近日，我室水色卫星遥感团队李腾副研究员与合作者在水体固有光学特性剖面结构的遥感探测及区域生物地球化学应用方面取得新进展，相关成果发表于IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing和Geophysical Research Letters。研究构建了南海125m以浅水体颗粒光束衰减系数（cp660）剖面结构的卫星遥感反演方法，在此基础上结合实测颗粒有机碳（POC），制作了2003-2023年南海上层水体POC三维数据集，并进一步评估了剖面结构（剖面浓度及积分深度）对POC储量估算的影响、初级生产及POC储量变化对POC输出的贡献，拓展了以往侧重于初级生产驱动POC输出的研究视角。

通过将海水无机碳转化为有机碳、并以颗粒有机碳形式（particulate organic carbon, POC）向下输出至深海固存，生物泵构成了海洋碳循环的重要环节。尽管真光层浮游植物仅占海洋生物量的约0.2-0.3%，但由于其高周转率，驱动的生物泵过程在全球尺度调控着溶解无机碳垂直梯度变化的约70%。因此，气候变化研究的一个基本重点是提高对真光层内POC的分布、组成和不同气候条件下变化的了解。然而，作为满足全球或区域海水POC大尺度连续观测要求的重要平台，水色卫星获取的信息从理论上局限于第一光学深度（即真光层的上20%区域）。因此，迫切需要加强当前水色卫星遥感对整个真光层内POC剖面分布的观测技术能力，以提高水色卫星遥感作为海洋观测和后续气候变化分析的效益。

针对上述问题与需求，研究团队分析了不同水体光学特性对POC的表征能力。结果显示（图1），在仅考虑颗粒后向散射系数（b_bp）的情况下，在全年尺度的变化中，相对于蓝绿波段，黄红波段bbp对研究区POC的改变更加敏感（b_bp随POC变化的斜率更大）。在POC浓度小于0.25 umol L^-1时，b_bp对POC浓度的改变不在敏感，基本维持在固定背景值（因波段而变）。作为对比，颗粒光束衰减系数（cp660）更适合作为研究区POC的表征参数，即使在浓度小于0.25 umol L^-1时，cp660仍与POC保持稳健的协变性。结合现场调查数据及分析结果，研究团队进一步构建了南海上层水体cp660剖面结构的水色卫星遥感反演方法，基本实现了研究区cp660剖面结构的动态观测（图2）（精度在35%以内）。

通过分析研究区cp660与POC的转换关系，研究团队制作了2003-2023年月均的三维POC数据集。在此基础上，分析了南海POC储量的时空变化特征及其控制因素。结合显示，在区域月均尺度上，真光层及100m层水柱POC均值与海表POC密切相关（R>0.9）。对于固定水深100m水柱，剖面POC浓度决定了其储量的改变，在2003-2023年间整体下降。对于真光层储量，相对于POC剖面浓度，积分深度（即真光层深度）主导了其季节与年际改变，在2003-2023年间反而因积分深度增加出现上升现象。鉴于研究区POC储量的显著变化，团队在质量平衡的假设下，使用食物网模型分析了初级生产和POC储量改变对POC输出的影响。结果显示，对于真光层深度处的POC输出，初级生产是其POC输出的主要来源，而对于现场观测常使用的100m深度，POC储量的贡献不可忽略（图3）。

图1. 研究区水体固有光学特性（b_bp及cp660）与POC的变化分析。

图2. cp660剖面结构遥感反演结果。

图3. POC输出与初级生产（NPP）及POC储量变化的相关性分析。

论文引用:

[1]Li T., Bai Y., Cui W., He X., Pan T., Tao B., Zhang X., Yin Z. (2025). Characterizing the 3-D Structure of Particle Beam Attenuation Coefficient in the Northern South China Sea. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 63, 1-19. doi:10.1109/TGRS.2025.3581197

[2]Li, T., Bai, Y., He, X., Tao, B., Zhang, X., Gong, F., et al. (2025). Variability of particulate organic carbon stock in the South China Sea with reference to profile structures. Geophysical Research Letters,52,e2025GL119155.https://doi.org/10.1029/2025GL119155