光衰减系数与悬浮颗粒物浓度的关系＊

王鲁宁，魏 皓，赵 亮

（1.中国海洋大学海洋环境学院，山东 青岛266100；2.天津科技大学海洋科学与工程学院，天津300457）

海水的光学性质对于研究海洋生态系统的结构与功能尤其是初级生产力有重要意义，而海水中的悬浮颗粒物对于光辐射的影响在国际上也一直是1个重要的研究课题，例如 HEBBLE（the High Energy Benthic Boundary Layer Experiment）[1]和 PROVESS（the Processes of Vertical Exchange in Shelf Seas）[2－3]都将海水悬浮颗粒物动力学作为研究重点。

海洋中的浮游植物用来进行光合作用的那部分太阳辐射我们称为光合作用有效光强PAR（photosynthetically available radiation），其波段为400～700nm，对PAR的度量有2种计量系统[4]：一种是能量系统，即光合有效辐照度，单位是w/m2；另一种是量子系统，即光合有效量子通量密度，单位是 mol·m－2·s－1）。本文中单位采用后者。在海洋生态模式中PAR是1个重要的强迫因子，海表的PAR可以从卫星遥感资料得到，但PAR随深度的垂直分布通常是利用PAR在水中的指数衰减规律得到[5－6]：

式中：k为衰减系数；I0为海面处的PAR值；z为海面以下深度（z＜0）。可见，PAR在海水中衰减系数k是海洋生态模型的关键参数。造成PAR在海水中衰减的物理过程主要为反射与吸收[7]，而海水中能够反射、吸收PAR的组分可以分为纯海水、可溶物质与悬浮颗粒物[8－10]，三者以悬浮颗粒物影响最大，特别是在中国近海这样典型的高浊度海域，悬浮颗粒物的浓度与衰减系数之间的关系也成为研究重点。Bader[11]认为不同粒径的悬浮颗粒物在水中的分布满足关系式：

式中：r为粒径累积斜率（cumulative slope）；ND为单位体积海水中大于直径为D的粒径个数。在悬浮颗粒物分布稳定的情况下，悬浮物的体积浓度与光的衰减系数间存在线性相关性。对于分布性质稳定的悬浮物，累积斜率的标准值为3[12－13]。在此基础上，很多工作相继展开，McCave[13]与 Peterson[14]研究得到，累积斜率的值在3.0±0.3之间时，悬浮物体积浓度与衰减系数之间存在较好的线性关系：P＝－203.4＋496.0k[13]与P＝－265.1＋569.5k[14]。然而两者工作仅限于对长波段（λ＝660nm）光衰减的研究，且所用悬浮颗粒物粒径范围较窄，基本分布在1～32μm之间。本文利用测得的同一深度剖面上PAR与悬浮颗粒物体积浓度，建立了PAR的衰减系数与悬浮颗粒物总浓度之间的相关关系，并进一步将32种粒径大小不一的悬浮颗粒物分为3种粒级，建立起了各粒级与衰减系数之间的相关关系。

1 数据资料与观测方法

本文所用数据资料来源于4次出海观测：2005年3月自然科学重大基金项目“上层海洋与低空大气”（SOLAS）黄海第一航次观测中的大面站与2个连续站的观测；国家重点基础研究发展规划项目“我国近海生态系统食物产出的关键过程及其可持续机理”第二课题“近海重要界面物质交换的关键过程”的3个航程：2005年12月14～15日胶州湾定点连续观测；2006年5月4～5日桑沟湾定点连续观测；2007年4月黄海春季水华调查。在每个测站利用加拿大RBR公司生产的XR－620CTD所集成的球形光学探头观测得到PAR的剖面分布，同时将现场激光粒度仪LISST－100与CTD一同施放，观测得到与PAR同一剖面上1.36～230μm范围内32种粒径的悬浮颗粒物体积浓度（μL/L）的分布。图1为这4次出海观测站位的分布。

图1 4个航次观测站位图Fig.1 The site locations in four investigations

1.1 2005年3月大面与定点连续观测

SOLAS黄海第一航次观测区域在（32.50°N～39.50°N，120.50°E～124.50°E）（见图1a）。在17个大面站与2个25h连续观测站A1、A2处进行了PAR与悬浮物浓度的剖面观测。A1站观测时间（3月26日15：00～27日15：00）；A2站观测时间（3月20日15：00～27日15：00）。此航次得到PAR与悬浮物浓度的数据共有21组。

1.2 2005年12月定点连续观测

2005年12月14 ～15日利用中国海洋大学东方红2号考察船于青岛外海（36.04°N，120.32°E）处（见图1b）进行了1个周日定点连续观测，观测间隔1h，共得到10组数据。

1.3 2006年5月定点连续观测

2006年5月4 ～5日于荣成桑沟湾内（37.13°N，122.55°E）站点（见图1c）做了1次定点连续观测，观测间隔1h，得到15组数据。

1.4 2007年4月大面与定点连续观测

2007年4月份利用北斗号考察船在黄海进行了为期25天的观测（见图1d），此次在大面观测其间做了3次定点连续观测，共得到35组数据。

以上4次观测均采用船基吊放方式剖面观测，XR－620CTD与 LISST－100同时施放，其中 XR－620CTD的数据采样频率为6Hz（水华航次为0.3Hz），LISST－100的数据采样频率为1Hz。在施放仪器时，已尽量保证了仪器保持在船向阳侧，以便接受充足的外部光照。

2 数据处理与分析

2.1 光衰减系数的计算

首先对PAR的原始观测数据做物理剔除，得到各测站PAR随深度的剖面变化，此处分别选取SOLAS航次中连续站A1的3月26日23时与27日11时2次观测PAR的剖面图（见图2）为例。通过对比发现，23时测得的PAR随深度变化不大，主要分布在3～5个单位之间，一般认为是仪器背景值；而11时测得的PAR随深度变化较为规律，基本呈指数分布，可见水体中PAR的值首先取决于外部光学环境（日照条件）。因此在随后分析中同测站的PAR与悬浮颗粒物浓度都只采用日照充分的白天时段数据，筛选后得到的数据对共有77组。

图2 SOLAS航次定点观测站A1站在26日23时与27日11时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

在对所得数据作平滑处理后，利用PAR指数衰减规律对PAR值做拟合，拟合时所需数据集的深度区间选取基本遵循以下原则：取表层1m以下的浓度值，以降低船体对PAR测量的影响；另外PAR在水中的衰减主要集中在真光层内，真光层以外的深度PAR值很小可认为是光场背景值。海洋生态学上定义光强仅为表层光强1%的深度为真光层，海洋中的浮游植物光合作用主要集中在这一深度层内，同时也是海洋浮游生物活动最为活跃的区域[15]。根据定义与各站PAR随深度的分布，可以求得各站真光层深度hk（如果hk超过测站水深hmax，则认为hk＝hmax），图3所示所有测站真光层深度hk与站点水深hmax具有较好的线性相关（R2＝0.85）。

对各站真光层内PAR值做拟合后得到PAR随深度指数衰减曲线以及衰减系数k。仍然以A1站27日11时为例，图2中虚线为该测站PAR的拟合曲线，衰减指数为0.3/m。

图3 所有测站真光层深度hk与测站水深hmax的关系Fig.3 The relation of the euphotic layer depth with the maximum depth form all situs

作者将胶州湾与桑沟湾定点观测作为在近岸海区的观测，SOLAS航次以及水华航次观测作为外海区观测。对比近岸与外海PAR衰减系数的分布（见图4）可以看到：近岸海区PAR衰减系数较大，分布在0.5～1之间，说明近岸海区PAR衰减的较快；外海区PAR衰减系数较小，在0.1～0.4之间，只有个别观测有较大值。

图4 近岸海区与外海区PAR衰减系数相对频数的分布Fig.4 The distributions of frequency of attenuation coefficient in coastal and open waters separately

2.2悬浮颗粒物体积浓度分布特征

LISST－100测得的悬浮颗粒物浓度数据的初步处理同PAR类似。根据Soulsby[16]提出的温氏分级表，本文进一步将32种粒径分为3种粒级：黏土（d≤12μm）；粉砂（d＝12～62μm ）；细砂 （d≥62μm），d为粒径大小。

图5为SOLAS航次A1站3月27日11时测得的3种粒径体积浓度的剖面，其中同一深度层悬浮颗粒物体积浓度细砂＞粉砂＞黏土，浓度主要取决于粒径大小。黏土与粉砂体积浓度随深度的变化很小，整个剖面分布比较均匀，而细砂剖面分布比较杂乱且体积浓度随深度增大。根据Bader[11]提出的累计斜率的定义，经过拟合可分别求得各站每一深度层上所有悬浮颗粒物的累积斜率值r，对每一站的r在真光层内做深度平均，可得到每个站点所有悬浮颗粒物累积斜率值的平均值（见图6）。可见，所有站点的基本成正态分布，且主要分布在2.4～3.0之间，平均值为2.71，与 Mc－Cave[13]与Peterson[14]等得到的值较为接近，说明观测站点悬浮颗粒物的分布基本稳定，可推测悬浮物颗粒浓度与光衰减系数之间存在良好的线性相关性。同时，通过对比近岸与外海海区3种粒级悬浮颗粒物累计斜率的分布（见图7）可以发现：近岸黏土的累计斜率平均值分布在2～2.5之间，粉砂则在2.5～3.5之间，细砂的值则主要分布在2.5～4之间；外海3种粒级悬浮物的累计斜率平均值基本呈正态分布，其中黏土r值主要分布在2～3之间，而粉砂、细砂的r值变化范围较大，分布在2～5之间。通过对比发现，不管在近岸还是外海区粉砂类悬浮物的分布最稳定，细砂类分布最不稳定，而外海区黏土类悬浮物的分布相对于近岸要更稳定。

图5 SOLAS航次A1站27日11时3种粒级悬浮颗粒物浓度的剖面分布Fig.5 The profiles of concentration of suspended particles of 3classes at mooring site A1（SOLAS），at 11：00on 27th，March of 2005

图6 全部站点真光层内所有粒径悬浮颗粒物平均累积斜率值相对频数的分布Fig.6 The distribution of frequency of cumulative slope of all suspended particles in euphotic layers of all sites

图7 近岸（胶州湾、桑沟湾定点测站）与外海（2005年3月、2007年4月黄海站点）海区3种悬浮颗粒物粒级累积斜率平均值的分布Fig.7 The distributions of cumulative slope of suspended particle of 3classes in coastal and open waters separately

3 结果与讨论

3.1 PAR衰减系数与悬浮颗粒物浓度的关系

对各站点悬浮颗粒物浓度特征值的选取较为关键，Karen[2]利用12L采水瓶同光学仪器同层取水，选取深度层在上表层（大约3m左右）的浓度为测站特征值；Bowers[17]则每站基本采3层水样（近表层、中层或跃层、近底层），取表层水样的浓度作为所测站点的悬浮颗粒物浓度特征值。同2.1节中处理PAR的原则相同，本文选取对真光层深度内悬浮颗粒物浓度做积分平均后的浓度值Pk作为测站的特征值。

本文选取桑沟湾观测与2007年4月黄海航次观测数据作分析，得到PAR衰减系数K与真光层内所有粒径悬浮颗粒物浓度Pk（mL/L）之间的相关关系（式3.1），图8所示所有测站PAR衰减系数与悬浮颗粒物浓度存在较好的线性相关关系（R2＝0.80），但分别在近岸区（桑沟湾观测）与外海区（黄海航次观测）测站两者相关性较较差（R2＝0.67；R2＝0.43），同时近岸海区的悬浮颗粒物浓度普遍高于外海海区，这主要与近岸海区水动力环境以及陆源输入有关。

图8 RAR衰减系数与真光层内所有粒径悬浮颗粒物浓度的关系Fig.8 The relationship of PAR attenuation coefficient with concentrations of all suspended particles in euphotic layer

2.2节中本文将测得的32种不同粒径的悬浮颗粒物分为3种粒级（黏土、粉砂、细砂），这3种粒级对PAR衰减的影响由于浓度、组成成分以及分布性质的不同而不同，需要对这3种粒级进行对比分析。图9给出了真光层内3种粒级悬浮颗粒物的平均浓度分别与PAR衰减系数K之间的相关关系。经过对比不难发现，黏土、粉砂浓度P1、P2与PAR衰减系数具有较好的相关性（R2＝0.87；R2＝0.87），而细砂浓度P3与衰减系数的相关性较差（R2＝0.59）。

图9 三种粒级体积浓度分别与PAR衰减系数的相关性比较Fig.9 The relationships of PAR attenuation coefficient with concentration of suspended particles of 3classes separately

由式3.1得到，当海水中悬浮颗粒物浓度Pk的值为零，波长范围在400～700nm的PAR衰减系数K的值为0.14m－1，这是由纯海水、黄色物质以及1.36～230μm范围以外的悬浮物造成的衰减，明显高于杨生光[18]在黄海千里崖海域测得的纯海水消光系数值（0.065 4m－1）。另外，Spinrad[1]和 Peterson[14]分别求得的660nm单一波段的光在纯水中的衰减系数值为0.4与0.47m－1，远高于PAR在纯水中的衰减，反映了不同波段的光在水中衰减的差异。

由式3.2、3.3、3.4得到，海水中粒级较小的黏土（≤12μm）与粉砂（12～62μm）类悬浮颗粒物浓度与PAR衰减系数间呈较好的线性相关，而粒级较大的细砂（＞62μm）类悬浮颗粒则与光衰减相关较差。Pak[19]认为光的衰减主要是由小于20μm的颗粒组分控制的，Siegel[20]也认为粒径小于5μm的颗粒浓度分布能更好地反映出光衰减系数的分布，都突出了细颗粒物质对于光衰减的重要性。

3.2 结果的验证

本文利用SOLAS走航测站与胶州湾定点测站数据分别对关系式3.1、3.2、3.3、3.4做精度检验，用判定系数R2衡量回归方程的拟合度，计算公式为：

式中：yi、Yi分别为数据实测值与预报值。

表1所示为SOLAS航次与胶州湾定点观测数据与各回归方程（式3.1、3.2、3.3、3.4）之间的判定系数，其中近岸胶州湾数据与各方程之间的判定系数值较高，均在0.50左右，说明观测数据中的误差有50%可以用回归方程中的线性关系解释。SOLAS航次数据与式3.1、3.4的拟合度较好，而与式3.2、3.3拟合度相对较差，判定系数分别为0.30、0.39，即只有30%、39%的误差用回归方程解释。

表1 SOLAS航次与胶州湾定点观测数据与各回归方程之间的判定系数R2值Table 1 The determination coefficients（R2）of observations in SOLAS and Jiaozhou Bay to the results form regression equations

4 结论

本文通过对2个航次与2次定点观测得到的PAR与悬浮颗粒物体积浓度数据进行分析，得到以下结论：

（1）近岸海区悬浮颗粒物浓度普遍要高于外海区，PAR的衰减系数也大于外海区。不同粒径的悬浮颗粒物在不同海区的分布特征不同：近岸与外海海区的粉砂类悬浮物累计斜率平均值在3左右，分布较稳定；外海区黏土类悬浮物分布较外海海区稳定；细砂类悬浮物在近岸与外海的稳定性较差。

（2）PAR衰减系数K与32种粒径悬浮颗粒物总体积浓度Pk（mL/L）间呈较好的线性相关：K＝0.92Pk＋0.14。对于不同粒级的悬浮颗粒物，PAR衰减系数与分布较稳定的黏土、粉砂类悬浮物浓度线性相关，与分布较不稳定的细砂类悬浮物浓度的相关性较差，可见PAR的衰减特性从粒径较小的悬浮颗粒物分布上得到更好的反映。

（3）光衰减系数在生态模型中是一重要的因子，能够影响浮游植物叶绿素a以及初级生产力的分布[4]。然而，由于光衰减系数很难直接观测到，以往的生态模型在光衰减系数取值上一般采用经验估算得到，忽略了光衰减系数的空间分布。本文建立起海水中光衰减系数与悬浮颗粒物浓度的关系，可以利用较易观测的悬浮物浓度计算光衰减系数，同时，也能反映出水动力环境下悬浮物浓度空间分布的变化对光衰减系数空间分布的影响，为生态模型提供更准确的光衰减系数值。

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