基于MODIS影像的2016—2017年东海赤潮高发期水体时空分布及其气象控制因子分析.pdf

第 卷 第 期应 用 海 洋 学 学 报，年 月 ，基于 影像的 年东海赤潮高发期水体时空分布及其气象控制因子分析李晨映，冯 驰，梅 琨 收稿日期：资助项目：温州市基础性科研项目（）；青藏科考项目（）作者简介：李晨映（），女，助理研究员；：通讯作者：冯驰，女，讲师；：（苏州科技大学地理科学与测绘工程学院，江苏 苏州）摘要：近年来，东海区域赤潮灾害频发，对沿海地区的经济发展和海洋生态环境造成了极大的破坏。本研究基于赤潮暴发年 年夏季 影像数据，采用半经验多光谱识别算法对东海夏季赤潮暴发期的水体类型分布特征进行反演。结果表明，赤潮高发期东海水体类型从近岸向开阔海域呈现浑浊水体赤潮水体混合水体干净水体的时空分布特征。其中，硅藻和甲藻赤潮水体在空间分布上具有相互演替变化的特征。此外，通过对浙江省近岸的大陈站、石浦站和嵊泗站 个站点的气象因子进行主成分分析发现，气温、风速和天空云量对赤潮的生消演替起着积极的促进作用。关键词：海洋物理学；赤潮；影像；时空演变；水体分类；气象因子；东海：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）东海拥有绵长的海岸线与丰富的海洋资源，同时也是我国赤潮暴发最严重的地区之一，被称为我国赤潮灾害的“高发区”。随着我国海洋养殖业的不断发展扩大，近海岸赤潮发生的次数和规模不断扩大。根据国家海洋灾害公报的最新统计，年东海共发生赤潮灾害 起，其中有害赤潮次数达 次；总累计发生面积达 。东海赤潮的主导藻种包括东海原甲藻（）、中肋骨条藻（）和米氏凯伦藻（）等。已有研究表明，有害藻类的大量繁殖，会造成海水中溶解氧的减少，致使海洋生物因缺氧而大量死亡，对近岸渔业、滨海旅游业等产业造成巨大的经济损失，极大破坏了海洋生态环境。对赤潮藻种时空分布信息的全面监测有助于了解赤潮的发生和演变规律，对赤潮灾害的早期预警和生态环境保护具有十分重要的意义。赤潮发生具有突发性、随机性与持续时间短等特点，因此传统的现场巡航调查方法难以实现对其精准测控。海洋水色遥感技术作为一种先进的海洋赤潮监测技术，它具有实时同步、监测覆盖面积广以及持续性监测等特点，被广泛地用于赤潮的时空动态监测。自 世纪 年代以来，海洋水色卫星遥感技术蓬勃发展，学者们围绕赤潮水体的光学特性展开了大量研究。其中，（）以其较强的连续监测能力和良好的数据质量，被广泛应用于近岸赤潮水体的监测中。由于不同赤潮主导藻种在生物和光学特性均有所差异，学者们的研究方向也逐渐从对赤潮时空范围的监测向赤潮有害藻种识别的方向发展。等基于东海原甲藻的吸收特性和遥感反射率的光谱特性，开发出了一种能够识别东海原甲藻水体的半经验算法，该方法通过大量的数据验证取得了较好的提取效果。本研究首先选取赤潮暴发年 年夏季的 遥感影像数据，分析赤潮高发期不同水体类型的遥感反射率光谱特征。然后，基于 等的东海原甲藻多光谱遥感识别算法反演赤潮不同水体类型，从而实现对东海海域赤潮高发期水 应 用 海 洋 学 学 报 卷体类型的时空分布特征分析。最后，利用主成分分析法对实测气象站数据进行分析，获取东海夏季赤潮发生时期相关气象因子的变化特征，为理解赤潮暴发机制及其防治措施提供一定的科学依据。材料与方法 赤潮公报数据本研究使用的赤潮统计数据来自于自然资源部（：）、浙江省海洋监测预报中心（：）公布的历年海洋灾害公报。该数据包括了 年以来东海近岸海域每年赤潮发生的累计次数、有害赤潮累计发生次数、累计发生面积以及重大赤潮事件的具体地点、起止时间、赤潮优势种等主要信息。根据中国近岸海洋灾害公报统计的数据，东海区域 年赤潮暴发的累计次数最多，累计面积也最大（主要发生区域见图、表）。因此，本研究从 年份夏季选取了若干 影像进行赤潮事件的时空变化分析，讨论赤潮发生时期水体类型的演替变化情况。通过表 可以看出，东海海域的主要赤潮优势种为东海原甲藻、米氏凯伦藻和中肋骨条藻。其中，东海原甲藻和米氏凯伦藻属于甲藻类，具有较为相似的色素吸收特性。赤潮发生区域主要集中在浙江省的舟山、嵊泗列岛、温州苍南等海域。图 研究区域和气象观测站位置 表 东海赤潮 年典型赤潮事件 年份日期海域赤潮优势种面积 月 日 日舟山嵊泗海域东海原甲藻（）月 日 日舟山嵊泗至花鸟附近海域东海原甲藻 月 日 日长江口海域中肋骨条藻（）月 日至 月 日渔山列岛与檀头山之间中部海域米氏凯伦藻（）月 日 日舟山朱家尖至虾峙岛以东海域米氏凯伦藻、中肋骨条藻 月 日 日舟山朱家尖以东海域中肋骨条藻 期李晨映，等：基于 影像的 年东海赤潮高发期水体时空分布及其气象控制因子分析 卫星数据处理本研究使用的研究数据为 年 月东海海域的 遥感影像数据，该数据通过 官方网站（：）下载。遥感影像共设置 个观测波段，其中包含用于海洋水色、浮游植物和云层、气溶胶等观测的 个主要可见光波段，可满足赤潮水体及主导藻种的遥感信息提取。本研究依据不同类型水体的光谱特征（图），参考 等提出的水体类型划分方法将东海海域水体主要分为以下 种类型：干净水体、光学复杂的混合水体、总悬浮物（）含量较高的浑浊水体、东海原甲藻赤潮水体、以硅藻为主的其他赤潮水体。具体方法如下：图 基于 不同水体类型的遥感反射率光谱图 首先，基于 和 的绿波段比值来实现赤潮水体的提取（，），计算公式如下：（）（）（）式（）中：（）和（）分别表示 影像 和 波段处的遥感反射率。此外，基于 遥感影像的不同水体类型的 值和（）的散点分布图，利用（）且 这个标准将赤潮水体和非赤潮水体进行进一步的划分。从图 可以看出，东海原甲藻的 值远高于硅藻的 值，但是由于天空反射辐亮度和气溶胶辐亮度的过度校正，利用 遥感影像数据得出的 值可能会被低估或者高估。所以，等提出了东海原甲藻指数（，）和硅藻指数（，）这两个新指数来区分东海原甲藻赤潮和硅藻赤潮，具体公式如下：，()，()()()（）式（）中：（）和（）分别是在 图 基于 不同水体类型的 和（）散点图 （）和 波段处的遥感反射率，是两个波段之间的斜率，具体公式如下：，()()()（）()()（()（）（）（）式（）、（）中：（）、()和 应 用 海 洋 学 学 报 卷()分别是在 、和 波段处的遥感反射率。区分东海原甲藻赤潮水体和硅藻赤潮水体的判别式如下：（）当 时，则该水体为东海原甲藻赤潮水体，反之则为硅藻赤潮水体。气象因子数据本研究通过 气候数据中心收集整理了东海近岸 个气象站点的数据，主要包括气温、气压、风向、风速、云量、日照时间、六小时降水量等 个气象指标，监测站位置见图。本研究将利用 年 月份赤潮高发期的气象因子数据进行 主成分分析，进而分析与赤潮发生相关的主要气象影响因子。结果与分析 东海赤潮暴发年份的水体类型分布及其时空演替变化特征本研究利用 年的 遥感影像数据对东海海域 月的赤潮高发区水体类型进行时空反演。图、分别为、年东海海域赤潮高发区的不同水体类型分布图。图 年夏季东海赤潮高发期水体分类图 图 表明 年 月到 月份暴发的赤潮主要以甲藻为主，集中在长江口海域和浙江东北部海域；月份的东海赤潮暴发则以硅藻（中肋骨条藻）为主，集中在崇明岛东北部海域和长江口海域，赤潮水体在 月末出现消亡的趋势。图 所提取的赤潮发生区域与表 中 年中国海洋灾害公报所提供的赤潮发生区域较为一致。图 表明，年 月到 月份除长江口海域分布少量的硅藻赤潮外，浙江省中部等海域爆发的赤潮都以甲藻赤潮为主；月到 月份东海赤潮发生面积减少，主要以硅甲藻混合赤潮为主，集中在崇明岛东北部海域和浙江省中部海域，原本的赤潮水体演变为混合水体。与 年不同，年赤潮发生区域呈现南移的趋势，浙江沿岸的赤潮发生面积较 年有所增加。总体而言，年东海海域赤潮暴发期的水体类型分布从大陆近海域到外海的分布特征依次为浑浊水体、甲藻和硅甲藻混合赤潮水体、混合水体和干净水体。赤潮暴发期的相关气象因子分析本研究对 个气象指标，包括气温、气压、风向、风速、云量、六小时平均降雨量和日照时间进行主成分分析来提取赤潮发生的主要气象影响因子。在进行主成分分析前，需要确保原始数据各变量之间存在着较强的线性关系，这样才能使得该分析具有一 期李晨映，等：基于 影像的 年东海赤潮高发期水体时空分布及其气象控制因子分析 定的实际意义。因此，首先对大陈站、嵊泗站和石浦站这 个气象站监测的原始气象数据进行适用性检验，使用检验的指标为（）系数检验和巴特利特（）球形检验，然后再进行气象因子的主成分分析。图 年夏季东海赤潮高发区赤潮水体分类图 嵊泗站近海域主要气象因子的主成分分析由于嵊泗气象站的原始数据的相关性不满足 的标准，故将风速和风向这两个相关性较差的数据排除在外，仅对剩下的 个气象因子进行主成分分析。表 是嵊泗站海域各主成分的贡献所占比重，并以总特征值合计大于 作为提取主成分的依据。结果表明，一共可以提取两个主成分。这两个主成分的贡献所占比重分别为 和，累计贡献率为。表 为嵊泗站海域 个不同变量对 个不同主成分的贡献占比。结果表明，在第一种主成分中，云量对赤潮发生起的积极贡献率大，为，日照时间对赤潮发生的消极贡献率最大，为；在第二种主成分中，气温的正向贡献率最大，为，气压的负向贡献率最大，为。表 嵊泗站海域主成分分析总方差解释 成分初始特征值提取载荷平方和总计方差百分比 累计 总计方差百分比 累计 应 用 海 洋 学 学 报 卷表 嵊泗站海域成分得分系数矩阵 气象因子成分气温气压云量平均降雨量（小时）日照时间 大陈站近海域主要气象因子的主成分分析表 是大陈站各主成分所占比例，以特征值总计大于 作为提取主成分的依据。结果表明，可以有效提取出两个主成分。这两个主成分的占比分别为 和，累计占比为，所以这两个主成分包含了这 个变量的大部分信息。表 为大陈海域 个不同变量对 种主成分的贡献率，其中贡献比例大于 为正向贡献，说明该因子对赤潮发生起积极作用，反之则为负向贡献。研究发现，在气温对第一种主成分的正向贡献率最大，为，气压对第一种主成分的负向贡献率最大，为；在第二种主成分中，云量的正向贡献率最大，为，日照时间的负向贡献占比最大，为。表 大陈站海域主成分分析总方差解释 成分初始特征值提取载荷平方和总计方差百分比 累计 总计方差百分比 累计 表 大陈站海域主成分得分系数矩阵 气象因子成分气温气压风向风速云量平均降雨量（小时）日照时间 石浦站近海域主要气象因子的主成分分析表 为石浦站海域主成分的贡献占比，以特征值总计大于 作为提取主成分的依据。结果表明，可以有效提取 个主成分。这 个主成分的方差贡献率分别为、和，累计贡献率为。表 为石浦站海域 个不同变量对 个不同主成分的贡献占比。结果表明，在第一种主成分中，云量对赤潮发生的积极贡献占比最大，为，日照时间对赤潮发生的消极贡献占比最大，为；在第二种主成分中，气温的正向贡献占比最大，为，气压的负向贡献占比最大，为；在第三种主成分中，风速的积极贡献占比最大，为。期李晨映，等：基于 影像的 年东海赤潮高发期水体时空分布及其气象控制因子分析 表 石浦站海域主成分分析总方差解释 成分初始特征值提取载荷平方和总计方差百分比 累计 总计方差百分比 累计 表 石浦站海域成分得分系数矩阵 气象因子成分气温气压风向风速云量平均降雨量（小时）日照时间 主要气象要素影响分析根据上述 个气象站数据的主成分分析，可以得出 年东海赤潮的主要气象影响要素为气温、气压、云量、日照时间、风速和风向（图、）。气温：根据过往研究表明，气温是赤潮藻类生物繁殖的重要影响因子，适宜的水温有利于赤潮藻类的生长，过低或者过高的水温都无法使它们在短时间内增殖性聚集暴发。例如东海原甲藻生长的适宜温度为 ，中肋骨条藻生长的适宜温度为 ，而在 年期间，月份 个气象站监测的平均气温维持在 之间，满足了赤潮暴发的气温因子特征条件，因此东海海域的优势藻种为东海原甲藻和中肋骨条藻。气压：根据大陈、嵊泗和石浦 个气象站的监测数据发现 年 月的平均气压维持在 之间。研究表明，海平面气压过高或者过低都会对赤潮的生长起抑制作用，而稳定的气压变化有利于赤潮藻类的生长和增殖。例如 年 月 到 月 暴发的中肋骨条藻赤潮事件，在此期间海平面的平均气压为 并且气压变化在 之内。云量和日照时间：这两种气象因子是相互影响的。当云量少时，日照时间就长，反之云量多时，日照时间就短。光照的强弱对藻类的光合作用有着直接的影响，强烈的光能促进藻类的光合作用，提高它们的新陈代谢，使它们产生更多的叶绿素，从而海水叶绿素含量增加，藻类大量繁殖进而引起赤潮暴发。据中国海洋灾害公报 统计（：），年的东海赤潮多暴发于 月，而 年的赤潮则多发生于 月。本研究的气象数据表明，这两个时间段的平均云量指数均维持在 左右，平均日照时间为 小时左右，这对赤潮的生长来说是有利的。风速和风向：风速和风向的变化会直接影响赤潮生物的繁殖和聚集。首先，风向的转换会直接影响海面的垂直交换情况。海水的垂直运动不仅能够使海水下层的营养物质不断的被运送到海表，还会将海底的赤潮胞囊运送至海表，进而诱发赤潮。其次，适宜的风速有益于藻细胞的滞留和聚集，从而提供赤潮暴发的可能性，过大的风速会吹散海表聚集的藻类。年 月的风向多为东南风或西南风，平均风速在 左右。由于浙江省海岸线呈西南东北走向，适宜的风向和风速均对赤潮的发生和持续起到了促进作用。应 用 海 洋 学 学 报 卷图 年 月月间平均气温、平均大气压、云量指数及日照时间统计示意图 ，（）图 年 月气象站点的风速及风向分布图 期李晨映，等：基于 影像的 年东海赤潮高发期水体时空分布及其气象控制因子分析 结论本研究基于 年的 遥感影像数据对东海海域赤潮高发区的赤潮水体提取和不同水体类型分类方法进行研究，分析了 年东海海域赤潮高发区的空间分布特征。结果表明：东海海域赤潮高发区主要集中在长江口、嵊泗列岛、舟山、宁波、台州、温州这几个海域，具体包括崇明岛、宁波象山、温州洞头、台州大陈等近岸海域。根据 年 月东海水体分类结果看，东海海域赤潮暴发期从近岸到外海的水体分布类型分别为浑浊水体、硅藻赤潮水体或东海原甲藻赤潮水体或硅甲藻混合水体、混合水体、干净水体。基于大陈站、嵊泗站和石浦站这 个气象站在 年 月实测的气象数据，对赤潮易发期间的气温、气压、风速、风向、云量、日照时间和六小时平均降雨量这 个气象因子进行主成分分析。结果表明：东海海域赤潮暴发期主要变化气象因子包括气温、气压、风速、风向、云量和日照时间。研究表明，年期间，这 个气象站监测的平均气温为 ，满足了赤潮暴发的气温因子特征条件；风速风向数据表明 月的风向多为东南风和西南风，风速则以 ，风向和风速的紧密配合可以有利的促进赤潮藻类聚集；此外，赤潮期间，平均海平面气压处于稳定的低压状态；云层覆盖率小、较长的日照时间以及较强的光照强度有利于赤潮藻类生物的大量繁殖。参考文献：王宗灵，李瑞香，朱明远，等 半连续培养下东海原甲藻和中肋骨条藻种群生长过程与种间竞争研究 海洋科学进展，（）：，（）：周名江，于仁成 有害赤潮的形成机制、危害效应与防治对策 自然杂志，（）：，（）：刘仁沿，刘磊，梁玉波，等 我国近海有毒微藻及其毒素的分布危害和风险评估 海洋环境科学，（）：，（）：姬南京，张珍珍，黄金旺，等 有害赤潮藻赤潮异弯藻 研究进展 海洋科学，（）：，（）：雷惠 基于固有光学量的东海赤潮遥感提取算法研究 杭州：浙江大学，：，黄备，邵君波，魏娜，等 年春季东海大面积甲藻赤潮的生态特征 生态环境学报，（）：，（）：于仁成，张清春，孔凡洲，等 长江口及其邻近海域有害藻华的发生情况、危害效应与演变趋势 海洋与湖沼，（）：，（）：池连宝 长江口及邻近海域低氧区的时空变化特征与关键过程研究 青岛：中国科学院大学（中国科学院海洋研究所），：（，），：黄琳 生物法防治有害赤潮的研究进展 能源与环境，（）：，（）：陈洋，颜天，周名江 有害赤潮对浮游动物摄食的影响 海洋科学，（）：，（）：赵聪蛟，刘希真，付声景，等 基于水质浮标在线监测的米氏凯伦藻赤潮过程及环境因子变化特征分析 热带海洋学报，（）：，（）：姜德娟，王昆，夏云 渤海赤潮遥感监测方法比较研究 海洋环境科学，（）：，应 用 海 洋 学 学 报 卷，（）：俞志明，陈楠生 国内外赤潮的发展趋势与研究热点 海洋与湖沼，（）：，（）：陈旭阳，刘保良 海洋在线监测浮标在赤潮监测中的应用研究 热带海洋学报，（）：，（）：李阳东，李仁虎，常亮 基于 数据的浙江沿海赤潮监测 生态环境学报，（）：，（）：宋彦，王宁，丁一，等 基于 卫星遥感数据的赤潮信息识别方法：以秦皇岛海域为例 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