利用实地观测和遥感数据研究奇利卡泻湖的粒径分布及生物光学特性

《Journal of Great Lakes Research》：Particle size distribution and bio-optical characteristics of the Chilika Lagoon using field and remotely sensed data

本研究通过实地采样和Sentinel-2A/2B卫星数据，揭示印度Chilika潟湖颗粒尺寸分布（PSD）的空间异质性和时间动态特征，发现PSD呈现单峰（北部）、多峰（中部）到不连续多峰（南部）分布规律，并建立Dv50（中值粒径）与遥感反射率的强相关性模型，验证了卫星数据在PSD监测中的应用潜力。

　　

Suchitra Rani Ojha | Bhabani Sankar Das

印度科学技术部所属印度理工学院卡尔阿格普尔分校农业与食品工程系，西孟加拉邦721302

摘要

鉴于针对沿海泻湖沉积问题的颗粒大小分布（PSD）生物光学特性的研究有限，本研究旨在开发一个中值粒径（D_v⁵⁰）模型，并分析印度著名拉姆萨尔湿地——奇利卡泻湖中PSD的时空变化。2019年2月，在Sentinel ? 2A/2B（S2）卫星过境期间进行了一周的采样活动，收集了包括PSD在内的光度数据和辐射度数据以及水质参数。结果显示，奇利卡泻湖北部区域的PSD曲线为单峰分布，中部区域变为多峰分布，而南部区域则呈现不连续的多峰分布。观测得到的D_v⁵⁰值随着悬浮颗粒物的增加和塞奇盘（Secchi disc）深度的减小而减小。现场光度数据与观测D_v⁵⁰值之间的相关性表明，遥感反射率与D_v⁵⁰之间存在强烈关联。研究还表明，可以利用S2卫星的数据组合估算D_v⁵⁰值，其决定系数高达0.57。通过分析2017年至2023年间奇利卡泻湖各区域的平均D_v⁵⁰值的时空变化，发现北部区域存在细颗粒，中部区域则混合有较粗的颗粒。遥感D_v⁵⁰地图能够反映泻湖中部渡轮航线附近的疏浚效应，从而为监测奇利卡泻湖的沉积物分布和生态健康状况提供了依据。

引言

沿海泻湖拥有丰富的水生生物多样性和高初级生产力，提供了诸如支持水产养殖和防止海岸洪水和侵蚀等关键生态服务（Kjerfve, 1994）。然而，由于人类活动和环境变化，这些水体正面临日益增加的压力（He and Silliman, 2019）。特别是持续的淤积常常导致水域面积减少，甚至可能使整个泻湖消失（Soria et al., 2022）。因此，持续监测沿海泻湖对于保护和维护这些重要生态资源至关重要。

奇利卡泻湖位于印度东部的奥里萨邦孟加拉湾沿岸，是亚洲最大的咸水泻湖，也是生物多样性热点地区。这个著名的拉姆萨尔湿地为超过20万以渔业为生的人口提供了生计（Panda et al., 2015）。由于河流带来的淡水和海水的影响，该泻湖具有河口特征（Sarkar et al., 2012）。据估计，来自52条小溪和河流的淡水总流入量超过143.31亿立方米。1998年至2001年间测量的沉积物负荷数据显示沉积物负荷呈上升趋势（Panigrahi et al., 2007）；其4406平方公里的集水区在1998年贡献了180万吨沉积物，到2001年这一数字增加到294万吨。由于印度气候变异性导致的极端天气事件（如潮汐和飓风活动的增加）（Goswami et al., 2006），孟加拉湾沿岸脆弱的泥滩位置发生了变化（Sahu et al., 2014）。此外，强风在非季风季节通过重新悬浮底部沉积物增加了悬浮沉积物的负荷（Roy et al., 2022）。对于这个具有不断变化水文特征的大型水体，手动监测水质参数是一项具有挑战性的任务，但也是紧迫的需求。幸运的是，遥感技术正在不断改进，可以有效地监测沿海和浑浊水体的水质参数；然而，对于奇利卡泻湖这样的复杂水体，仍需要对其生物光学特性进行现场测量，这仍然是实施此类监测方法的一大挑战。

水体的光学特性受悬浮颗粒物（SPM）的数量影响，同时也受到其大小、形状和组成的影响（Neukermans et al., 2012）。尽管已有许多研究开发了基于遥感的SPM负荷（Novoa et al., 2017）和浮游植物含量（Chen et al., 2017, Pan et al., 2015）的监测方法，包括针对奇利卡泻湖的研究（Kumar et al., 2016, Roy et al., 2022, Roy and Das, 2022），但很少有研究将悬浮沉积物的不同特性纳入遥感算法中以提高这些方法的估算精度。特别是在开发基于遥感的水质监测方法时，颗粒大小的性质和分布评估较少。已知沿海水体中SPM的颗粒大小分布（PSD）会影响水柱内不同光能成分。描述不同水体PSD的参数通常与表观光学性质（AOP）和固有光学性质（IOP）相关。例如，基于Mie理论的理论分析得出，衰减系数（γ）的光谱斜率与PSD斜率（ξ）之间存在强线性关系（Diehl and Haardt, 1980）：$\xi =\gamma +3$。Boss等人（2001）随后为具有有限PSD限制的情况开发了一个更通用的方程：。然而，这些简单双曲线模型得到的ξ值在许多环境中无法充分描述PSD，尤其是在沿海地区。不准确的PSD描述会导致光学性质建模的误差（Reynolds et al., 2010）。除了ξ之外，还使用基于体积分布计算出的百分位数统计量（如中值粒径D_v⁵⁰）来表征PSD（Reynolds et al., 2010）。例如，Bowers等人（2007）提出了D_v⁵⁰值与遥感反射率（R_rs）比率之间的经验关系（Van der Lee et al., 2009），用于爱尔兰海的研究。类似地，Qing等人（2014）利用中分辨率成像光谱仪（MERIS）和MODIS数据计算了渤海的D_v⁵⁰值。后来，在加利福尼亚州帝国海滩，D_v⁵⁰与质量吸收和散射系数相关联，发现以矿物质为主的样品通常具有较低的D_v⁵⁰值，表明小颗粒的贡献较大（Wo?niak et al., 2010）。尽管许多研究的数据集显示单峰PSD，但许多沿海水体的悬浮颗粒可能呈现更复杂的多峰PSD（Lee et al., 2012）。

关于奇利卡泻湖的PSD及其与生物光学特性的详细表征在文献中尚缺乏。因此，本研究的主要目的是通过一系列全面的辐射度测量来表征该水体的PSD。借助搭载多光谱和高光谱传感器的卫星遥感技术，可以绘制颗粒大小分布图并分析整个水体中的季节性变化，从而为这一生物多样性热点地区的沉积物分布提供重要见解。因此，本研究的具体目标如下：a) 分析奇利卡泻湖的水质参数（如SPM、叶绿素-a（Chl-a）、塞奇盘深度（Z_SD）和总水柱深度（Z_w）以及PSD的空间变化；b) 评估D_v⁵⁰的变异性及其对水体成分和光学性质的影响；c) 量化ξ与η之间的关系；d) 利用Sentinel ? 2A/2B（S2）多光谱成像（MSI）数据评估奇利卡泻湖中PSD参数的时空动态。

研究区域

研究区域

奇利卡泻湖位于孟加拉湾沿岸（北纬19°28′ – 19°54′，东经85°06′ – 85°35′），位于奥里萨邦东海岸（南北最长距离64.5公里；宽度5–18公里）。该泻湖的最大水柱深度（Z_w）为4.2米，冬季水域面积约为1020平方公里，夏季缩小至704平方公里（Gupta et al., 2008）。根据盐度和Z_w的不同，泻湖可分为四个区域：北部、中部、南部和外部通道（Ghosh and Pattnaik, 2005, Sinha et al., 2020）。

奇利卡泻湖的水质和PSD参数

表2显示了使用60个不同位置测量数据得出的水质和PSD参数的描述性统计信息，这些位置覆盖了奇利卡泻湖约60%的水域面积。由于平均水柱深度（Z_w）仅为1.21米，所采样的区域代表了泻湖最浅的部分。尽管采样是在2月份进行的，但泻湖水体仍显示出显著的浑浊度，最低的Z_SD值低至0.15米；

结论

在遥感应用中，理解PSD对于解释水体的光学特性至关重要，因为它影响水的颜色和透明度。在水生环境中，沉积物是污染物的最终沉降物，因此颗粒大小是评估污染和水质等环境问题的重要因素。本研究报告了奇利卡泻湖的PSD参数、水体成分及其对光学性质变化的影响。

CRediT作者贡献声明

Suchitra Rani Ojha：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论设计、调查实施、数据分析、数据整理、概念构思。 Bhabani Sankar Das：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、项目管理工作、资金筹集、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了印度科学技术部下属的“成像光谱学及其应用网络计划”（NISA）的支持（项目编号：BDID/01/23/2014-HSRS/13, WAT-I）。我们感谢印度奥里萨邦政府林业与环境部的奇利卡发展管理局提供的支持和协助。同时，我们也感谢农业与食品工程系的Madan Kumar Jha教授的帮助。