西北太平洋夜间叶绿素a分布的声学-遥感协同反演研究及其生态意义

本研究针对海洋遥感无法获取夜间叶绿素a(Chl-a)的难题，创新性结合多频渔业声呐(200/333 kHz)与Phytoplankton Size Class(PSC)算法，通过建立声学反向散射强度(Sv)与浮游植物粒径组分(C3)的定量关系，首次实现西北太平洋大范围夜间Chl-a分布反演。结果显示昼夜Chl-a存在显著差异(R2=0.9988)，为理解昼夜生态过程及渔业管理提供新视角。

　　

在浩瀚的西北太平洋，浮游植物作为海洋食物链的基础，其昼夜动态变化一直是海洋生态研究的盲区。传统海洋遥感依赖日光反射信号，只能获取白天叶绿素a(Chl-a)数据，而夜间Chl-a的分布规律及其与浮游动物昼夜垂直迁移(Diel Vertical Migration, DVM)的关联长期缺乏有效观测手段。这一知识缺口直接影响对海洋初级生产力昼夜波动、生物碳泵效率以及夜间渔业活动的精准评估。

针对这一科学难题，中国研究人员在《Ecological Informatics》发表创新成果。研究团队巧妙利用渔业科学调查船"东方红3号"获取的多频声呐数据(18-333 kHz)和MODIS-Aqua遥感数据，通过建立声学反向散射强度(Backscattering Strength, Sv)与浮游植物粒径组分(Phytoplankton Size Class, PSC)的定量关系，首次实现西北太平洋大范围夜间Chl-a分布的反演。

关键技术包括：(1)基于26°N分界线的声学数据分层处理，利用333 kHz高频声呐校正200 kHz数据中大型浮游生物的干扰；(2)应用PSC算法将Chl-a分解为微(Micro，>20 μm)、纳(Nano，2-20 μm)和微微(Pico，<2 μm)浮游植物组分；(3)构建C₃组分(微浮游生物)与昼夜Sv差异的双曲线模型；(4)结合现场荧光传感器数据(Chl-a_sur)和HPLC色素分析进行验证。

研究结果揭示：

1. 昼夜Chl-a与Sv变化特征：
   连续站观测显示Chl-a_sur呈现昼低夜高趋势，夜间平均浓度比白天高0.12 mg·m^-3。200 kHz声学数据差异(ΔSv_200n-200d)与纬度呈正相关，反映浮游动物DVM强度随纬度增加而增强。

2. 声学-遥感协同模型：
   建立的声学-粒径双曲线模型显示，C₃组分与ΔSv_200n-200d存在显著相关性(R²=0.9182)。通过该模型反演的夜间Chl-a系统偏差(0.9796)优于MODIS日间数据(1.2671)。

3. 昼夜Chl-a转换关系：
   发现昼夜Chl-a存在极强线性相关(R²=0.9988)，建立直接转换方程：夜间Chl-a = 0.9925×日间Chl-a，MAE仅1.0196。

4. 生态应用价值：
   空间分布显示黑潮延伸体区域夜间Chl-a增幅显著，证实该区域存在强烈的DVM-浮游植物相互作用。反演结果与CTD连续站数据高度吻合。

这项研究开创性地将声学设备的昼夜监测优势与遥感的大范围观测能力相结合，突破传统海洋观测的时空限制。在科学层面，首次量化西北太平洋昼夜Chl-a差异，为理解DVM生态效应和生物泵效率提供新证据；在应用层面，反演的夜间Chl-a产品可优化灯光渔业作业规划，辅助划定生态保护区边界。研究建立的"声学桥梁"方法学框架，为全球其他海域的昼夜生态研究提供可复制的技术范式。未来通过整合更多季节数据和改进粒径-声学响应模型，有望进一步提升反演精度，服务全球海洋碳循环研究和可持续渔业管理。