡單的線性關系難以概括兩者的關系[8]，參照圖2，多項式和對數函數可以對兩者的關系進行概況，但是由于數據中CO2濃度在30mg/L處有1個斷崖，更多的數據集中在30mg/L以下部分，所以我們選擇更加具有代表性的對數函數來擬合兩者的關系，得到的模型表達式如下：

ρ（CO2）=385.09ag（440）2–118.19ag（440）+35.105

（R2=0.84） （4）

式（4）中ρ（CO2）為水中CO2總濃度，ag（440）為CDOM吸收系數的值。

由于沒有Landsat 8 OLI的星地同步數據，因此采用試驗中預留的8個樣本，將相應ag（440）的值帶入到公式（4）中，計算估算的總CO2濃度，并用對應的水樣樣本的總CO2濃度值進行驗證，結果見表1。由表1可見，估算值的相對誤差小于8%，表明根據公式（4）計算的結果具有較高的準確率。

3 模型的應用

選取Landsat 8 OLI衛(wèi)星數據，軌道號122-44、122-45，獲取時間為2013年11月29日，和實際出海的調查時間較近，云量分別為3.4%和11.5%，影響質量良好。數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心-地理空間數據云，產品為Level 1 T級別，經過系統(tǒng)輻射校正、地面控制點幾何校正、DEM的地形校正，一般情況下可以直接使用而不需要幾何校正。根據研究需要，我們將數據進行輻射校正將無物理意義的DN值轉化為了能夠反映海表的輻射特性的離水輻亮度值，由于衛(wèi)星信號受到大氣分子和氣溶膠等的散射和吸收，為了獲得海表真實的離水輻亮度值，在進行水體中CO2總濃度的反演之前，必須進行大氣校正。本研究主要使用遙感圖像處理軟件下的FLASSH大氣校正模塊，完成相應遙感圖像的大氣校正工作；同時為了提高反演的效率，將不需要以及云層較多的圖像進行剪裁。

運用MNDWI指數模型[10]提取研究區(qū)域水體：

MNDWI=（B3-B6）/（B3+B6） （5）

其中，B3為Green波段；B6為SWIR1波段。設定一定的下限閾值T=0.6來提取水體，根據黃妙芬提出的針對珠江口海域的CDOM提取模型[7]，進行如下計算：

ag（440）=0.0723×exp（0.0723（R4/R2）） （6）

式（6）中，ag（440）為400nm波長對應的吸收系數，R4、R2分別為Landsat 8的B4和B2波段對應的遙感反射比（sr-1），然后利用公式（4），得到總CO2濃度分布空間圖（圖3）。

由圖3可見整個珠江口及其鄰近?？侰O2濃度分布在26～70mg/L，但除了岸邊絕大部分區(qū)域分布為26～45mg/L，而一般海水中總CO2濃度在34～56mg/L。這是由于圖像的獲取日期為冬季，溫度偏低，CO2溶解度下降，所以整體來說CO2濃度偏低，而且透光層CO2含量較低，其下方有機物分解形成了CO2，并且壓力增大CO2溶解度也增加[11]，因此遙感反演的總CO2濃度空間分布數據與實測數據得到的分布特征基本吻合，在冬季珠江口海域CO2濃度西部沿海的遠高于中部和東部海域，沿岸區(qū)域高于外部海域，與2013年和2014年的2個實測航次的數據相吻合。

4 結語

珠江口海域是我國重要的經濟活動區(qū)域，珠江口漁場也是我國南海近海的重要漁場之一，是典型的受人為影響較大的河口區(qū)域。海水中CO2總濃度影響大氣CO2的濃度水平，是決定海洋酸化程度的重要因子，掌握握其空間和時間變化特征具有重要的意義。本文通過2013年11月和2014年2月2個航次實測的數據，建立了利用水色遙感可探測到光學特性的3大成分之一的CDOM為中間物質反演水中CO2總濃度的模型，并利用Landsat 8 OLI數據對珠江口海域的冬季海水中CO2總濃度空間分布進行了反演，反演的結果與實際測量數據相符合，為進一步了解南海海域CO2的排放與溯源提供了依據。

參考文獻

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（責編：施婷婷）