一种海洋中尺度涡旋内部碳循环的估算及演化分析方法

本发明属于海洋碳循环，尤其涉及一种海洋中尺度涡旋内部碳循环的估算及演化分析方法。

背景技术：

1、生物碳泵是指以海洋环境中的海洋生物活动（浮游植物吸收co2的降解沉降，海洋动物觅食、排泄、死亡降解沉降等）为动力，将碳元素从海洋表层转移到深层的过程。它作为海洋吸收co2的主要机制之一，在海洋深层储碳过程中发挥着至关重要的作用。而在海洋生物碳泵机制中，以小型海洋动物为主体的海洋生物昼夜垂直迁移行为是其重要表现形式之一。即每当夜幕降临，数以万计的海洋动物在夜色的掩护下悄悄地从海洋深处向上迁移数百米，游到海洋表层觅食（以浮游植物为主），然后在黎明之前返回200-1000米的海洋中层黑暗区域。海洋动物为了躲避白天在海面上游弋的掠食者，而选择在夜间进行向上迁移的这种行为被称为昼夜垂直迁移（diel vertical migration，dvm），是迄今为止地球生物圈中最大规模的种群迁移现象。而这些海洋动物就像一个巨大的传送带，通过表层的觅食行为，把浮游植物吸收的二氧化碳带回海洋深处，再通过新陈代谢活动排放到深海中，从而实现了碳封存。有研究表明，海洋动物的昼夜垂直迁移贡献了海洋碳总输出量的一半。

2、中尺度涡旋是海洋中普遍存在的一种动力过程，可谓无时不在、无时不有、数以万计、大小不一，空间尺度约为几十到几百公里，时间尺度从几天到几年，垂直尺度可达千米，每天移动约几公里，是一种相对独立的移动三维旋转流体，覆盖海洋表面积的大约40%，对海洋物质循环和能量级联具有重要作用，已成为当前跨学科研究的天然载体。然而随着全球变暖，一方面，全球海洋中尺度涡旋的强度、尺度和频率等都在一定时空尺度上发生着变化；另一方面，中尺度涡旋因自身的水平搅拌、垂直抽运和区域裹挟特性，具有异常的海洋地球生物化学环境（如研究发现，涡旋内部的叶绿素、溶解氧、温度参数表现为异常），从而维持着一个独特的生态系统。因此，海洋中尺度涡旋内部发生昼夜垂直迁移的海洋动物总量一定有其特殊性，其总量、空间分布特征及演变规律等,对构建精细尺度上的海洋碳循环模型、准确估算海洋碳汇并预测气候变化，从而指导人类科学碳排放等都具有重要意义。但是，目前现有技术中缺少一种对中尺度涡旋内部发生昼夜垂直迁移的海洋动物总量估算及其演化趋势分析的有效方法。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种海洋中尺度涡旋内部碳循环的估算及演化分析方法，包括以下步骤：

2、步骤1，利用激光雷达卫星数据和被动水色遥感数据联合反演水体颗粒物后向散射系数；可计算获取白天采样的和夜间采样的；

3、步骤2，通过步骤1获取的水体颗粒物后向散射系数反演计算海洋中发生昼夜垂直迁移的海洋动物总量dvm；

4、通过拟合夜间海洋动物后向散射系数与同一时空下的海洋动物现场捕捞量间关系，得到夜间垂直迁移海洋动物总量与间的换算因子a，并结合浮游植物的昼、夜后向散射系数差异引入的转换因子c，得到海洋中发生昼夜垂直迁移的海洋动物总量dvm的反演公式为：

5、；

6、步骤3，对步骤2获取的dvm与中尺度涡旋进行时空匹配，并按日期将激光雷达卫星反演得到的所有dvm划分为三类数据集，即在反气旋涡ae内、在气旋涡ce内和在涡外；

7、步骤4，完成dvm与中尺度涡旋的匹配后，分别对不同极性涡旋ae和ce内的海洋动物总量空间分布特征进行统计分析，计算某个时间段内、某一区域或全球的海洋动物总量平均异常；

8、步骤5，以某一区域或全球为研究对象，分别统计ae和ce内海洋动物总量在某个时间段的平均异常，得到ae或ce内的动物总量平均异常时间序列，然后以所述某个时间段为横坐标，ae或ce内的海洋动物总量平均异常为纵坐标，通过方程拟合，得到ae或ce内部的海洋动物总量演变趋势。

9、在一种可能的设计中，所述步骤1中水体颗粒物后向散射系数的反演公式为：

10、

11、其中，为激光波长处的漫射衰减系数，通过被动水色遥感产品反演得到；为总退偏比，通过激光雷达卫星接收到的垂直偏振通道信号与平行偏振通道信号的比值计算得到；为海表面后向散射，利用风速、激光入射角及菲涅尔反射率ρ计算得到；为水下粒子退偏比，由其与的经验关系式计算得到；t为532nm波长的海表透过率，由激光雷达波长决定。

12、在一种可能的设计中，所述步骤1和步骤2之间还包括结果的校正过程，具体为：

13、s11，对现场剖面平台获得的颗粒物后向散射系数进行质量控制、插值，同时将其转化为与激光雷达卫星相同波长的颗粒物后向散射系数；

14、s12，以激光雷达卫星的水下采样积分深度为标准，计算现场剖面平台在该深度范围的平均颗粒物后向散射系数，记为；

15、s13将现场剖面平台的采样时间、位置与激光雷达卫星的采样时空位置进行匹配，由于二者都具有精确的时刻和经纬度坐标，一般很难进行严格意义上的时空匹配，因此必须选择适宜的时间和空间范围进行匹配；

16、s14，将匹配后的数据与激光雷达卫星反演的数据进行拟合，建立与之间的拟合方程，通过拟合方程对卫星反演的结果进行校正。

17、在一种可能的设计中，所述步骤1中用于计算的数据需要进行数据质量控制筛选，包括海表风速筛选，海表风速满足2m/s≤≤9m/s；大气光学厚度aod筛选，aod<3；总退偏比筛选，<0.05。

18、在一种可能的设计中，所述海表面后向散射取决于菲涅尔反射率，激光入射角和海表均方斜率σ，其经验公式为：

19、

20、海表均方斜率σ是风速的函数，即：

21、

22、其中，入射角是激光雷达卫星的激光入射角；为菲涅尔反射率。

23、在一种可能的设计中，所述的反演公式的推导过程为：

24、具有偏振特性的激光雷达卫星接收的离水后向散射信号包括垂直偏振信号和平行偏振信号，由于垂直偏振信号几乎全部来自于海表面以下水柱积分的颗粒物后向散射，而平行偏振信号既包含来自于海表面以下水柱积分的平行偏振后向散射，也包括来自海表面的平行偏振后向散射，即：

25、（1）

26、因此，反演是基于海表面以下水柱积分的垂直偏振后向散射，引入总退偏比，其值等于海表面离水后的垂直偏振信号与平行偏振信号的比值，即：

27、

28、（1）式中的可以通过海表面以下水柱积分的退偏比求得，定义为水柱积分的垂直偏振信号与水柱积分的平行偏振信号的比值，即：

29、

30、取0.1，故由（1）（2）（3）式，得到

31、

32、进一步结合水下粒子退偏比、180度粒子后向体散射相函数参数进行换算，即

33、

34、其中，t为532nm波长的海表透过率，为激光波长的漫射衰减系数，为水柱积分的垂直偏振后向散射；

35、通过现场测量，得到与的经验关系为：

36、

37、联立（4）（5）（6），得到

38、

39、即为的反演公式。

40、在一种可能的设计中，所述步骤2中海洋中昼夜垂直迁移的海洋动物总量dvm的反演公式的具体推导过程为：

41、激光雷达卫星夜间获得的颗粒后向散射信号既包含了夜间浮游植物颗粒的后向散射信号，也包含了海洋动物的后向散射信号，因此得到为

42、（7）

43、将换算为，并考虑浮游植物的日循环特征，浮游植物的昼、夜后向散射信号差异主要来源于浮游植物生长率和时长大小，二者转换因子可用c表示，即：

44、（8）

45、进一步得到：

46、（9）

47、进一步地，通过建立激光雷达卫星获得的夜间海洋动物后向散射系数与同一时空下的海洋动物现场捕捞量间关系，得到夜间海洋动物总量与间的换算因子a，最后得到海洋中昼夜垂直迁移的海洋动物总量dvm的反演公式为：

48、

49、在一种可能的设计中，所述步骤3的具体过程为：

50、下载与激光雷达卫星同一时间段的海洋中尺度涡旋数据集，记为气旋涡ce和反气旋涡ae；

51、将激光雷达反演得到的动物总量与该天的所有中尺度涡旋进行逐一匹配，判断是在某个ae内、ce内或涡外；

52、当完成全部匹配后，按照日期划分为三类数据集，即分别在ae内、在ce内和在涡外。

53、在一种可能的设计中，所述步骤4的具体过程为：

54、将涡外的海洋动物总量作为背景场，统计全球每1°×1°网格内所有涡外海洋动物总量数据在每个月的多年平均值作为该1°×1°网格的月气候态背景值，记为；

55、统计ae或ce内每1°×1°网格在每个月的多年平均海洋动物总量，记为或，为了表征不同极性涡旋的空间分布特性，进一步计算dvm的月平均异常，记为或，其计算方法为：

56、

57、

58、同理，可分别计算ae、ce内多年的季节与年平均海洋动物总量异常，从而获得ae、ce内的在全球或某一区域多年间的月、季节或年平均海洋动物总量异常空间分布特征。

59、与现有技术相比，本发明提出一种海洋中尺度涡旋内部碳循环的估算及演化分析方法，利用激光雷达遥感手段，可以估算全球海洋的高时空分辨dvm值，相对于现场测量，具有覆盖广、时序长、准实时、效率高的综合优势。通过进一步与中尺度涡旋进行时空匹配，可以进一步揭示不同极性涡旋内部的dvm空间分布特征以及随年际变化的dvm演变规律，为全球中尺度海洋碳循环精细模型构建、区域海洋碳汇精确估算、海洋对碳的吸收能力预测等提供技术方法支撑。