結合水體生光性質與半解析光學理論模式模擬日月潭透明度

Abstract

水體透明度(depth of Secchi disk SD)是人類最早有觀測記錄的水質參數、也是湖庫澄清度與優養評估的重要指標之一，觀測迄今兩百年以上尚未被其他先進儀器所取代。一般湖庫水質模式或優養評估均透過經驗關係從水質估算透明度，例如使用相當普遍的卡爾森優養指標中的葉綠素a (Chl-a) vs SD經驗式，雖然學界早有質疑此經驗關係的適用性，但仍鮮少研究以光學物理模式探討內陸湖庫水質與SD間的關連性。古典光學理論假設水下的沙奇盤為一個點目標，進而以特定波長光束衰減係數(beam attenuation coefficient c(λ))為核心推導水質與SD的關係。近年來海洋水色學界提出新的光學物理理論，假設沙奇盤不屬於點目標，其在水下隨深度漸深到由人眼視界消失的過程中，主要與人眼感知特徵波長之光衰係數(diffuse attenuation coefficient for downward irradiance Kd(λ))及水下遙測反射率(remote sensing reflectance rrs(λ))有關。 本研究以台灣澄清度最高且最具景觀遊憩價值之天然湖泊–日月潭為研究目標，分析其光敏性物質濃度、固有光學性質(inherent optical properties IOPs)、外顯光學性質(apparent optical properties AOPs)，以建立比濃度IOP關係及四成分生光模式(bio-optical models BOM)。其次，搭配半解析輻射傳輸模式及新的透明度物理模式，發展水質–透明度物理模式，並針對日月潭內陸湖庫光學特性，修正其中Kd(λ)及rrs(λ)之特徵波長設定。最後，以建立之透明度模式從歷年觀測水質重建日月潭透明度，分析其透明度模擬效果，並與卡爾森經驗關係及古典光學理論模擬結果進行比較。 本研究三次採樣之懸浮固體物濃度(SS)、總溶解性有機碳濃度(DOC)、Chl-a濃度及濁度(Turb)分別為0 7-2 9 mg/L、0 45-1 12 mg/L、0 296-2 962 μg/L及1 55-7 21 NTU；測得之全白及半黑半白沙奇盤深度分別為2 0-3 8 m及1 8-3 17 m。綜合前期分析數據，更新後之比濃度IOP關係採用SS估計顆粒背向散射係數?bb?_p (550) (R2=0 77)、以Chl-a估計浮游植物顆粒吸收係數a_ph (440) (R2=0 79)、以DOC估計有色溶解性有機物質吸收係數a_g (440) (R2=0 88)，並以Turb估計無機顆粒吸收係數a_dm (400) (R2=0 91)。BOMs部分，本研究調整參數修正前期研究BOMs在總吸收係數a(λ)及總背向散射係數bb(λ)於400-550 nm模擬值高估的偏差，使其更符合觀測值。根據日月潭歷年透明度觀測與模擬比較結果顯示，Kd(λ)之特徵波長(wavelength for Kd transparent window)率定在527-532 nm之間；rrs(λ) 之特徵波長(perceive color of rrs)率定在500-537 nm間可得到最佳透明度模擬結果。 本研究修正後之透明度物理模式，以實測日月潭水質模擬SD，R2可達0 84，誤差為0 27 m，其模擬效果較卡爾森經驗關係及前期研究採用之古典光學理論為佳。此外，本研究也以在日月潭率定之物理模式套用在本島其他20座主要水庫，其平均透明度模擬相對誤差為35%，其中除白河、石門與寶二水庫誤差超過40%以外，其他水庫的模擬結果都遠比卡爾森經驗關係為佳。 本研究發展的透明度物理模式演繹過程均為代數及顯式解，可輕易將其編碼套用在現有水庫水質模式上，加強管理單位對景觀遊憩型湖庫之水質管理與污染防治。

Date of Award	2016 Sept 1
Original language	Chinese
Supervisor	Chih-Hua Chang (Supervisor)