【摘要】 在这项研究中，LISST是在制造商使用NIST可追踪的亚微米珠子进行巡航后校准的，在那里确定应该调整两个外部探测器环的dcal。

水环境中的颗粒大小分布(PSD)表现出生物地球化学和生态系统动力学的重要特征(如颗粒表面过程、上升和沉降速度、捕食者与被捕食者的相互作用)。因此，在表层海洋中获得大尺度上的粒度信息具有实质性的意义。

 

已经提出了一些从卫星海洋颜色遥感数据中检索颗粒大小信息的算法，尽管由于原位测量覆盖率较低而只进行了有限的验证。传统的台式粒子分析仪，例如Coulter Counter，并没有装备连续自动化取样设备，而对离散水样进行测量则需要大量时间。

 

原位观测技术，如激光原位散射和传输(LISST)仪器(LISST-100X，Sequoia Scientific)允许快速自动计数和粒子大小。20多年来，利用LISST仪器成功地获得了PSD的高分辨率垂直剖面图，但与卫星海洋彩色遥感数据相匹配的地表水空间覆盖仍然很少。

 

尽管LISST最初是为粒子密集的底部边界层的泥沙输送研究而设计的，但动态增益的结合已经将其效用扩展到更清晰的海洋水域。在这里，我们测试了LISST在船上流通系统中运行的潜力，在这个系统中，水被连续泵送到一艘研究船上，并通过一系列仪器获得大面积海洋上的尺寸信息。在北大西洋巡航期间进行了测量，并使用光学理论和用Coulter Counter(CC)和成像流CytoBot(IFCB)收集的独立尺寸测量对LISST获得的粒径光谱进行了评估和验证。

 

我们还将得到的LISSTPSD谱的幂律拟合指数与光谱粒子束衰减和粒子后向散射测量得到的指数进行了比较。后者的这些特性已被证明包含与PSD的陡度有关的信息，无论是在理论上还是在沿海环境和底部边界层中的原位观测，但尚未与表面海洋的尺寸谱联系起来。

 

流通系统

2017年9月，在北大西洋探险期间，我们在R/V亚特兰蒂斯号上部署了测量表面海洋光学特性的流通系统(图1)。该系统类似于先前描述的实验。这些系统的一个独特方面是每小时10分钟从未经过滤的海水采样到0.2微米过滤水的转换。过滤水的测量，如果在两个连续的周期之间稳定，则为颗粒光学测量提供校准(通过减法)。这种基线校准的稳定性也用在线CDOM荧光计监测。

 

图1 NAAMES03航行期间的航迹数据。大颜色点显示叶绿素a浓度(见彩色条)，小黑点是LISST数据可用的地方，+符号表示24CoulterCounter-LISST匹配的位置。

 

LISST测量和推断的粒度分布

使用标准程序进行LISST数据处理，包括沿着激光路径的衰减校正，源输出的变化(激光参考)，检测器面积校正(称为dcal)和背景减法(zscat)。通过在光束(0.0269°接受角)和激光参考探测器中的针孔探测器测量透射率，计算出粒子束衰减cp(670)。对于大多数应用，Sequoia提供了一个标准的检测器面积校正(检测器阵列校正值为32)，应用于原始检测器阵列散射测量。

 

然而，在这项研究中，LISST是在制造商使用NIST可追踪的亚微米珠子进行巡航后校准的，在那里确定应该调整两个外部探测器环的dcal。这一步骤显著改善了CC和LISST在派生PSD的较小尺寸边缘的一致性。利用这个因子，可以得到每个探测器上的校准光量(cscat)。对于衰减和散射测量，背景测量是基于每小时10分钟对经过滤的海水进行的线性插值测量。

 

我们使用制造商提供的球形粒子(Mie散射)反演来获得体积分布(VD，μLL-1或ppm)，从中我们通过将每个尺寸仓中的值除以仓宽来计算差分体积分布(VSD，μLL-1μm-1)。假设颗粒为球体，还从VSD计算了微分区域尺寸分布(ASD，m-1μm-1)。仪器输出在32个大小从1.25微米到250微米的容器中。

 

已经观察到，由于粒子在这个尺寸范围之外的散射的影响，反转结果可能对第一个和最后一个箱子有问题[10,15]，因此我们关注>2.03μm的粒子(第三个最小的LISST尺寸箱)。由于大型稀有粒子的存在，这些数据在尺寸范围的高端也有很大的不确定性。LISST光学测量对颗粒的横截面积最为敏感，因此，对于非球形颗粒，其尺寸分布将比依赖于颗粒体积的测量仪器的尺寸分布更为广泛。

 

结果与讨论

由LISST和ac-s估计的颗粒束衰减是良好相关的，LISST值略大(平均0.04m-1，图2(a)，表1)。考虑到它们在接受角度上的差异，这种差异是可以预期的。良好的数值一致意味着与沿海环境相比，海洋颗粒在大颗粒中的富集程度较低。

 

图2 (a)通过ac-s和LISST在±5分钟内彼此进行的1165次cp(670)测量的比较，(b)颗粒与cp(670)的总横截面积和(c)基于120710分钟平均的LISST测量的衰减效率因子Qc(670)的直方图。为了集中处理大部分数据，只显示较低的96%的数据。

 

LISST光束衰减与角散射测量反演的截面积(图2(b))及其比值也有很好的相关性，衰减效率因子(Qc)在可接受的理论范围内(图2，中值Qc=2.7，平均Qc=3.1±0.05)，表明LISST的衰减和散射测量是一致的。它还强调了这样一个事实，即大多数与衰减相关的颗粒被LISST散射测量所捕获(如果我们错过了大部分颗粒群，则Qc将显着更高，因为横截面积将被低估)。忽略倒置的前三箱和最后三箱，结果改变约15%(中值Qc=3，平均Qc=3.5±0.07)。

 

我们发现，LISST提供了一个大小分布，通常在形状上与CC的大小范围一致。然而，我们发现CC高估了LISST大小分布的2.5倍。LISST的巡航后校准验证了我们使用的振幅比例因子。此外，当将LISST颗粒体积与含叶绿素颗粒的LISST颗粒体积与范围为2.9-20.8μm的IFCB和离散的POC样品进行比较时，我们发现LISSTPSD估计值与报道的浮游植物对POC的贡献以及报道的POC与微生物体积比一致。

 

1.Emmanuel Boss, Nils Haëntjens, Toby K. Westberry, Lee Karp-Boss, and Wayne H. Slade, "Validation of the particle size distribution obtained with the laser in-situ scattering and transmission (LISST) meter in flow-through mode," Opt. Express 26, 11125-11136 (2018)

 

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