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基于ISSA-SVR算法的近海典型水质参数遥感反演

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遥测遥控 2024年第3期45卷 81-90页

作者：刘元杰崔建勇董文万剑华张杰中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院青岛266580 中国科学院空天信息创新研究院北京100094

化学需氧量(COD)和叶绿素a (chl-a)浓度作为与光谱相关的典型水质参数,是反映水体污染程度和富营养化程度的重要指标。支持向量回归模型(Support Vector Regression,SVR)适用于小样本,广泛用于近海典型水质参数的遥感反演,但也存在模型... 详细信息

化学需氧量(COD)和叶绿素a (chl-a)浓度作为与光谱相关的典型水质参数,是反映水体污染程度和富营养化程度的重要指标。支持向量回归模型(Support Vector Regression,SVR)适用于小样本,广泛用于近海典型水质参数的遥感反演,但也存在模型参数选择困难、容易陷入局部最优解的问题。针对这一问题,本文构建融合反向学习和模拟退火的改进麻雀算法(Improved Sparrow Search Algorithm,ISSA),通过改进麻雀算法对SVR模型的惩罚系数和核函数参数进行参数寻优,提出了一种改进的支持向量回归模型(ISSA-SVR)。通过该模型利用实测水面光谱与水质参数数据建立COD和chl-a浓度反演模型。利用Sentinel-2卫星遥感光谱数据对模型的精度进行验证,得到各水质参数浓度的反演精度。采用ISSA算法优化SVR建立的COD浓度预测模型和chl-a浓度预测模型的平均相对误差(MRE)分别为20.02%和30.17%。反演结果均优于其他模型(线性回归、SVR和SSA-SVR模型)。实验结果证实,ISSA-SVR算法是实现COD浓度和chl-a浓度遥感反演的有效方法,可为我国近海典型水质参数遥感反演及后续水体科学管理提供参考。

关键词： COD chl-a SVR 麻雀搜索算法

Numerical Study of the Three Gorges Dam Influences on chlorophyll-a in the Changjiang Estuary and the Adjacent East China Sea

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Journal of Ocean University of China 2021年第1期20卷 10-22页

作者： CHEN Dongxing LIU Qianqian YIN Kedong School of Marine Sciences/Guangdong Key Laboratory of Marine Resources and Coastal Engineering Sun Yat-sen UniversityGuangzhou 510275China Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai) Zhuhai 510275China Department of Physics and Physical Oceanography University of North Carolina WilmingtonWilmingtonNC 28403USA

The impoundment of the Three Gorges Dam(TGD)has altered downstream hydrological characteristics and sediment discharge,and it has caused ecological impacts,such as changes in chlorophyll-a(chl-a)in estuaries and coastal oceans.To investigate the TGD's influence on chl-a's interannual and seasonal variations in the Changjiang Estuary and the adjacent coastal East China Sea,a physical-biogeochemical model was developed with numerical experiments covering a decade,including TGD's preperiod(pre-TGD,1999–2003)and post-period(post-TGD,2004–2008).The modeling results demonstrate an annual increase in the regional average chl-a from pre-to post-TGD,with the largest increase reaching up to 20.8%in spring in the nearshore region beyond the Changjiang mouth.The spatial variations in chl-a are high,with the largest variation being observed around the 20–40 m isobaths.The increase in chl-a is influenced by improved light and nutrient conditions,which is attributed to dam construction and fertilization by human activities.A decline in nitrogen-phosphorus fertilizer usage ratio along the Changjiang River watershed after the TGD's impoundment is another factor that influences the chl-a's variation.The modeling results also show severe NO3 and PO4 imbalances with a larger N/P ratio during the post-TGD period,especially in regions with large chl-a increases.Moreover,the greater increase in the usage of phosphorus fertilizer than nitrogen fertilizer influences chl-a's variation and has potential promotion effects on the outbreak of harmful algal bloom events.

关键词： physical-biogeochemical model chl-a coastal ecosystem East China Sea

基于时间序列的鄱阳湖chl-a预测模型优化构建

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长江科学院院报 2023年第10期40卷 14-21页

作者：钱春龙曾一川袁伟皓吴怡江苏中瑞咨询有限公司南京210036 河海大学环境学院南京210098

为提升鄱阳湖富营养化评估与预测适应性,选择湖区代表性点位2012—2020年的逐月监测作为模型样本训练时间。模型自变量选择水体主要理化参数,并计算其中水质参数部分的综合水质标识指数(WQII)以评价鄱阳湖近年水质演变趋势。进一步地,... 详细信息

为提升鄱阳湖富营养化评估与预测适应性,选择湖区代表性点位2012—2020年的逐月监测作为模型样本训练时间。模型自变量选择水体主要理化参数,并计算其中水质参数部分的综合水质标识指数(WQII)以评价鄱阳湖近年水质演变趋势。进一步地,分别建立响应变量为叶绿素a(chl-a)的多元线性逐步回归方程(MLSR)、季节性自回归求和移动平均模型(SARIMA),并预测所有点位2020年6—8月份的浓度值,与实测值比较以检验两种模型适用程度。结果显示:各代表监测点的综合水质在2018年出现提升且在丰水期更优,平均WQII排序为康山(2.91)>都昌(3.01)>蚌湖(3.11)>蛇山(3.31);SARIMA模型相比于MLSR方程的chl-a浓度预测准确度更高,为大型通江湖泊藻类爆发预警提供了优化理论参考。

关键词：通江湖泊综合水质标识指数法 chl-a SARIMA 逐步回归

南乔治亚岛海域浮游植物季节性旺发特征与POC输出通量:基于BGC-Argo和卫星遥感观测

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海洋学研究 2023年第4期41卷 1-11页

作者：赵跃然范高晶吴嘉琪孙维萍潘建明韩正兵自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室自然资源部第二海洋研究所浙江杭州310012 中国极地研究中心上海201209 浙江大学海洋学院浙江舟山316000

南乔治亚岛海域是南大洋初级生产力最高的区域之一,具有巨大的固碳潜力,但由于缺乏连续的上层海洋观测资料,该海域生物泵效率的强弱仍未有定论。本研究利用2017年至2020年期间位于南乔治亚岛附近海域的生物地球化学浮标(BGC-Argo)所获... 详细信息

南乔治亚岛海域是南大洋初级生产力最高的区域之一,具有巨大的固碳潜力,但由于缺乏连续的上层海洋观测资料,该海域生物泵效率的强弱仍未有定论。本研究利用2017年至2020年期间位于南乔治亚岛附近海域的生物地球化学浮标(BGC-Argo)所获取的水文和生物化学参数,探讨了物理过程对生物地球化学过程的影响,并估算了该海域的南极夏季碳输出通量。结果显示:南乔治亚岛上游(南极半岛东北部)和下游(乔治亚海盆)海域chl-a均呈现出很强的季节性特征,尤其是乔治亚海盆区浮游植物维持了4个月的旺发时间,表明该区域具有稳定持续的铁源供给;利用颗粒有机碳(POC)季节性输出量的时间变率,估算了上、下游的夏季POC输出通量分别为7.12±3.90 mmol·m^(-2)·d^(-1)和45.29±5.40 mmol·m^(-2)·d^(-1),推测这种差异主要是由于混合层加深后促进了有机碳的向下输出导致的。研究发现该区域维持着较高的生物泵效率,与此前的乔治亚海盆存在“高生产力低输出效率”的结论不同,这可能是由于航次断面调查的即时性无法反映整个季节性特征所造成的。BGC-Argo能提供高时空分辨率的多参数观测数据,本研究结果表明其可以更准确地量化与评估海洋生物地球化学过程和固碳能力。

关键词：南大洋南乔治亚岛 BGC-Argo POC输出通量 chl-a

三峡库区澎溪河与磨刀溪电导率等水质特征与水华的关系比较

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环境科学 2017年第6期38卷 2326-2335页

作者：姜伟周川纪道斌刘德富任豫霜 Douglas Haffner 谢德体张磊西南大学资源环境学院重庆400716 三峡库区水环境监测与模拟国际科技合作基地重庆400716 三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心宜昌443000 加拿大温莎大学大湖环境研究中心

三峡库区北岸最大一级支流自三峡大坝2003年蓄水以来,频繁暴发水华,而毗邻的一级支流磨刀溪却少有水华暴发.本文以澎溪河和磨刀溪作为研究对象,于2014年春季和夏季三峡库区水华高发期对两条河流同时采样,对比分析两条河流水体水质以及... 详细信息

三峡库区北岸最大一级支流自三峡大坝2003年蓄水以来,频繁暴发水华,而毗邻的一级支流磨刀溪却少有水华暴发.本文以澎溪河和磨刀溪作为研究对象,于2014年春季和夏季三峡库区水华高发期对两条河流同时采样,对比分析两条河流水体水质以及叶绿素a(chl-a)含量的时空变化,探索澎溪河水华暴发机理.结果表明:澎溪河chl-a含量较磨刀溪高,澎溪河春季chl-a最大值为60.5μg·L^(-1),夏季chl-a最大值仅7.8μg·L^(-1);磨刀溪chl-a变化趋势与澎溪河相反,磨刀溪春季chl-a含量为2.92μg·L^(-1),夏季chl-a达到7.48μg·L^(-1).澎溪河与磨刀溪春季和夏季节水体温度分层,为温跃层+滞温层模式,而没有混合层;两条河流chl-a含量均位于水深10 m温跃层.澎溪河春季总氮(TN)、总磷(TP)平均值为2.305 mg·L^(-1)和0.053 mg·L^(-1),夏季为1.673 mg·L^(-1)和0.097 mg·L^(-1);磨刀溪春季为1.875 mg·L^(-1)和0.075 mg·L^(-1),夏季为1.79 mg·L^(-1)和0.054 mg·L^(-1).TN、TP水平均超过了国际公认发生富营养化的阈值;水体氮磷含量与chl-a浓度并无显著相关性,营养盐并不是藻类生物量的限制性因素.然而在水体电导率的规律方面,两条河却存在很大的差异;春季,磨刀溪上游上层水体(0~10 m)电导率只有下游和长江干流的75%,来自长江干流的回水可覆盖至磨刀溪中游(断面MD03),与chl-a在此处密集保持一致;夏季电导率和回水区分布与春季相似.与磨刀溪不同,澎溪河春季上游电导率为下游和干流的150%,长江干流回水可到PX04与PX05之间,上游高电导率对应着高chl-a含量;澎溪河电导率与藻类生长分布表现出显著正相关关系,水体中除N、P营养盐外的其它离子对澎溪河水华暴发起重要作用.

关键词：澎溪河磨刀溪水华水温分层电导率 chl-a

基于遥感资料的中尺度涡与叶绿素分布的关系研究

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基于遥感资料的中尺度涡与叶绿素分布的关系研究

作者：甘滢晖大连海洋大学

学位级别：硕士

中尺度涡是海洋中重要的中尺度现象,时间尺度在数天至数月之间,空间尺度在数十到数百公里之间,它能够提供巨大动能,将周围海域中的营养盐等成分携带至其他海域,对海表高度、海表温度、海表盐度、叶绿素浓度等海洋要素的时空变化做出一... 详细信息

中尺度涡是海洋中重要的中尺度现象,时间尺度在数天至数月之间,空间尺度在数十到数百公里之间,它能够提供巨大动能,将周围海域中的营养盐等成分携带至其他海域,对海表高度、海表温度、海表盐度、叶绿素浓度等海洋要素的时空变化做出一定贡献。在涡旋的生命周期内,中尺度涡会将下层冷水携带到海表上面,同时下层冷水中的营养盐也会带到海表,促进海表浮游动物的生长、发育和繁殖活动,通过这个过程实现不同层级营养物质的重新分配。该过程充分说明中尺度涡对海洋中的动力过程、能量分配和物质运输做出重要贡献,通过研究当前涡流的物理特性以及涡旋对海洋生化过程的影响作用,可以促进海洋海况的动态预警预报、海气作用和海洋生态环境的可持续发展等相关研究的开展。本文利用AVISO中尺度涡轨迹产品识别并跟踪了黑潮延伸体区域2020-2021年间的中尺度涡,利用NASA的叶绿素a(chlorophyll-a,chl-a)资料研究了黑潮延伸体区域2020-2021年中尺度涡与chl-a浓度的时空分布特征,并归一化合成分析黑潮延伸体中尺度涡内chl-a浓度异常的变化情况,主要结论如下:研究海域内共探测到气旋涡7845个,反气旋涡7119个。该区域中尺度涡的空间分布为:黑潮延伸体的平均涡动能分布为纬向带状分布,其中在黑潮延伸体的主轴上为涡动能的高值区,表现为东西走向,主要分布在36°N附近。气旋涡的数量整体大于反气旋涡,且长周期气旋涡相对较多,反气旋涡的周期普遍较短。时空变化特征表现为:气旋涡在夏、秋、冬、春各季节的数量、振幅和有效半径存在季节差异,其中春季提取到的涡旋数量相对较大,但是春季的涡旋振幅普遍偏小,有效半径也相对最小。反气旋涡的数量在春夏相对较大,其中春季的反气旋涡有效半径的均值相对较小,但是夏季的振幅平均值相对较小,且春季的振幅大小远大于夏季。研究区域内的叶绿素分布的年平均分布呈现沿纬向带状,沿高纬度向低纬度逐渐递减,且呈现一定程度的倾斜,相同纬度下,西侧的叶绿素浓度高于东侧,近岸的叶绿素浓度存在高值区。研究区的chl-a方差值与纬度无关。时间尺度上,chl-a值在5月份呈现下降趋势,并持续到9月底,随后逐渐上升,一直到4月份,该区域的chl-a均值受季节影响显著。另外,均值的季节变化与时间尺度的结果相符,但方差的变化不相符,这可能与涡旋有关。通过周期归一化,黑潮延伸体区域长周期气旋涡和反气旋涡的振幅变化基本相同,涡旋振幅变化呈现先增后减的趋势,之后,随着涡旋的消亡,涡旋振幅不断减小,但最终消亡时达到的振幅平均水平依然大于初始阶段。通过半径归一化合成得到的涡内chl-a异常分布,其结果表明气旋涡内的chl-a水平整体提升,反气旋涡内的chl-a水平整体下降。气旋涡在春季活动尤为剧烈,也可以对比说明,与气旋涡相比,反气旋涡受季节影响的程度相对较小,气旋涡的程度更大,由此引起的涡内chl-a异常程度也相对更大。此外,结果表明与长周期涡旋不同,短周期的气旋涡内chl-a异常几乎集中在涡心,无法说明涡旋携带等引起的偶极子变化现象。

关键词：黑潮延伸体中尺度涡 chl-a 季节变化

氮磷比对东海浮游植物群落生长影响的微宇宙实验

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环境科学 2012年第6期33卷 1832-1838页

作者：黄伟朱旭宇曾江宁寿鹿陈全震江志兵国家海洋局海洋生态系统与生物地球化学重点实验室杭州310012 国家海洋局第二海洋研究所杭州310012

采用微宇宙实验方法,研究了不同氮磷比条件(1N∶1P、4N∶1P、8N∶1P、16N∶1P、32N∶1P、64N∶1P、128N∶1P和256N∶1P)培养30 d对东海近岸浮游植物群落生长的影响.结果表明,不同氮磷比对浮游植物群落的物种丰富度、细胞丰度、chl-a(叶... 详细信息

采用微宇宙实验方法,研究了不同氮磷比条件(1N∶1P、4N∶1P、8N∶1P、16N∶1P、32N∶1P、64N∶1P、128N∶1P和256N∶1P)培养30 d对东海近岸浮游植物群落生长的影响.结果表明,不同氮磷比对浮游植物群落的物种丰富度、细胞丰度、chl-a(叶绿素a)含量、比生长率以及硅、甲藻相对比例均产生了显著影响:6 d时高氮磷比组的物种丰富度、细胞丰度、chl-a含量和比生长率显著高于低氮磷比组;30 d时氮磷比接近Redfield比值的处理组(8N∶1P、16N∶1P和32N∶1P)细胞丰度显著高于其它组.各处理组中浮游植物群落都呈先硅藻后甲藻的基本演替规律,不同氮磷比对甲藻发生时间和优势种产生了明显影响:实验前期(0～12 d)各处理组中硅藻占绝对优势;18 d时,4N∶1P、16N∶1P和32N∶1P组中甲藻占浮游植物总细胞丰度的比例超越硅藻;随后(24～30 d),其它处理组中甲藻的比例也相继超越硅藻而占据优势;30 d时,除8N∶1P、16N∶1P和32N∶1P组外,其它各处理组中甲藻均占绝对优势.

关键词：营养盐浮游植物群落结构细胞丰度 chl-a

EFFECTS OF Fe AND Mn ON THE GROWTH OF A RED TIDE DINOFLAGELLATE SCRIPPSIELLA TROCHOIDEA (STEIN) LOEBLCH Ⅲ

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Chinese Journal of Oceanology and Limnology 1997年第2期15卷 173-180页

作者：秦晓明邹景忠钱培元

Batch culture experiments were conducted with a red tide dinoflagellate Scrippsiella trochoidea(Stein) Loeblch Ⅲ colleted from Jiaozhou Bay, Shandong, China. Growth rates and Cellular chl-a were meas ured in media with iron and manganese ion concentrations controlled at different levels using EdTA-trace metal buffer systems. Cell density increased 3.2 times to 6.5 times over the range of lowest (0 mol/L) to highest(10-5 mol/L) iron and manganese ion concentrations. The range of Cell density response was much lower than the range of total available iron and manganese, which was >100-fold that of Fe. This nonlinear relationship indicates that the cells adapt to make more efficient use of iron and manganese un der limiting conditions. The cellular chl-a content maximized after 3 days incubation and then decreased gradually under either iron or manganese limitation conditions. It indicated that the algae gained higher photosynthesis ability when transferred to a new environment. Growth responses to iron and manganese limitation can be both modeled according to the equation of Monod. The half-saturation constant for growth, k, is 4.6×10-8 mol/L for Fe and 5.1×10-8 mol/L for Mn. Our results showed that the iron availability in Jiaozhou Bay does not limit the growth of S. trochoidea.

关键词： Scrippsiella trochoidea red tide growth rate cellular chl-a trace metals

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香溪河库湾水质特征与非回水区水华响应关系

中国环境科学 2019年第7期39卷 3018-3026页

作者：张庆文宋林旭纪道斌方海涛何金艳霍静刘心愿王耀耀朱晓声三峡大学水利与环境学院

为探究香溪河在受倒灌影响较弱的河段水华暴发征兆及机理,于水华高发期5~8月对香溪河进行监测,分析电导率、水温、叶绿素a(chl-a)以及流速.结果表明,在6~8月,香溪河倒灌现象于XX05点(峡口镇)处基本结束,XX06~XX09受倒灌来水影响较弱;香... 详细信息

为探究香溪河在受倒灌影响较弱的河段水华暴发征兆及机理,于水华高发期5~8月对香溪河进行监测,分析电导率、水温、叶绿素a(chl-a)以及流速.结果表明,在6~8月,香溪河倒灌现象于XX05点(峡口镇)处基本结束,XX06~XX09受倒灌来水影响较弱;香溪河于7月暴发水华,各个监测点位上chl-a含量均值达到100μg/L以上,XX05~XX06与XX07-XX09点位上暴发不同种水华;在水华暴发前后,水体温度无显著变化,且并无明显分层现象,说明水温分层是水华暴发的主要原因这一理论并不能很好的适用于非回水区;通过对电导率数值的研究发现,数值在垂向上出现显著拐点,而拐点出现在临界层与光补偿层之间,同时与叶绿素a含量分布呈现显著负相关性.香溪河总氮(TN)、总磷(TP)平均值为1.849mg/L和0.157mg/L,均超过富营养化的阈值,水体氮磷含量与chl-a浓度无显著相关性,水体中除N、P营养盐外的其它离子对香溪河水华的暴发起着重要作用.在水华消退后,电导率数值又逐渐恢复表层高底层低的垂向线性分布特性,与水华的暴发、消退有着明显的响应.

关键词：香溪河水温电导率水华预测临界层理论 chl-a