第14卷第4期2003年7月
水科学进展
ADVANCES I N W ATER SCIE NCE
V ol 114,N o 14 Jul 1, 2003
太湖水体光学衰减系数的分布及其变化特征
张运林1,2, 秦伯强1, 陈伟民1, 杨顶田1,2, 季 江1
(11中国科学院南京地理与湖泊研究所, 江苏南京 210008; 21中国科学院研究生院, 北京 100039)
摘要:利用2001-2002年周年太湖全湖不同湖区湖泊光学的实测资料, 分析了太湖水体光学衰减系数的区域分布, 季节变化, 垂直分布及日变化特征, 并阐述了其变化原因, 将太湖与国外一些湖泊进行对比, 进一步阐述了太湖的光学特征。结果表明:光学衰减系数的湖区分布大致为:河口区>五里湖>湖心区>梅梁湾>贡湖>东太湖; 由于不同湖区对光学衰减系数影响的主导因素不一样, 其季节变化存在差异, 东太湖季节变化不大, 湖心区衰减系数秋冬季较大, 而梅梁湖区则夏秋较大; 衰减系数日变化则表现为中午大, 上午和下午小; 衰减系数的垂直分布主要有逐渐递减和先递减后均匀2种类型; 衰减系数的光谱特性表现为在短波部分较大, 长波部分较小, 670nm 处有一相对高值。
关 键 词:辐照度; 光学衰减系数; 垂直分布; 季节变化; 水体; 太湖
中图分类号:P 34313 文献标识码:A 文章编号:100126791(2003) 042447207
太阳光线进入湖水后, 受到湖水中悬浮颗粒、可溶性有机质和浮游生物的影响而衰减, 光线在湖水中的分布及其性质对湖水透明度分布、湖泊生物的密度和分布等有重要影响。湖水光学衰减系数是湖泊光学的一个重要参数, 反映了光线在湖水中的分布及变化, 是湖水清澈或混浊程度的真实反映, 因此研究湖水的光学衰减系数有助于了解太湖水体的光学性质和光学类型。但以前由于条件限制, 国内大多数湖泊调查和测量中一般只能借助于透明度盘和水色计来进行透明度和水色的测量, 并以此大致估算一下湖水的光学特性, 并没有湖泊进行过光学衰减系数的观测和实验, 只有曾在一些海区开展过海水光学衰减系数的调查和研究, 取得一些成果[1～4], 发现海水光学衰减系数垂直分布类型复杂。但湖泊跟海洋不一样, 尤其像太湖这样大型的浅水湖泊, 水体混浊, 湖水透明度低, 其光学衰减系数的分布和变化与海洋中相差很大。本文根据对2001-2002年周年太湖实测光学资料的分析, 阐述了太湖水体光学衰减系数的区域分布, 季节变化, 垂直分布、日变化特征及光谱特性。
1 测量的站位、时间及仪器
为研究太湖全湖不同水域水体周年的光学衰减系数, 研究期间在太湖不同湖区均布有测点, 各测点具体位
置见图1, 各点经纬度见表1。全年分夏秋冬3季测定采样(春季和秋季水下辐照度相近, 因而不再进行采样分析) 。另外为了研究光学衰减系数的日变化和垂直变化, 进行了两次定点观测, 一次在太湖站栈桥外, 从7月21日到23日连续观测3d , 每天从早晨5时开始观测, 每隔2h 观测一次, 到下午19时为止, 从湖面开始分5层测定辐照度, 分别为0cm 、-20cm 、-50cm 、-100cm 、-150cm 。站点地理位置为:31°25′1011″N , 120°12′5013″E , 水深2125m ; 另外一次在梅梁湾内, 从9月8日到11日连续观测4d , 从上午9时开始到下午17时
收稿日期:2002206224; 修订日期:2002208219
基金项目:中国科学院知识创新工程项目(K Z CX 2-311) ; 国家自然科学基金资助项目(40071019)
作者简介:张运林(1976-) , 男, 湖南邵阳人, 中国科学院南京地理与湖泊研究所博士研究生, 主要从事湖泊光学和湖泊环
境研究。E 2mail :ylzhang @niglas1ac 1cn
448水科学进展第14卷
为止, 每隔2h 观测一次, 从湖面到湖底分8层测定, 分别为0cm 、-20cm 、-50cm 、-100cm 、-150cm , -200cm 、-225cm 、-250cm , 站点位置为:31°29′N , 120°12′E , 水深为217m 。现场观测项目包括标量辐照度、向上辐照度、向下辐照度、透明度、水温, 初级生产力测定, 并同时采集水样带回实验室分析悬浮有机颗粒、无机颗粒及叶绿素a 浓度。
辐照度测量所选用的仪器为英国生产的SR99102PC 型水下光辐谱仪, 其携带2个探头, 一个测标量辐照度, 一个测向下向上辐照度, 测量波段范围为240～800nm , 包括紫外、可见光波段和近红外光波段, 但在实验期间主要测量400～700nm 光合有效辐射波段(在没有特别说明的情况下, 所论述的辐照度都是指400～700nm 波段) , 波长精度为±015nm , 焦距长100mm , 探头接收到的光信号经数据线由RS232
接口传送到计算机上, 转变为电信号经电子线路对讯号放大、处理, 然后在计算机上进行显示和存储。仪器经计量单位标定以保证测量数
图1 监测点分布图
Fig 11Distribution of measuring points
据的可靠性。叶绿素a 和悬浮颗粒的分析按照有
关湖泊调查规范进行, 分析数据可靠[5, 6]。
表1 各测点的位置及所属湖区
T able 1Location and lake region located of measuring points
点号
1357位置梁溪河口三山岛边二号航标四号航标六号航标纬度(N ) 31°28160′31°30178′31°28160′31°24169′31°20136′经度(E )
120°13138′120°11149′120°11161′120°11125′120°10185′所属湖区
五里湖梅梁湾梅梁湾梅梁湾湖心区点号
910111213位置五里湖大浦口小梅口东太湖大贡山纬度(N ) 31°30178′31°18187′30°57182′31°01130′31°23119′经度(E )
120°15119′119°56173′120°07112′120°27123′120°17173′所属湖区
五里湖河口区河口区东太湖贡 湖
2 结果与讨论
211 光学衰减系数的计算
由于不同湖水组成物质不一样, 其对不同波长的太阳光的吸收和散射也不一样, 因此不同波长的辐照度随
) 在观测深度范围内不随波长而变化, 可深度衰减各不相同, 但大部分学者采用一种简化的模式, 即认为K (λ近似地看为常数, 从而得到衰减系数的计算式[7, 8]:
K =-
z
ln
E (0)
(1)
式中 K 为光学衰减系数; z 为深度; E (z ) 为深度处的辐照度; E (0) 为起始面辐照度。
第4期张运林等:太湖水体光学衰减系数的分布及其变化特征449
212 光学衰减系数的空间分布
不同湖区水体的组成物质不一样, 其对水体吸收和散射自然不一样, 东太湖水生植被较多, 湖水清洁, 光学衰减系数自然就要小得多, 湖中心风浪较大, 水中悬浮质含量高, 水体浑浊, 透明度低, 光学衰减系数就大。表2列出了8月16～17日测定的不同湖区表层水(0～50cm ) 的光学衰减系数。
表2 8月16～17日测定的不同点表层水(0～50cm) 的光学衰减系数、悬浮质、叶绿素浓度
T able 2B eam attenu ation coefficient , concentration of suspended m atter and Chl 2a of
surface w ater (0～50cm) at different points in August 16and August 17
点 号
1357-1
[***********]64(-[***********]16521195-[***********][**************]13-1
[***********]01(-[***********]18515105-1170111 [***********]16
湖水的衰减系数主要由纯水、黄色物质、悬浮颗粒及浮游植物的吸收和散射组成, 其中, 纯水的吸收和散射是一切湖水所共有的, 可以认为是湖水衰减系数的本底(又称背景值) 。因此湖水衰减系数的变化部分是由溶解物质、悬浮颗粒和浮游植物的成分和数量的变化所决定的。为研究光学衰减系数空间分布差异, 我们测定了不同湖区表层水的悬浮物质和叶绿素含量, 见表2, 对比数据发现12号点(东太湖) 光学衰减系数之所以比其它点小, 是因为其悬浮质和叶绿素浓度都是最低的, 13号点次之, 8号点尽管悬浮质浓度较高, 但由于叶绿素浓度很低, 因此其光学衰减系数也较小。从表2我们大致能看出光学衰减系数的变化与悬浮质和叶绿素的变化较为一致, 为探讨光学衰减系数与悬浮质、叶绿素的定量关系, 参照国外一些湖泊的经验[9, 10], 我们对2001-2002年度实测的光学衰减系数、无机颗粒、有机颗粒及叶绿素a 作多元线性回归, 结果如下:
K d =01219+010768C S M M +01214C S OM +01006C chl -a 式中 K d 为光学衰减系数, m -1; C S M M 为悬浮无机颗粒物浓度, mg/L ; C S OM 为悬浮有机颗粒物浓度, mg/L ; C chl -a 为叶绿素a 浓度, mg/L 。
由于每次测定的湖况和风浪都不一样, 再加上夏秋冬3季藻类生长和繁殖也存在差异, 因此每季测定的光学衰减系数大小顺序并不完全一样, 但总体而言, 光学衰减系数的湖区分布大致为:河口区>五里湖>湖心区>梅梁湾>贡湖>东太湖。河口区之所以全年衰减系数比较高, 是因为10号和11号点分别位于大浦口和小梅口, 处在太湖两条主要入湖河流宜溧河与苕溪的入湖口, 河流携带了流域的大量悬浮质特别是有机物质进入湖泊, 使湖水混浊, 大大降低了太阳光在湖泊中传输。213 光学衰减系数的季节变化
由于不同湖区对光学衰减系数影响的主导因素不一样, 其季节变化存在差异。对东太湖而言, 全年湖水中悬浮质和叶绿素含量差异不大, 因此夏秋冬3季光学衰减系数相差很小, 维持在115m -1左右; 湖心区藻类的繁殖和生长明显要小于梅梁湖区, 光学衰减系数主要受水中悬浮质的影响, 而水中悬浮质主要由风浪所决定, 因而衰减系数在风速大的秋冬季要大, 而在夏季则相对要小些。在梅梁湖区夏秋季藻类大量生长, 叶绿素对光的吸收主导了该湖区光的衰减, 致使夏秋季衰减系数大, 冬季衰减系数小。214 光学衰减系数的日变化特征
根据两次定点观测的数据进行分析, 一天内衰减系数变动比较大, 一般上午和下午较小, 中午较大, 体现了一定的日变化特征, 但其大小有一定波动, 不像太阳辐射那样呈现完全日变化规律, 另外由于晚上没进行观测, 因此无法知道其夜间情况。通过对分层水的光学衰减系数进行分析发现, 不同水深的分层水的日变化不一样, 表层水的日变化差异明显小于深层水, 表3给出了7月22日不同时刻表层水(0～50cm ) 和深层水(50～100cm ) 光学衰减系数值。
450水科学进展第14卷
表3 7月22日不同时刻表层及深层水的光学衰减系数
T able 3Attenu ation coefficient of surface and deep w ater at different occasions in July 22
5∶007∶009∶[***********][1**********]840m -1
[**************]13∶0015∶0017∶[***********]15 光学衰减系数的垂直变化
根据文献记载[1～4, 11, 12], 几次海区调查的结果发现光学衰减系数的垂直变化比较复杂, 有递增的、递减的、均匀的、也有每一深度出现极大和极小值的, 还有不规则型的, 种类繁多。湖泊中光学衰减系数的垂直变化会怎样呢? 根据我们测定的结果进行分析发现, 衰减系数的垂直分布在0～150cm 深度时主要表现为两种类型, 一种是逐渐递减型, 一种是先递减之后则趋向均匀变化不大。继续向下, 在150cm 之下衰减系数很小, 有的小于1m -1,
大小跟海水衰减系数差不多, 有时甚至计算得到衰减系数为负值, 说明在这深度以下辐照度不但没有减少反而有时有所增加, 分析原因, 由于太湖水体透光性很差, 太阳光到达水下150cm 处时已经基本上被衰减掉, 光线很微弱, 再往下入射光不再占主导因素, 此时动物发光和湖底反射在这些层次上可能增强环境辐照度, 从而使光学衰减系数出现负值情况。图2是光学衰减系数变化的几种类型, 其中图2(a ) 代表0～150cm 深度中水下20cm 光学衰减系数很大, 再往深处衰减系数变化趋于均匀, 图2(b ) 表示自湖面到水下150cm 处衰减系数逐渐降低。图2(c ) 为湖面以下200cm 衰减系数小于1m -1, 图2(d ) 则显示水下150cm 衰减系数就小于1m -1, 由图也可看出, 太阳光在表层比深层衰减强烈, 再往下接近湖底时就几乎没有衰减。表4列出了9月11日在梅梁湖定点观测所测得的不同深度处的向下辐照度, 由表中数据可以看出水下150cm 之下深度幅
图2 衰减系数垂直变化的几种类型
Fig 12Vertical variation types of beam attenuation coefficient
第4期张运林等:太湖水体光学衰减系数的分布及其变化特征451
辐照度已相差无几, 并且大小已不及水表面的1%, 超过了光补偿深度, 由此也反映了光学衰减系数的垂直变化主要集中在0～150cm 深度处。
表4 9月11日梅梁湖定点观测所测得的不同深度处的向下辐照度
T able 4Dow nw ard irradiance of different depth in Meiliang lake on Sep 111
时 间
9:11:13:15:[***********][**************]43-20cm [***********]111537-50cm [***********]012054-100cm [***********]010755-150cm [***********]010667-200cm [***********]010672-225cm [***********]010689W/m 2
-250cm [***********]010712216 光学衰减系数的光谱特性
无论是水分子还是黄色物质和浮游植物, 它们对光的吸收都具有选择性, 而不同粒径的粒子对光的散射也不一样, 因此太阳光在不同波长衰减不一样, 有些波段衰减强烈一些, 而另外一些波段则衰减微弱些。此外同一波长的单色光, 在不同的湖区由于湖水物质的成分和浓度不一样, 其衰减强弱也存在差异, 因此通过衰减系数可以大致反映某一湖区的物质组成和含量。图3(a ) 为11月16～17日测定的表层水(0～50cm ) 衰减系数随波长的变化曲线, 不同湖区衰减系数随波长变化的共同特征是短波蓝光部分衰减系数大, 长波红光衰减系数小, 这与海洋中光学衰减系数随波长变化完全不一样, 海洋中一般是蓝光衰减较弱, 红光衰减较强, 体现了海水和湖水组成物质的巨大差异。另外衰减系数在670nm 左右有一相对高值, 这是由于叶绿素在这一波段的选择性吸收所致。9号点的波动最大, 说明其叶绿素含量最高, 这与实测值相吻合。图3(b ) 为7号点夏秋冬3季衰减系数随波长的变化曲线,3季衰减系数的大小依次是:秋季>冬季>夏季, 与3季测得悬浮质浓度大小顺序一致, 各自值分别为5616、4115、2119mg/L 。另外从图中能看出, 在短波部分随着悬浮质的增加光衰减系数增长得要快些, 说明悬浮质对光的衰减在短波部分比长波部分要强烈。
光学衰减系数的光谱特性还表现在同一测次, 不同深度的各波长衰减系数不一样, 图4为11月16日测定的9号点各水层的光学衰减系数随波长的变化曲线。由图可知在短波和长波部分, 光学衰减系数随深度增加呈递减趋势, 但在500～650nm 各层水的衰减系数相差无几, 说明衰减系数在500～650nm 受水中组成物质的影响较小, 长波部分主要由于浮游植物的影响, 而短波部分的变化则是悬浮物质和浮游植物共同作用所致
。
图3 不同时刻不同点号衰减系数随波长的变化曲线
Fig 13Variation curves of beam attenuation coefficient with wavelength at
different times and points
图4 不同水层光学衰减系数随波长变化曲线
Fig 14Variation curves of beam attenuation coefficient of different
water layer at 9point on Oct 1
16
452
217 国内外的研究对比
水科学进展第14卷
为进一步了解太湖水体的光学衰减系数及其光学特性, 将2001-2002年度的实验结果与国外的一些湖泊和河口的研究结果进行了对比, 见表5。
表5 太湖水体光学衰减系数、叶绿素a 浓度、总悬浮质浓度与国外资料的对比[6, 7]
T able 5Attenu ation coefficient (K d ) 、concentrations of chlorophyll 2a (Chl 2a) and total
suspended m atter (TSM) of T aihu Lake w aters and of some abroad lakes w aters
K -1
艾瑟尔河口
凯特尔湖艾瑟尔湖
乌得勒克省12个湖上艾瑟尔省6个湖斯海尔德河口
太湖1太湖2
金宁德拉湖埃斯韦特湖注:
118～313
117～311110～511017～413118～514018～519114～318115～416018～217018～11630123
(-1)
3～339～445～1702～608～893～937～3211～170(-1)
12～3912～395～581～284～317～7810～3315～36
荷兰荷兰荷兰荷兰荷兰荷兰、比利时
中国中国澳大利亚英国太湖1:1993年10月荷兰Herman J 1G ons 等测定, 点号:0～8; 太湖2:2001年8月笔者等测定, 点号0～8。
从表5可以看出, 太湖水体的光学衰减系数与国外一些混浊的内陆水体的光学衰减系数的数值相当, 其受总悬浮物和叶绿素a 浓度的影响也较为一致, 与1993年Herman J 1G ons 等测定的结果相比, 无论是光学衰减系
数还是总悬浮物和叶绿素a 浓度都有较大上升, 说明了近10年太湖湖泊富营养化程度的日益加剧, 湖水光学特性有了明显变化。
3 结 论
根据对2001-2002年周年观测及两次定点观测的资料进行分析, 太湖光学衰减系数变化具有以下特征:
(1) 光学衰减系数的湖区分布大致为:沿岸区>五里湖>湖心区>梅梁湾>贡湖>东太湖, 不同季节大小变化稍有差异。
(2) 东太湖全年光学衰减系数相差很小, 维持在115m -1左右; 湖心区衰减系数在风速大的秋冬季要大, 而在夏季则相对要小些。而梅梁湖区在夏秋季藻类大量生长时, 衰减系数大, 冬季衰减系数小。
(3) 衰减系数日变化变动比较大, 一般上午和下午较小, 中午较大。
(4) 衰减系数的垂直分布主要表现为逐渐递减和先递减后均匀两种类型, 水下150cm 以下各层水光学衰减系数很小, 水下辐照度已很微弱并且没有什么变化。
(5) 短波蓝光部分衰减系数大, 长波红光衰减系数小, 在670nm 左右有一相对高值。长波部分光衰减主要由于浮游植物的影响, 而短波部分的变化则是悬浮物质和浮游植物共同作用所致。
(6) 太湖水体的光学衰减系数与国外一些混浊的内陆水体的光学衰减系数的数值相当, 但近10年来太湖水光学特性发生了一些明显变化。参考文献:
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第4期张运林等:太湖水体光学衰减系数的分布及其变化特征453
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290-295.
Analysis on distribution and variation of beam attenuation coefficient
Ξ
of T aihu Lake ’s w ater
ZH ANG Y un 2lin 1, 2, QI N Bo 2qiang 1, CHE N Wei 2min 1, Y ANG Ding 2tian 1, 2, J I Jiang 1
(11Nanjing Institute o f G eography &Limnology, Chinese Academy o f Sciences , Nanjing 210008, China ;
21School o f Postgraduate , Chinese Academy o f Sciences , Beijing 100039, China )
Abstract :Based on optical parameter data of different lake regions from 2001to 2002obtained in situ , the zonal distribution , the seas onal variation , the vertical distribution and the daily variation feature of beam attenuation coefficient are analyzed and
the causes are explained 1The attenuation coefficient , concentrations of chlorophyll 2a (Chl 2a ) and total suspended matter (TS M ) of T aihu Lake water and of s ome abroad lakes water are contrasted , which detailedly expounds the optical properties of T aihu Lake water body 1The results show that the zone distribution of beam attenuation coefficient is estuary >Wuli Lake >Lake center ,Lake center >Meiliang Lake , Meiliang Lake >G onghu Lake , and G onghu Lake >Easter T aihu Lake ; the seas on 2al variations are different because the main affecting factors of beam attenuation coefficient at different zones are different ; the beam attenuation coefficient at noon is bigger than that of m orning and afternoon ; there are tw o types of beam attenuation coef 2ficient vertical distribution , one of which decreases step by step , the other decreases at first and varies little then ; and the spectral properties of beam attenuation coefficient show that it is bigger at short wavelength than that of long wavelength and with a high value at 670nm 1
K ey w ords :irradiance ; beam attenuation coefficient ; vertical distribution ; seas onal change ; water body ; T aihu Lake
ΞThe project is supported by the C AS K nowledge 2Initiated Project (N o. K Z CX 22311) and National Natural Science F oundation of China
(N o. 40071019) .
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太湖水体光学衰减系数的分布及其变化特征
张运林1,2, 秦伯强1, 陈伟民1, 杨顶田1,2, 季 江1
(11中国科学院南京地理与湖泊研究所, 江苏南京 210008; 21中国科学院研究生院, 北京 100039)
摘要:利用2001-2002年周年太湖全湖不同湖区湖泊光学的实测资料, 分析了太湖水体光学衰减系数的区域分布, 季节变化, 垂直分布及日变化特征, 并阐述了其变化原因, 将太湖与国外一些湖泊进行对比, 进一步阐述了太湖的光学特征。结果表明:光学衰减系数的湖区分布大致为:河口区>五里湖>湖心区>梅梁湾>贡湖>东太湖; 由于不同湖区对光学衰减系数影响的主导因素不一样, 其季节变化存在差异, 东太湖季节变化不大, 湖心区衰减系数秋冬季较大, 而梅梁湖区则夏秋较大; 衰减系数日变化则表现为中午大, 上午和下午小; 衰减系数的垂直分布主要有逐渐递减和先递减后均匀2种类型; 衰减系数的光谱特性表现为在短波部分较大, 长波部分较小, 670nm 处有一相对高值。
关 键 词:辐照度; 光学衰减系数; 垂直分布; 季节变化; 水体; 太湖
中图分类号:P 34313 文献标识码:A 文章编号:100126791(2003) 042447207
太阳光线进入湖水后, 受到湖水中悬浮颗粒、可溶性有机质和浮游生物的影响而衰减, 光线在湖水中的分布及其性质对湖水透明度分布、湖泊生物的密度和分布等有重要影响。湖水光学衰减系数是湖泊光学的一个重要参数, 反映了光线在湖水中的分布及变化, 是湖水清澈或混浊程度的真实反映, 因此研究湖水的光学衰减系数有助于了解太湖水体的光学性质和光学类型。但以前由于条件限制, 国内大多数湖泊调查和测量中一般只能借助于透明度盘和水色计来进行透明度和水色的测量, 并以此大致估算一下湖水的光学特性, 并没有湖泊进行过光学衰减系数的观测和实验, 只有曾在一些海区开展过海水光学衰减系数的调查和研究, 取得一些成果[1～4], 发现海水光学衰减系数垂直分布类型复杂。但湖泊跟海洋不一样, 尤其像太湖这样大型的浅水湖泊, 水体混浊, 湖水透明度低, 其光学衰减系数的分布和变化与海洋中相差很大。本文根据对2001-2002年周年太湖实测光学资料的分析, 阐述了太湖水体光学衰减系数的区域分布, 季节变化, 垂直分布、日变化特征及光谱特性。
1 测量的站位、时间及仪器
为研究太湖全湖不同水域水体周年的光学衰减系数, 研究期间在太湖不同湖区均布有测点, 各测点具体位
置见图1, 各点经纬度见表1。全年分夏秋冬3季测定采样(春季和秋季水下辐照度相近, 因而不再进行采样分析) 。另外为了研究光学衰减系数的日变化和垂直变化, 进行了两次定点观测, 一次在太湖站栈桥外, 从7月21日到23日连续观测3d , 每天从早晨5时开始观测, 每隔2h 观测一次, 到下午19时为止, 从湖面开始分5层测定辐照度, 分别为0cm 、-20cm 、-50cm 、-100cm 、-150cm 。站点地理位置为:31°25′1011″N , 120°12′5013″E , 水深2125m ; 另外一次在梅梁湾内, 从9月8日到11日连续观测4d , 从上午9时开始到下午17时
收稿日期:2002206224; 修订日期:2002208219
基金项目:中国科学院知识创新工程项目(K Z CX 2-311) ; 国家自然科学基金资助项目(40071019)
作者简介:张运林(1976-) , 男, 湖南邵阳人, 中国科学院南京地理与湖泊研究所博士研究生, 主要从事湖泊光学和湖泊环
境研究。E 2mail :ylzhang @niglas1ac 1cn
448水科学进展第14卷
为止, 每隔2h 观测一次, 从湖面到湖底分8层测定, 分别为0cm 、-20cm 、-50cm 、-100cm 、-150cm , -200cm 、-225cm 、-250cm , 站点位置为:31°29′N , 120°12′E , 水深为217m 。现场观测项目包括标量辐照度、向上辐照度、向下辐照度、透明度、水温, 初级生产力测定, 并同时采集水样带回实验室分析悬浮有机颗粒、无机颗粒及叶绿素a 浓度。
辐照度测量所选用的仪器为英国生产的SR99102PC 型水下光辐谱仪, 其携带2个探头, 一个测标量辐照度, 一个测向下向上辐照度, 测量波段范围为240～800nm , 包括紫外、可见光波段和近红外光波段, 但在实验期间主要测量400～700nm 光合有效辐射波段(在没有特别说明的情况下, 所论述的辐照度都是指400～700nm 波段) , 波长精度为±015nm , 焦距长100mm , 探头接收到的光信号经数据线由RS232
接口传送到计算机上, 转变为电信号经电子线路对讯号放大、处理, 然后在计算机上进行显示和存储。仪器经计量单位标定以保证测量数
图1 监测点分布图
Fig 11Distribution of measuring points
据的可靠性。叶绿素a 和悬浮颗粒的分析按照有
关湖泊调查规范进行, 分析数据可靠[5, 6]。
表1 各测点的位置及所属湖区
T able 1Location and lake region located of measuring points
点号
1357位置梁溪河口三山岛边二号航标四号航标六号航标纬度(N ) 31°28160′31°30178′31°28160′31°24169′31°20136′经度(E )
120°13138′120°11149′120°11161′120°11125′120°10185′所属湖区
五里湖梅梁湾梅梁湾梅梁湾湖心区点号
910111213位置五里湖大浦口小梅口东太湖大贡山纬度(N ) 31°30178′31°18187′30°57182′31°01130′31°23119′经度(E )
120°15119′119°56173′120°07112′120°27123′120°17173′所属湖区
五里湖河口区河口区东太湖贡 湖
2 结果与讨论
211 光学衰减系数的计算
由于不同湖水组成物质不一样, 其对不同波长的太阳光的吸收和散射也不一样, 因此不同波长的辐照度随
) 在观测深度范围内不随波长而变化, 可深度衰减各不相同, 但大部分学者采用一种简化的模式, 即认为K (λ近似地看为常数, 从而得到衰减系数的计算式[7, 8]:
K =-
z
ln
E (0)
(1)
式中 K 为光学衰减系数; z 为深度; E (z ) 为深度处的辐照度; E (0) 为起始面辐照度。
第4期张运林等:太湖水体光学衰减系数的分布及其变化特征449
212 光学衰减系数的空间分布
不同湖区水体的组成物质不一样, 其对水体吸收和散射自然不一样, 东太湖水生植被较多, 湖水清洁, 光学衰减系数自然就要小得多, 湖中心风浪较大, 水中悬浮质含量高, 水体浑浊, 透明度低, 光学衰减系数就大。表2列出了8月16～17日测定的不同湖区表层水(0～50cm ) 的光学衰减系数。
表2 8月16～17日测定的不同点表层水(0～50cm) 的光学衰减系数、悬浮质、叶绿素浓度
T able 2B eam attenu ation coefficient , concentration of suspended m atter and Chl 2a of
surface w ater (0～50cm) at different points in August 16and August 17
点 号
1357-1
[***********]64(-[***********]16521195-[***********][**************]13-1
[***********]01(-[***********]18515105-1170111 [***********]16
湖水的衰减系数主要由纯水、黄色物质、悬浮颗粒及浮游植物的吸收和散射组成, 其中, 纯水的吸收和散射是一切湖水所共有的, 可以认为是湖水衰减系数的本底(又称背景值) 。因此湖水衰减系数的变化部分是由溶解物质、悬浮颗粒和浮游植物的成分和数量的变化所决定的。为研究光学衰减系数空间分布差异, 我们测定了不同湖区表层水的悬浮物质和叶绿素含量, 见表2, 对比数据发现12号点(东太湖) 光学衰减系数之所以比其它点小, 是因为其悬浮质和叶绿素浓度都是最低的, 13号点次之, 8号点尽管悬浮质浓度较高, 但由于叶绿素浓度很低, 因此其光学衰减系数也较小。从表2我们大致能看出光学衰减系数的变化与悬浮质和叶绿素的变化较为一致, 为探讨光学衰减系数与悬浮质、叶绿素的定量关系, 参照国外一些湖泊的经验[9, 10], 我们对2001-2002年度实测的光学衰减系数、无机颗粒、有机颗粒及叶绿素a 作多元线性回归, 结果如下:
K d =01219+010768C S M M +01214C S OM +01006C chl -a 式中 K d 为光学衰减系数, m -1; C S M M 为悬浮无机颗粒物浓度, mg/L ; C S OM 为悬浮有机颗粒物浓度, mg/L ; C chl -a 为叶绿素a 浓度, mg/L 。
由于每次测定的湖况和风浪都不一样, 再加上夏秋冬3季藻类生长和繁殖也存在差异, 因此每季测定的光学衰减系数大小顺序并不完全一样, 但总体而言, 光学衰减系数的湖区分布大致为:河口区>五里湖>湖心区>梅梁湾>贡湖>东太湖。河口区之所以全年衰减系数比较高, 是因为10号和11号点分别位于大浦口和小梅口, 处在太湖两条主要入湖河流宜溧河与苕溪的入湖口, 河流携带了流域的大量悬浮质特别是有机物质进入湖泊, 使湖水混浊, 大大降低了太阳光在湖泊中传输。213 光学衰减系数的季节变化
由于不同湖区对光学衰减系数影响的主导因素不一样, 其季节变化存在差异。对东太湖而言, 全年湖水中悬浮质和叶绿素含量差异不大, 因此夏秋冬3季光学衰减系数相差很小, 维持在115m -1左右; 湖心区藻类的繁殖和生长明显要小于梅梁湖区, 光学衰减系数主要受水中悬浮质的影响, 而水中悬浮质主要由风浪所决定, 因而衰减系数在风速大的秋冬季要大, 而在夏季则相对要小些。在梅梁湖区夏秋季藻类大量生长, 叶绿素对光的吸收主导了该湖区光的衰减, 致使夏秋季衰减系数大, 冬季衰减系数小。214 光学衰减系数的日变化特征
根据两次定点观测的数据进行分析, 一天内衰减系数变动比较大, 一般上午和下午较小, 中午较大, 体现了一定的日变化特征, 但其大小有一定波动, 不像太阳辐射那样呈现完全日变化规律, 另外由于晚上没进行观测, 因此无法知道其夜间情况。通过对分层水的光学衰减系数进行分析发现, 不同水深的分层水的日变化不一样, 表层水的日变化差异明显小于深层水, 表3给出了7月22日不同时刻表层水(0～50cm ) 和深层水(50～100cm ) 光学衰减系数值。
450水科学进展第14卷
表3 7月22日不同时刻表层及深层水的光学衰减系数
T able 3Attenu ation coefficient of surface and deep w ater at different occasions in July 22
5∶007∶009∶[***********][1**********]840m -1
[**************]13∶0015∶0017∶[***********]15 光学衰减系数的垂直变化
根据文献记载[1～4, 11, 12], 几次海区调查的结果发现光学衰减系数的垂直变化比较复杂, 有递增的、递减的、均匀的、也有每一深度出现极大和极小值的, 还有不规则型的, 种类繁多。湖泊中光学衰减系数的垂直变化会怎样呢? 根据我们测定的结果进行分析发现, 衰减系数的垂直分布在0～150cm 深度时主要表现为两种类型, 一种是逐渐递减型, 一种是先递减之后则趋向均匀变化不大。继续向下, 在150cm 之下衰减系数很小, 有的小于1m -1,
大小跟海水衰减系数差不多, 有时甚至计算得到衰减系数为负值, 说明在这深度以下辐照度不但没有减少反而有时有所增加, 分析原因, 由于太湖水体透光性很差, 太阳光到达水下150cm 处时已经基本上被衰减掉, 光线很微弱, 再往下入射光不再占主导因素, 此时动物发光和湖底反射在这些层次上可能增强环境辐照度, 从而使光学衰减系数出现负值情况。图2是光学衰减系数变化的几种类型, 其中图2(a ) 代表0～150cm 深度中水下20cm 光学衰减系数很大, 再往深处衰减系数变化趋于均匀, 图2(b ) 表示自湖面到水下150cm 处衰减系数逐渐降低。图2(c ) 为湖面以下200cm 衰减系数小于1m -1, 图2(d ) 则显示水下150cm 衰减系数就小于1m -1, 由图也可看出, 太阳光在表层比深层衰减强烈, 再往下接近湖底时就几乎没有衰减。表4列出了9月11日在梅梁湖定点观测所测得的不同深度处的向下辐照度, 由表中数据可以看出水下150cm 之下深度幅
图2 衰减系数垂直变化的几种类型
Fig 12Vertical variation types of beam attenuation coefficient
第4期张运林等:太湖水体光学衰减系数的分布及其变化特征451
辐照度已相差无几, 并且大小已不及水表面的1%, 超过了光补偿深度, 由此也反映了光学衰减系数的垂直变化主要集中在0～150cm 深度处。
表4 9月11日梅梁湖定点观测所测得的不同深度处的向下辐照度
T able 4Dow nw ard irradiance of different depth in Meiliang lake on Sep 111
时 间
9:11:13:15:[***********][**************]43-20cm [***********]111537-50cm [***********]012054-100cm [***********]010755-150cm [***********]010667-200cm [***********]010672-225cm [***********]010689W/m 2
-250cm [***********]010712216 光学衰减系数的光谱特性
无论是水分子还是黄色物质和浮游植物, 它们对光的吸收都具有选择性, 而不同粒径的粒子对光的散射也不一样, 因此太阳光在不同波长衰减不一样, 有些波段衰减强烈一些, 而另外一些波段则衰减微弱些。此外同一波长的单色光, 在不同的湖区由于湖水物质的成分和浓度不一样, 其衰减强弱也存在差异, 因此通过衰减系数可以大致反映某一湖区的物质组成和含量。图3(a ) 为11月16～17日测定的表层水(0～50cm ) 衰减系数随波长的变化曲线, 不同湖区衰减系数随波长变化的共同特征是短波蓝光部分衰减系数大, 长波红光衰减系数小, 这与海洋中光学衰减系数随波长变化完全不一样, 海洋中一般是蓝光衰减较弱, 红光衰减较强, 体现了海水和湖水组成物质的巨大差异。另外衰减系数在670nm 左右有一相对高值, 这是由于叶绿素在这一波段的选择性吸收所致。9号点的波动最大, 说明其叶绿素含量最高, 这与实测值相吻合。图3(b ) 为7号点夏秋冬3季衰减系数随波长的变化曲线,3季衰减系数的大小依次是:秋季>冬季>夏季, 与3季测得悬浮质浓度大小顺序一致, 各自值分别为5616、4115、2119mg/L 。另外从图中能看出, 在短波部分随着悬浮质的增加光衰减系数增长得要快些, 说明悬浮质对光的衰减在短波部分比长波部分要强烈。
光学衰减系数的光谱特性还表现在同一测次, 不同深度的各波长衰减系数不一样, 图4为11月16日测定的9号点各水层的光学衰减系数随波长的变化曲线。由图可知在短波和长波部分, 光学衰减系数随深度增加呈递减趋势, 但在500～650nm 各层水的衰减系数相差无几, 说明衰减系数在500～650nm 受水中组成物质的影响较小, 长波部分主要由于浮游植物的影响, 而短波部分的变化则是悬浮物质和浮游植物共同作用所致
。
图3 不同时刻不同点号衰减系数随波长的变化曲线
Fig 13Variation curves of beam attenuation coefficient with wavelength at
different times and points
图4 不同水层光学衰减系数随波长变化曲线
Fig 14Variation curves of beam attenuation coefficient of different
water layer at 9point on Oct 1
16
452
217 国内外的研究对比
水科学进展第14卷
为进一步了解太湖水体的光学衰减系数及其光学特性, 将2001-2002年度的实验结果与国外的一些湖泊和河口的研究结果进行了对比, 见表5。
表5 太湖水体光学衰减系数、叶绿素a 浓度、总悬浮质浓度与国外资料的对比[6, 7]
T able 5Attenu ation coefficient (K d ) 、concentrations of chlorophyll 2a (Chl 2a) and total
suspended m atter (TSM) of T aihu Lake w aters and of some abroad lakes w aters
K -1
艾瑟尔河口
凯特尔湖艾瑟尔湖
乌得勒克省12个湖上艾瑟尔省6个湖斯海尔德河口
太湖1太湖2
金宁德拉湖埃斯韦特湖注:
118～313
117～311110～511017～413118～514018～519114～318115～416018～217018～11630123
(-1)
3～339～445～1702～608～893～937～3211～170(-1)
12～3912～395～581～284～317～7810～3315～36
荷兰荷兰荷兰荷兰荷兰荷兰、比利时
中国中国澳大利亚英国太湖1:1993年10月荷兰Herman J 1G ons 等测定, 点号:0～8; 太湖2:2001年8月笔者等测定, 点号0～8。
从表5可以看出, 太湖水体的光学衰减系数与国外一些混浊的内陆水体的光学衰减系数的数值相当, 其受总悬浮物和叶绿素a 浓度的影响也较为一致, 与1993年Herman J 1G ons 等测定的结果相比, 无论是光学衰减系
数还是总悬浮物和叶绿素a 浓度都有较大上升, 说明了近10年太湖湖泊富营养化程度的日益加剧, 湖水光学特性有了明显变化。
3 结 论
根据对2001-2002年周年观测及两次定点观测的资料进行分析, 太湖光学衰减系数变化具有以下特征:
(1) 光学衰减系数的湖区分布大致为:沿岸区>五里湖>湖心区>梅梁湾>贡湖>东太湖, 不同季节大小变化稍有差异。
(2) 东太湖全年光学衰减系数相差很小, 维持在115m -1左右; 湖心区衰减系数在风速大的秋冬季要大, 而在夏季则相对要小些。而梅梁湖区在夏秋季藻类大量生长时, 衰减系数大, 冬季衰减系数小。
(3) 衰减系数日变化变动比较大, 一般上午和下午较小, 中午较大。
(4) 衰减系数的垂直分布主要表现为逐渐递减和先递减后均匀两种类型, 水下150cm 以下各层水光学衰减系数很小, 水下辐照度已很微弱并且没有什么变化。
(5) 短波蓝光部分衰减系数大, 长波红光衰减系数小, 在670nm 左右有一相对高值。长波部分光衰减主要由于浮游植物的影响, 而短波部分的变化则是悬浮物质和浮游植物共同作用所致。
(6) 太湖水体的光学衰减系数与国外一些混浊的内陆水体的光学衰减系数的数值相当, 但近10年来太湖水光学特性发生了一些明显变化。参考文献:
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290-295.
Analysis on distribution and variation of beam attenuation coefficient
Ξ
of T aihu Lake ’s w ater
ZH ANG Y un 2lin 1, 2, QI N Bo 2qiang 1, CHE N Wei 2min 1, Y ANG Ding 2tian 1, 2, J I Jiang 1
(11Nanjing Institute o f G eography &Limnology, Chinese Academy o f Sciences , Nanjing 210008, China ;
21School o f Postgraduate , Chinese Academy o f Sciences , Beijing 100039, China )
Abstract :Based on optical parameter data of different lake regions from 2001to 2002obtained in situ , the zonal distribution , the seas onal variation , the vertical distribution and the daily variation feature of beam attenuation coefficient are analyzed and
the causes are explained 1The attenuation coefficient , concentrations of chlorophyll 2a (Chl 2a ) and total suspended matter (TS M ) of T aihu Lake water and of s ome abroad lakes water are contrasted , which detailedly expounds the optical properties of T aihu Lake water body 1The results show that the zone distribution of beam attenuation coefficient is estuary >Wuli Lake >Lake center ,Lake center >Meiliang Lake , Meiliang Lake >G onghu Lake , and G onghu Lake >Easter T aihu Lake ; the seas on 2al variations are different because the main affecting factors of beam attenuation coefficient at different zones are different ; the beam attenuation coefficient at noon is bigger than that of m orning and afternoon ; there are tw o types of beam attenuation coef 2ficient vertical distribution , one of which decreases step by step , the other decreases at first and varies little then ; and the spectral properties of beam attenuation coefficient show that it is bigger at short wavelength than that of long wavelength and with a high value at 670nm 1
K ey w ords :irradiance ; beam attenuation coefficient ; vertical distribution ; seas onal change ; water body ; T aihu Lake
ΞThe project is supported by the C AS K nowledge 2Initiated Project (N o. K Z CX 22311) and National Natural Science F oundation of China
(N o. 40071019) .