从遥感观测推断浮游植物特性的风险

自 1978 年以来，遥感卫星上的传感器在光学波长提供了全球多波段观测，用于评估海洋颜色。与此同时，复杂的辐射传输模型考虑了地球大气和海洋的衰减和发射，从而估算出水色辐射率或遥感反射率 $R_{rs}$。从这些 $R_{rs}$ 测量中，可以推断海水的吸收和散射特性。我们指出了辐射传输方程中一个固有的简并性，该方程将 $R_{rs}$ 与吸收和后向散射系数 $a$ 和 $b_b$（即固有光学特性，IOPs）联系起来。因为 $R_{rs}$ 仅依赖于 $b_b$ 与 $a$ 的比值，所以无法在没有先验知识的情况下独立反演非水 IOPs（$a_{nw}$ 和 $b_{b,nw}$）。此外，水通常在蓝光波段主导散射，在红光波段主导吸收，这进一步限制了在噪声存在下 IOPs 的反演。我们证明，所有过去和现在的多光谱卫星观测都缺乏统计能力来测量超过 2 个参数来描述 $a_{nw}$ 和 $b_{b,nw}$。由于有色溶解有机物在短波长（<500 nm）处具有普遍的指数吸收特性，多光谱 $R_{rs}$ 无法在没有非常严格的先验条件的情况下反演浮游植物吸收 $a_{ph}$。此外，这些严格的先验会导致 $a_{ph}$ 反演结果有偏。高光谱观测可能能够恢复描述 $a_{ph}$ 一个或两个方面的第 3 个甚至第 4 个参数。这些结果对数十年来关于 IOPs 反演的文献提出了质疑，包括对浮游植物生长和生物量的估计。我们进一步认为，NASA 的 PACE 任务将极大地增强我们测量浮游植物特性的能力，但解决 IOPs 的简并性问题仍然是一个挑战。