赤潮研究与探析

自2000年以来,渤海海域每年都有赤潮发生,这往往使渤海沿海水域受其影响。卫星遥感技术和海洋水色观测卫星图像,已经成功地用于识别和观测赤潮的发生、发展和消亡。然而,由于研究的水体、使用的遥感数据和建模方法都各不相同,因此需针对渤海海域的水体特点

  5.渤海赤潮年际变化特征分析

  5.1季节变化特征分析

  因海上多云天气的限制,每年获取渤海赤潮清晰的卫星图像数量不同,且选用日期无固定规律,为进行比较研究,引入赤潮发生面积的月平均值。将渤海海域2000年至2015年16年的赤潮发生面积按月平均,得到平均赤潮面积逐月变化曲线,如下图5-1所示。由图5-1可知,本文反演研究的4-11月份的赤潮面积范围为950km2-2300km2,多年平均值为1647.01km2。一般,赤潮的生消过程大致可分为起始、发展、维持和消亡四个阶段。由图可知,渤海海域有赤潮灾害发生的时间一般集中在4-11月份,其中5-7月份为赤潮的高发季节,其余时间12-3月份渤海海域温度较低,浮游植物生长活动受到抑制,因此几乎没有赤潮发生。
  4月份,渤海海域内具有一定数量的赤潮生物种(包括营养体和孢囊),并且此时的水环境各种物理、化学条件基本适宜于某种赤潮生物生长、繁殖的需要,因此渤海赤潮开始发生。
  5月份期间,渤海海域内的某种赤潮生物种群有了一定个体数量时,且温度、光照、盐度、营养等外环境达到该赤潮生物生长、增殖的适宜范围,赤潮生物即可进入指数增殖期,赤潮生物不断生长和繁殖,最终导致更大面积的赤潮爆发。5月份赤潮平均面积已经超过2000km2,达到渤海赤潮发生面积的最大值。
  5-7月份,渤海赤潮基本处于维持阶段,6、7月份的赤潮面积月平均值均处于2000km2左右。这一阶段的长短,主要取决于水体的物理稳定性和各种营养盐的富有程度,以及当营养盐被大量消耗后补充的速率和补充量。如果这阶段海上无短时强对流和大风天气,水体铅直混合与水平混合偏弱,水团相对稳定,且营养盐等又能及时得到必要的补充,赤潮就可能持续较长时间;反之,若遇台风、阴雨,水体稳定性差或因营养盐被消耗殆尽,又未能得到及时补充,那么,赤潮现象就可能很快消失。
  波谷在8月份,赤潮现象开始快速消失,赤潮月平均面积下降到1000km2以下。引起赤潮消亡的原因可能有海上大风、暴雨或强对流天气等或者赤潮生物所需营养盐消耗殆尽,也可能因温度已超过该赤潮生物的适宜范围,还可能因赤潮被风浪、潮流及强降水分割扩散等等。赤潮消失过程经常是赤潮对渔业危害最严重的阶段。
  9月份赤潮现象又开始加剧,赤潮发生面积开始回升。引发渤海赤潮面积回升的原因可能是秋季光照开始减弱,表层水温逐渐下降至符合赤潮生物生长繁殖的适宜范围,海水垂直对流混合开始增强,把底层营养物质带到表层重新得到补充,有利于赤潮生物的再次生长和繁殖。
  9月份过后,渤海赤潮现象相对减弱,赤潮面积减小。10-11月份,虽然营养盐还很充足,但是渤海海域表层水温不断下降,抑制了赤潮生物的生长,所以渤海赤潮现象并没有像5-7月份异常严重。
  综上所述,渤海赤潮总体呈现出春夏季相对严重,面积较大,而秋季次之,面积较小,冬季赤潮几乎不发生。海洋中的环境因子(营养盐、光照、温度、混合层深度等)对赤潮的生消变化影响很大,并且不同季节制约赤潮生物的因素有所不同。春季为增温期,表层海水温度逐渐上升,并且由于光照增强有利于浮游植物的光合作用,因此有利于赤潮生物的生长和繁殖,赤潮开始发生。夏季光照充足,表层水温为全年最高,对流、垂直混合变弱,赤潮生物大量繁殖,赤潮现象加重,从而海水中大量溶解氧、营养盐被消耗而又得不到补充,最终抑制了赤潮生物生长和繁殖,并且导致大量赤潮生物死亡,赤潮快速消失。秋季处于降温期,表层水温逐渐下降,对流混合增强,营养盐得到补充,赤潮生物再次生长和繁殖,赤潮现象又开始加重。冬季渤海盛行偏北季风,陆架浅海区对流混合可达到海底,深层营养盐被带到表层[54],但由于冬季海水温度过低不利于赤潮生物生长,所以赤潮几乎不发生,营养物质累积可为次年春季赤潮暴发积累基础。
赤潮研究与探析

  5.2年际变化特征分析

  5.2.1时空分布特征
  应用基于MODIS的赤潮反演模型对2000-2015年的渤海海域进行赤潮监测,除去未反演出的部分小面积赤潮,得到每年赤潮的生消情况。下图5-2给出了2000-2015年16年内所有无云或少云晴朗天气下赤潮覆盖面积随时间的变化,其中由于2002年和2011年的MODIS数据云覆盖较为严重,未能反演出赤潮灾害情况。
赤潮研究与探析
  下表5-1对历年渤海赤潮分布特征(包括影响区域、起止时间、最大面积等)进行了统计,发现各年赤潮影响海域、起止时间、赤潮优势种、持续时间、赤潮发生面积极值及其出现时间都存在差异。渤海赤潮覆盖面积极大值大多在每年6月中旬至7月初出现,影响区域海表平均温度在15~25℃,符合赤潮生长的最适温度范围,下图5-3为2000-2015年赤潮发生面积达到最大值时的分布情况。
  表5-1 2000-2015年渤海海域典型赤潮灾害事件
  Table 5-1 Red tides events in the Bohai Sea during 2000-2015
  赤潮影响区域起止时间赤潮优势种最大发生面积(km2)最大发生面积时间持续时间(d)
  河北近岸海域至渤海湾中心2000.07.23不明2872.5086 2000.07.23 1
  天津港防波堤附近海域2001.05.31-06.05圆筛藻、多甲藻、曲周藻1806.1302 2001.06.02 6
  葫芦岛以南至秦皇岛附近海域2001.08.12不明1928.022 2001.08.12 1
  渤海中部2003.06.16不明1119.0599 2003.06.16 1
  山东省黄河口附近海域2004.06.11球型棕囊藻1984.321 2004.06.11 1
  秦皇岛附近海域和辽东湾西北部2005.07.04棕囊藻1420.2537 2005.07.04 1
  天津近岸海域、河北黄骅附近海域2006.10.08-26球形棕囊藻675.2406 2006.10.23 19
  辽东湾北部海域2006.10.22-11.05球形棕囊藻1882.318 2006.10.29 15
  辽东湾北部和止锚湾近岸海域2007.08.21-24链状裸甲藻、柔弱菱形藻1216.3235 2007.08.22 4
  秦皇岛附近海域2008.05.09不明734.4469 2008.05.09 1
  秦皇岛附近海域2009.05.31-06.13赤潮异弯藻3402.8389 2009.06.05 14
  秦皇岛至辽宁绥中沿岸海域2010.06.24-07.12不明2831.6401 2010.07.05 19
  秦皇岛近岸海域2012.06.08-08.20不明2468.2092 2012.07.03 74
  秦皇岛至绥中附近海域2013.05.25-08.31抑食金球藻1523.5382 2013.07.02 99
  河北秦皇岛海域2014.05.15-08.07抑食金球藻6839.9383 2014.05.26 85
  绥中至滦河口2015.05.20-08.13抑食金球藻2907.4532 2015.06.14 86
赤潮研究与探析
  2000年7月23日,一类海湾型赤潮在河北近岸海域至渤海湾中心区域出现,持续时间仅为1天,赤潮的最大发生面积为2872.51km2。2001年5月31日至6月5日,分别在天津港防波堤附近海域和辽东湾中部海域出现了连续6天的海湾型赤潮灾害,赤潮优势种为圆筛藻、多甲藻、曲周藻。相比于2000年,赤潮持续时间延长,但赤潮最大发生面积有所减小,为1806.13km2,最大发生面积时间为6月2日。同年8月12日,辽宁葫芦岛以南、中北平台海域出现了面积为1928.02km2的沿岸流型赤潮,持续时间为1天。2003年,一类外海型赤潮在渤海中部海域出现,持续时间也为1天,最大发生面积为1119.06km2,比2001年又有所减小。2004年6月11日,一类优势种为球型棕囊藻的河口型赤潮出现在山东省黄河口附近海域,持续时间也为1天,最大赤潮面积为1984.32km2,相比于2003年的最大赤潮面积有所增大。2005年7月4日,一类沿岸流型赤潮在秦皇岛附近海域和辽东湾西北部海域出现,最大发生面积为1420.25km2。虽然持续时间仅为1天,但造成直接经济损失100万,因此对附近的环境和经济都造成了一定的影响。2006年10月8日以来,一类优势种为球型棕囊藻的海湾型赤潮连续19天在天津近岸海域和河北省黄骅附近海域出现,赤潮不断繁殖扩大,直到10月23日达到最大面积,最大发生面积为675.24km2。虽然持续时间较长于以往所有年份,但赤潮面积比以往年份较小,2000年来首次低于1000km2。同年10月22日至11月5日,海湾型赤潮在辽东湾北部海域出现,并于10月29日达到最大发生面积,最大发生面积为1882.32km2。2007年8月21日,由链状裸甲藻、柔弱菱形藻引发的海湾型赤潮开始出现在辽东湾止锚湾近岸海域,该赤潮在8月22日达到最大面积,为1216.32km2,而后一直持续到8月24日赤潮消失,持续时间仅为4天。2008年5月9日,秦皇岛附近海域出现了最大面积为734.45km2的沿岸流型赤潮灾害,持续时间仅为1天。继2006年赤潮持续时间达到最长以后,持续时间又逐渐减短。自2009年5月31日起,秦皇岛附近海域发生大面积沿岸流型赤潮,优势种为赤潮异弯藻,此后赤潮不断繁殖生长,到6月5日达到最大发生面积3402.84km2,赤潮区水体呈酱紫色,为自2000年来的最大面积,而后赤潮灾害逐渐减弱,直到6月13日彻底消失,持续时间为14天。2010年6月24日至7月12日,一类沿岸流型赤潮连续19天在秦皇岛至辽宁绥中沿岸海域出现,期间于7月5日达到最大发生面积2831.64km2。较2009年持续时间稍微延长,最大发生面积减小。2012年6月8日,沿岸流型赤潮灾害又开始在秦皇岛近岸海域出现,此后不断繁殖生长,到7月3日达到最大发生面积2468.21km2,随后逐渐衰退减弱,直到8月20日彻底消失,持续时间长达74天之久,这对秦皇岛附近海域的环境造成了严重的影响。2013年5月25日至8月31日,发生在秦皇岛至绥中附近海域的沿岸流型抑食金球藻赤潮,为2013年持续时间最长和单次过程影响面积最大的赤潮,持续时间为99天,最大发生面积为1523.54km2,最大发生面积时间为7月2日,这对当地滨海旅游业等影响较大。2014年5月15日至8月7日,河北秦皇岛海域发生单次最大面积赤潮过程,赤潮优势种与2013年相同,为抑食金球藻。赤潮生长繁殖,直到5月26日达到最大面积,最大面积为6839.94km2,是2009年赤潮最大面积的两倍,随后不断衰退减弱直至消失。2015年5月20日至8月13日,单次持续时间最长、面积最大的赤潮过程发生在辽宁绥中至滦河口海域,仍然由抑食金球藻引发,持续时间近3个月,最大面积为2907.45km2,发生最大面积的时间为6月14日。期间,6月14日至16日,一类优势种为夜光藻的赤潮在辽东湾西部海域出现,发生面积较小。
  对比研究发现,2000-2015年期间赤潮发生面积波动变化特征明显,其中2000年、2009年、2010年、2012年、2014年、2015年最大赤潮发生面积超过2000km2,2004年和2006年最大赤潮面积接近2000km2。这种现象可以得到合理的解释,因为发生大面积的赤潮后,由于营养盐可能已被消耗殆尽,该海域当年也不易发生小面积的赤潮,而如果某年份小面积的赤潮不断暴发,可能由于物种演替受限或营养盐未得到及时补充等原因,从而导致大面积赤潮不易发生。进一步发现,这些年份的超过2000km2的赤潮均出现在6、7月份,仅有2014年的5月份赤潮面积也超过2000km2,并且是所有年份中发生的最大面积赤潮。通过查阅海洋公报,2000年,环渤海地区遭遇百年不遇的大旱,降水量锐减,辽河等河流进入渤海的径流量有较大幅度降低,辽河口海域的污染程度较低,因此当年辽河口附近海域没有赤潮发生。2014年,渤海海域劣于第四类海水水质标准的主要分布在辽东湾、渤海湾、莱州湾等近岸海域,且面积较大,主要污染要素为无机氮、活性磷酸盐和石油类,为赤潮的大面积发生提供了物质基础。统计2000-2015年期间赤潮发生所在海域情况,得到渤海较易发生赤潮的海域集中在渤海湾近岸海域、辽东湾西部的秦皇岛附近海域、辽东湾北部海域和黄河口近岸海域等,而且大多数发生在近岸沿海海域。其中,2000年以来秦皇岛附近海域赤潮发生频率呈逐年增加趋势,且赤潮发生面积连年居高不下。
  5.2.2原因分析
  赤潮分为六大种类,不同种类赤潮都有其相应的复杂发生机制,并不能仅从生态学方面分析赤潮的发生,应在海洋气象环境条件和海洋动力条件控制下,从海洋物理和化学的角度分析导致赤潮发生的因素,因此很难归结出一个普遍实用的赤潮概念标准和规律性结论。一般情况下,把富营养化作为赤潮在近海海域暴发的营养物质基础。由于在渤海对流迁移和湍流扩散效应造成的营养盐水动力传输作用下,渤海海水中N、P浓度呈现出近岸水域浓度高、中央盆地中心区域低并逐渐递减的分布特征,即以河流输入为主的陆源营养盐主要分布在渤海湾、辽东湾和莱州湾等沿岸水域,而由于动力不足很难输运到中央盆地[78]。因此赤潮集中发生于莱州湾、渤海湾和辽东湾等近岸水域与渤海沿岸水域的严重富营养化状况密切相关,可以说是赤潮暴发的主要原因。2000年以来,渤海湾、辽东湾和莱州湾等赤潮高发区的富营养化状况及其与赤潮的时空耦合机制因区域而异。
  秦皇岛附近海域:秦皇岛位于环渤海地区的中部、西部地区,自山海关金丝河口至昌黎县的滦河口附近海域为其管辖海域,常年注入该海域的河流有洋河、汤河、戴河和饮马河等多条河流。饮马河属于山溪型河流,周围昌黎县的工业废水、生活污水以及养殖废水排入其中并被携带入海,入海河口位于昌黎县大浦河口,因此饮马河已收到严重污染并处于重度营养化程度。洋河主要流经农田耕地附近区域,沿途中主要接纳农田中流失的化肥、农药等污染物和附近村庄加工淀粉产生的废水,因此洋河也积累了大量营养物质而达到重度富营养化状态。作为常年性河流的戴河,附近北戴河区域的部分生活污水排入其中并共同流入秦皇岛近岸海域,戴河水质为轻度污染并达到中度富营养化水平。汤河是流经秦皇岛市的主要河流,主要接收来自海港区的生活污水,水质受到轻度污染[79]。可见近年来注入秦皇岛附近海域的主要河流多数处于严重的富营养化状态,且河流输入是陆源污染入海的主要途径,主要包括有机物、氮、磷等污染物,为赤潮的发生奠定了物质基础。通过查阅相关文献资料可知,2014年5月份暴发的大面积赤潮的优势种是抑食金球藻,又名褐潮,此次抑食金球藻褐潮暴发主要集中在秦皇岛附近海域。据报道,从2009年开始秦皇岛附近海域每年都暴发大规模褐潮[80],与本文反演出的赤潮区域相吻合。褐潮爆发期间海水呈黄褐色,浑浊度大大增加,持续时间较长,有的会长达两个多月,且覆盖面积大,影响范围广,是我国遭受重大经济损失。自美国和南非相继出现褐潮后,中国是第三个遭受褐潮侵袭的国家,这是中国新面临的一种海洋灾害。
  抑食金球藻褐潮连续多年在秦皇岛附近海域出现可能与沿岸的养殖活动密切相关。许多大型水产养殖区分布于秦皇岛沿岸海域,每到春夏季养殖活动的高峰时期,由于船只往来频繁且该海域水深较浅容易使海底沉积物受到扰动而上升至海表面,海面船舶带来的油污也会增加,从而使水中有机质增加。与其它赤潮藻类不同的是抑食金球藻具有吸收利用有机质中碳氮元素的能力,这一特性在实验室培养实验和实地调查中均得到证明[81-82],当海水中营养盐含量较低时,其他藻类无法摄取充足的营养物质,而抑食金球藻却可以很好地利用有机质维持自身的生长繁殖。抑食金球藻的另一特征优势是其能在低光照条件下完成长达数天或数周的生存[83]。由于养殖活动期间海水受到不同程度的扰动,人为的投饵等活动也使得海水中悬浮颗粒增加,从而导致海水透光率降低,而抑食金球藻的这一特性可以满足其在秦皇岛附近海域存活下来。上述抑食金球藻的两个特性都增加了其在秦皇岛附近海域生存的竞争优势,这是抑食金球藻褐潮在该海域暴发的两个重要原因。此外,研究表明该藻的最适生长温度约为20℃[82],但其可以生长的温度范围为0~25℃。当五六月份温度达到15~20℃时抑食金球藻褐潮一般开始出现,当七八月份的海水温度超过25℃时,褐潮会逐渐消亡,直到秋季温度降至20℃左右时褐潮可能会再次出现。由于其对温度的适应能力强,褐潮能够持续至冰点温度下的冬季环境下,甚至开始暴发[84]。而秦皇岛附近海域五六月份的温度正为抑食金球藻生长的最适温度范围,这或许就是抑食金球藻在该海域连续数年暴发的主要原因。
  综上所述,春末夏初秦皇岛附近海域溶解无机营养物质浓度的降低、含碳氮等有机物质浓度的增加、水产养殖活动的增加以及适宜的海水温度可能是造成褐潮在该海区连年暴发的重要原因。2013年6月至7月初,秦皇岛附近海域水温在20-25℃,光照充足,水文气象条件适宜藻类繁殖,为褐潮高发期。2014年5月中旬褐潮即开始暴发,发生时间更早,此时水温更适合抑食金球藻繁殖,且风速较低,气象条件较适宜藻类生长和聚集,直到8月初水温已超过30℃,褐潮渐渐消亡。
  渤海湾近岸海域:渤海湾是渤海西部的一个浅水湾,京津冀的海上门户。黄河和海河携带水体中的营养物质共同注入到渤海湾内,因此渤海湾近岸海域受包围其的陆域环境影响较大,海水富营养化程度较高,其中天津近岸海域是赤潮集中爆发较严重的区域。对于2000年、2001年发生的河北、天津附近海域赤潮,主要是受其周围环境的影响。1998-2004年,天津市已连续7年处于干旱状态,甚至2000-2001年间基本无地表径流,入海径流量为0,2002年只有极少量降水,入海径流量约为2×108m3,入海营养盐污染呈缓慢上升趋势,为赤潮发生提供了丰厚的营养物质[85]。一方面是因为点源污染,即生活污水和工业废水入海造成的近岸营养盐过剩。当时我国污水废水处理工艺不精,脱氮除磷的效果不明显导致污水废水处理率较低,而当时的生活污水排放量约占天津市污水排放总量的50%,因此大量未经处理的污水直接进入渤海,已经超过海域环境容量的极限。另一方面是非点源污染,即农田施肥、水产养殖等产生的含氮磷营养物质入海造成的污染。虽然渤海湾沿岸海域在2000-2001年期间干旱少雨,处于枯水年,农田中化肥、农药基本不能通过径流入海,但是水产养殖并不受影响,当时天津沿海岸有数十万亩养虾池,由于投喂饵料不当,过剩的营养导致虾池水质较差,也是导致沿海水域水体富营养化的原因之一。许朋柱等研究得出枯水期的氮污染较丰、平水期严重,原因是丰水期的大量降水可以稀释江河中的氮浓度[86]。2006年10月发生在天津近岸海域、河北黄骅附近海域的赤潮,是天津首次在相对低温条件下爆发的棕囊藻赤潮。棕囊藻赤潮的爆发是近岸海域水体长期严重富营养化下的必然结果,氮、磷作为浮游植物生长限制性营养成分,在棕囊藻赤潮发生过程中起着关键的作用。赤潮发生期间没有降雨过程,表层水温随着区域气候的变化呈现逐步降低趋势[87]。
  辽东湾北部海域:辽东湾位于渤海最北部,水交换能力差。流入该海域中径流量最大的河流是辽河,因此也极大的影响着辽河河口的环境质量。作为辽河河口的一个支流,双台子河口的环境状况与辽河河口的状况相似。大凌河作为辽宁省西部最大的河流,随河流携带的污染物质也相对较丰富。因此,辽河、双台子河和大凌河等河流同时注入辽东湾北部海域,并将北部沿岸排放的工业废水、生活污水和养殖废水携带入海,加剧了这个沿岸内湾的富营养化现象,为赤潮的发生提供了物质基础。赤潮暴发前期,辽东湾北部海域的气温和水温普遍上升,且一般会有大量的降水过程使得海水的盐度有所降低,同时也会给海洋带来丰富的有机物和污染物,从而使赤潮生物所需的营养盐含量增加;此外降水过程一般会有大风出现,大风过程使海水受到扰动,水体的垂直混合进一步加快,海域底部的营养盐可上升至表层并充分溶解以被赤潮生物加以利用完成自身的快速增殖;温度的急剧上升、盐度的降低以及充足的光照是赤潮发生的关键条件,从而导致某些赤潮生物的迅速繁殖直至赤潮暴发。2001年8号台风桃之登陆减弱成低气压沿海岸一直北上到达渤海海域引起了大片降水与大风天气,正好满足辽东湾北部海域赤潮发生的条件,随之8月12日在葫芦岛、鲅鱼圈就暴发了大面积的赤潮[88]。
  莱州湾黄河口近岸海域:莱州湾是渤海最大的半封闭式海湾,海湾的水深相对较浅,是我国重要的渔业资源生产和保护区域,注入其中的河流包括黄河、小清河、潍河等10余条河流。近年来黄河和小清河不断携带污染物进入莱州湾西部海域,并在附近海域沉降和滞留,常常导致严重污染并在河口附近形成严重的富营养化状态,其中对海域影响最大的物质是无机氮和油类[89]。注入莱州湾南部海域的河流有虞河、弥河、潍河等多条河流,而且西南部小清河在沿岸流的作用下也会对莱州湾南部海域产生影响。同时,莱州湾西部和南部的沿岸农业和水产养殖产生的污染物入海也会加重附近海域的水质污染,导致这两个海域生态环境质量较差。东营市于2002年开始建设防潮大堤工程,建设完成于2004年9月,附近海域水文过程因该工程的修建而受到干扰,在沿岸流和暖流的共同作用下浮游植物向南迁移,逐渐聚集增加了赤潮发生的潜在可能性。在2004年6月11日发生在黄河口附近海域的赤潮可能是在温度适宜和上述因素的共同作用下暴发的。工程竣工后,多道水闸定期开启,水文过程逐渐恢复,富营养化情况得到改善。

  6结论

  6.1全文总结

  近年来,随着环渤海地区经济的快速发展和城市化进程的加快,入海污水的排放量逐年增加,渤海海域水体富营养化明显加剧,浮游生物过度繁殖,导致渤海赤潮每年发生频次和规模居高不下,危害日益严重。因此,防治海洋污染,维护生态平衡,积极监测海域生态环境,及早发现控制赤潮的发生发展成为渤海海域研究的重点之一。
  本文首先介绍了赤潮的定义及其暴发机理,并按照赤潮分类的依据对赤潮灾害进行划分,分为河口型、海湾型、养殖型、上升流型、沿岸流型和外海型赤潮,然后通过统计2000-2015年渤海发生赤潮情况,简单分析了渤海赤潮的时空分布特征。其次,在分析水体光谱特征的基础上,本文利用云覆盖较少的GOCI遥感数据,确定波段表达式(B4-B2)/(B3-B2)作为GOCI的最佳赤潮反演因子,从而建立了一个改进型赤潮指数的赤潮反演模型,发展了基于GOCI传感器瑞利校正反射率的赤潮日变化监测方法,进而利用2014年5月15日、26日、28日的GOCI数据对2014年5月15日至8月7日河北秦皇岛海域发生的单次最大面积赤潮过程进行了日变化分析。随后,本文首先利用MODIS光谱反射率数据和渤海海域实测叶绿素a浓度进行了相关分析,选择表达式(B10-B8)/(B13-B8)作为渤海海域赤潮反演的指标,相关系数达到0.7815,呈现显著相关结果,确定提取赤潮的阈值,从而建立了基于MODIS反射率数据的赤潮反演模型并通过对比叶绿素浓度的变化率得到验证。最后,本文对2000-2015年间渤海赤潮的季节变化特征和年际变化特征进行了深入地分析,并分析季节变化特征和年际变化特征形成的原因。本文最终得到了如下结论:
  (1)本世纪以来,渤海赤潮灾害呈现出发生时间段时间延长、发生频率和面积增加、分布区域扩大的发展趋势,赤潮发生区域从近岸局部海域向整个渤海近岸海域蔓延。
  (2)应用基于GOCI的赤潮反演模型分别对2014年5月15日、5月26日、5月28日的渤海海域进行赤潮遥感监测,发现这三天的赤潮变化模型基本一致,赤潮面积都是先增大后减小,8:30至15:30左右赤潮藻类优势种的垂直迁移可能是导致赤潮在一天内面积变化较大的主要原因。
  (3)2014年5月26日、28日发生赤潮区域内的叶绿素分布情况每小时都在发生变化,且叶绿素浓度和分布面积均在11:30达到最大值。一天内赤潮区域叶绿素的不断变化是引起赤潮的藻类垂直迁移导致的结果,从而导致赤潮一天内发生明显的变化。
  (4)2000-2015年期间赤潮最大发生面积波动变化特征明显,大面积赤潮和小面积赤潮间隔出现。赤潮的发生期在4-11月,其中5-7月为赤潮的高发季节。渤海赤潮覆盖面积极大值大多在每年6月中旬至7月初出现,影响区域海表平均温度在15~25℃附近,有利于赤潮生物的生长、繁殖。渤海重点发生赤潮的海域为渤海湾近岸海域、辽东湾西部的秦皇岛附近海域、营口鲅鱼圈附近海域和莱州湾黄河口近岸海域等。
  (5)从2009年开始秦皇岛附近海域每年都暴发大规模的抑食金球藻褐潮,这可能与当地的养殖活动密切相关。春末夏初秦皇岛附近海域溶解无机营养物质浓度的降低、含碳氮等有机质浓度的增加以及适宜的海水温度可能是造成褐潮在该海区连年暴发的重要原因。

  6.2论文的创新点

  (1)本文利用MODIS数据和实测叶绿素数据,在分析各波段反射光谱特征的基础上,建立了适合渤海海域赤潮反演方法。本文利用GOCI数据,在分析基于GOCI的渤海海域水体反射光谱特征基础上,建立了适合渤海海域赤潮日变化的监测方法。
  (2)本文利用MODIS数据建立了适合渤海海域的赤潮监测模型,并且分析了2000-2015年间长达16年的渤海赤潮情况。之前研究渤海赤潮方面的论文很少,大多数都是针对渤海小区域海域进行研究,而且都是关于较短时间内赤潮的定性研究。本文既研究了渤海赤潮长达16年的发生情况,又对渤海赤潮面积进行了定量研究。所以,本文研究赤潮的时间跨度更大,区域范围更广,而且更能准确地反映出渤海赤潮的变化情况。
  (3)本文利用高时间分辨率的地球同步水色成像仪GOCI对渤海海域赤潮日变化进行分析,实现了对渤海海域赤潮的快速跟踪和监测。GOCI最大的优势是时间分辨率高达1小时,可以快速跟踪监测渤海海域的赤潮变化。之前有很多将GOCI用于监测海域叶绿素浓度、富营养化和悬浮泥沙反演等的研究,但很少有人将其用于监测渤海海域赤潮的研究。因此,本文利用GOCI遥感数据对渤海海域赤潮进行每天8次的高时间分辨率监测,是本文的又一创新点,有利于更加深入地研究渤海赤潮一天内发展变化情况及其原因。

  6.3论文的不足之处

  (1)本文采用辐射传输模型中的MODTRAN模型,利用ENVI软件提供的FLAASH模块对MODIS数据进行大气校正,但对于复杂海域及大气条件下该模型的反演精度较低。
  (2)由于时间和经费的限制,而且卫星又极易受到云和气溶胶的影响,相应于实测叶绿素浓度时间的卫星数据较少,从而用于模型建立的数据不多。
  (3)本文使用的MODIS数据和GOCI数据的空间分辨率分别为1000m和500m,对于发生面积较小的赤潮,基于两者的赤潮反演模型反演误差较大。例如2008年秦皇岛发生了面积仅为30km2的小面积赤潮,应用MODIS数据反演出现了较大的误差。

  7展望

  本文在分析水体光谱特征的基础上,建立了多波段差比值法赤潮反演模型,确定提取赤潮的阈值,进而发展基于MODIS传感器遥感反射率的赤潮长期监测方法。其次,利用云覆盖较少的GOCI遥感数据,建立了基于改进型赤潮指数的赤潮反演模型,发展基于GOCI传感器瑞利校正反射率的赤潮短期监测方法。但是该方法在应用过程中仍存在不足,现提出以下几点展望:
  (1)海洋水色反演过程中大气校正是最关键的步骤之一,因为海洋的信号极易受到大气中的气溶胶等的干扰,从而到达传感器的海洋信号大大削弱。因此要得到准确的来自海洋反射率信息,必须进行大气校正。为了提高复杂地区及复杂大气条件下模型的反演精度,在以后的工作中获取渤海海域大气中薄雾或阴霾严重地区的气溶胶的详细信息很重要,从而发展更适合渤海海域的大气校正方法。
  (2)由于天气和实测数据的影响而导致的相应时间的卫星数据较少,在今后的工作中应收集更多的数据,并采用更多的数据进行渤海赤潮反演算法研究。
  (3)由于MODIS和GOCI的空间分辨率较低而无法监测到发生面积较小的赤潮,因此今后应结合高时间分辨率的水色卫星数据和高空间分辨率的陆地卫星数据两者的优势,建立更完善的赤潮监测方法。
  (4)从2009年开始秦皇岛附近海域每年都暴发大规模的抑食金球藻褐潮,本文对2014年赤潮爆发期间的日变化其与叶绿素浓度关系进行了分析,并且简要分析了褐潮发生原因。因此,今后的研究重点可以深入探讨抑食金球藻褐潮的暴发机制与生态效应,从而可以进行有效的预防和控制,降低抑食金球藻褐潮对渤海海域的影响。
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