2015年黃海滸苔演變特征的遙感分析

陸榮洋, 申 輝, 李大偉

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2015年黃海滸苔演變特征的遙感分析

陸榮洋1, 2, 申 輝1, 李大偉1, 2

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京100039)

為揭示2015年黃海區域滸苔演變特征, 利用MODIS(moderate-resolution imaging spectrometer)數據, 通過計算漂浮藻類指數(floating algae index, FAI)建立了滸苔信息的數據集, 進而獲取了滸苔的時空變化規律特征。研究發現, 5月13日滸苔條帶最早出現在蘇北近岸, 之后滸苔條帶向北和向東漂移, 滸苔覆蓋面積逐漸變大; 向北漂移的滸苔逐漸發展成大規模聚集的形態, 而向東的條帶仍舊是分散的形態; 向北漂移的滸苔條帶6月12日到達半島頂端后出現大規模登陸的情況, 登陸的依次順序為乳山—青島—海陽; 在蘇北近岸的滸苔一直持續到8月5日。對2015年滸苔時空演變特征與往年情況進行初步對比分析, 發現其與2013年滸苔漂移路徑和登陸過程存在顯著差異, 具有很強的年際差異。

黃海; 滸苔; MODIS(moderate-resolution imaging spectrometer); 遙感

滸苔是一種在中國近海常見的綠潮藻類。在一定環境條件下, 滸苔的暴發性繁殖和高度聚集將形成綠潮災害[1-3], 例如, 2008年北京奧運會期間, 在青島外海出現大量滸苔, 引起了世界的廣泛關注。事實上, 在2000年以后, 黃東海海域就已觀測到滸苔條帶的零星存在, 但未出現滸苔條帶大規模聚集的情況[4]。2008年以后每年都會有大量滸苔出現在南黃海, 成為一種常規性的綠潮災害。有研究結果表明此綠潮災害首先是在蘇北沿岸產生, 然后受風場流場驅動產生漂移[5-6]。在漂移過程中遇到適宜的海洋環境后發生大規模的增殖繁殖, 而后出現滸苔大規模聚集的情況。黃東海綠潮災害的規模具有年際變化的特征, 2008~2013年, 滸苔暴發規模最小的是2012年,覆蓋面積為267 km2, 分布面積為19 610 km2, 2009年暴發規模最大, 實際覆蓋面積達到2 100 km2, 分布面積則有58 000 km2[7-8]。

自2008年以后每年都會在蘇北沿岸和山東半島南部海域觀測到滸苔。姜鵬等[9]的研究表明綠潮滸苔沒有在青島本地形成自然種群。劉峰等[10-11]發現蘇北沿岸的動物水產養殖池、輻射沙洲的水樣和底泥中存在滸苔的微觀繁殖體, 并推測黃海綠潮的“種源”很可能就是存在于蘇北輻射沙洲的滸苔微觀繁殖體中。劉東艷等[12-13]對江蘇紫菜栽培筏架上的綠藻進行分子鑒定, 并分析江蘇近幾年的紫菜栽培發展情況, 認為黃海綠潮滸苔來源于江蘇的紫菜筏架, 而黃海的綠潮大規模聚集正是與江蘇的紫菜栽培大規模發展時期相對應。李瑞香等[14]、李儉平等[15]研究了營養鹽對滸苔生長的影響, 發現滸苔的生長需要大量的營養鹽, 對氮的需求要高于磷。基于以上研究結果, 目前對于黃東海綠潮災害的發展過程初步認為, 起源于江蘇沿岸, 而后主要是向北漂移, 在黃海區域水質條件適宜的情況下形成大規模繁殖聚集, 最終登陸沿海各地。

相比于現場觀測, 用衛星遙感手段觀測滸苔具有經濟、及時和覆蓋范圍大的優勢。中分辨率光譜成像儀(moderate-resolution imaging spectrometer, MODIS)數據是進行滸苔觀測的主要數據, 在歷年滸苔遙感監測中發揮了重要作用[16]。MODIS數據具有掃描范圍大、重訪周期短的特點。2008年滸苔暴發之后, Hu等[17], 首次使用MODIS數據研究黃海滸苔。鐘山等[18]研究了MODIS數據NDVI(normalized difference vegetation index)指數提取滸苔面積的誤差問題, 提出了分別為大塊聚集的滸苔與零散分布的滸苔設置閾值的方法。本文通過處理2015年黃海區域的MODIS數據, 試圖分析2015年黃東海綠潮災害的演變特征。

1 數據以及處理方法

1.1 數據

MODIS是地球觀測系統(earth observation system, EOS)衛星上搭載的一種重要的光學傳感器。它包含了36個光譜通道, 波長范圍在0.4~14.4 μm,空間分辨率有250, 500和1 km三種, 掃描幅度為2 330 km。搭載MODIS的兩顆衛星EOS-Terra和EOS-Aqua是太陽同步極軌衛星, Terra上午10: 30左右過境, Aqua下午13: 30左右過境, 相互配合, 一天可以過境4次(白天2次夜間2次), 時間分辨率上有很大優勢。

本文所用的MODIS數據是從https: //ladsweb. nascom.naso.gov網站上下載的L1B數據。時間從2015年5月13日~8月5日, 選擇其中天氣晴好的18景數據進行處理和分析。為了進行對比分析, 還選擇了2011年7月20日與23日。

1.2 遙感圖像處理方法

對MODIS數據的處理主要包括: 輻射校正、幾何校正、第五波段條帶去除、截取目標研究區域、云掩膜、滸苔因子提取等。處理流程如圖1所示。

1.3 滸苔的遙感識別因子

滸苔與海水具有不同的光譜特征, 光學遙感正是基于此光譜特征差異實現滸苔與海水的區分, 并提取滸苔信息。2008年中國海洋大學遙感研究所在滸苔航次和“東方紅2號”滸苔航次中, 用海面高光譜輻射計(Tethered Spectral Radiometer Buoy, TSRB)現場測得了青島近岸海域和蘇北近岸海域的滸苔與鄰近水體的典型光譜曲線, 可以看到海水與滸苔二者的光學輻亮度漫發射率(即: 上行輻射率u與下行輻射率d的比值)與波長的對應關系有明顯的差異(圖2、圖3), 滸苔的光譜在730 nm左右有一個反射峰, 而海水的光譜在730 nm處反射率是下降的。根據這一光譜特征差異可以進行滸苔信息提取[19]。

Hu[20]提出一種監測滸苔的方法——漂浮藻類指數(floating algae index, FAI)方法, 并驗證了FAI方法比增強植被指數(enhanced vegetation index, EVI)和NDVI方法更加穩定, 在滸苔監測方面更具優勢。因此本文選用的FAI方法進行滸苔的遙感提取。FAI方法采用MODIS的第1、2和5波段, 其中, 第1、2波段分辨率為250 m, 第5波段分辨率為500 m。我們對第5波段進行重采樣得到250 m分辨率的數據, 最終得到的FAI滸苔識別資料結果的空間分辨率為250 m。

2 2015年滸苔演變特征及其與2013年的對比分析

結果表明, 2015年黃海滸苔分兩支分別向北和向東路徑傳播。本文對兩支分別進行分析。本部分同時給出2011年、2013年滸苔的發展演變特征, 并主要與2013年進行對比分析, 以揭示兩個年份滸苔演變特征的差異。

2.1 滸苔的北上過程

圖4給出圖像處理之后的結果, 圖中黑色的區域表示陸地, 白色的區域表示云, 藍色的區域表示海水, 淺綠色的區域表示滸苔。部分滸苔分布范圍較小的圖像用紅色圖框標記滸苔分布范圍。通過MODIS圖像觀測到2015年滸苔條帶最早出現時間是5月13日, 少量細小的滸苔條帶最先出現在蘇北近岸, 圖4紅框的中心坐標是121°37′E, 33°21′N。此后, 滸苔條帶逐漸向北漂移, 滸苔的規模逐漸變大。圖5給出5月16日~6月12日滸苔發展時期的空間覆蓋范圍演變圖。5月16日, 滸苔最北部的條帶位于121°16′E, 34°24′N, 相對于5月13日遙感結果, 覆蓋面積明顯增大。5月20日, 滸苔進一步向北漂移, 同時有轉向東北方向漂移的趨勢, 最北部的條帶位于121°34′E, 34°57′N, 覆蓋面積進一步增大。5月25日, 最北部的條帶位于121°36′E, 35°14′N。5月31日, 滸苔進一步向東北方向漂移, 最北部的條帶位于121°29′E, 35°25′N。6月6日, 向東北方向漂移的滸苔向岸一側呈現出與海岸線近似平行的形態, 最北部的條帶位于121°57′E, 36°4′N, 呈現指向半島頂端的漂移趨勢。6月12日, 最北部的滸苔條帶到達半島頂端, 滸苔向岸一側與海岸線的距離呈現出自東向西逐漸增大的特征。滸苔的覆蓋范圍與覆蓋面積進一步增大。在這個過程中, 滸苔向東北漂移的同時, 有向岸靠近的趨勢。

黑色: 陸地; 藍色: 海洋; 白色: 云層; 綠色: 滸苔(圖7、圖8、圖9、圖10、圖11同)

(black: land; blue: sea; white: cloud; aqua:(also applies to figs. 7, 8, 9, 10, and 11)

2013年的情況是, 5月21日通過MODIS觀測到有較多的滸苔條帶出現在蘇北近岸(如圖6); 至6月2日, 觀測到滸苔已經到達山東半島的南岸較近的范圍, 而且滸苔主要影響日照和青島沿岸, 向東北方向漂移的一支最東部的坐標為121°35′E, 35°14′N, 而向西南漂移的一支最西部的坐標為119°37′E, 35°5′N。6月6日, 滸苔的覆蓋范圍沒有顯著改變。6月12日, 滸苔的覆蓋范圍相對于6月6日變化較小。6月14日, 滸苔進一步向岸靠近, 已經在日照和青島近岸登陸。

2013年滸苔主要向日照青島方向漂移, 日照青島近岸最早受到影響。而2015年滸苔主要向乳山方向漂移, 乳山近岸最早受到影響。

2.2 滸苔的東進過程

滸苔大規模繁殖聚集在山東半島近岸, 對沿岸區域生產生活影響較大, 而向東漂移的這一支滸苔主要存在于江蘇以東海面, 離岸較遠, 因此受到的關注比較少。而Hu等[4]通過MODIS和LANDSAT數據觀測到在2000年之后滸苔就在黃海和東海區域出現過, 但是當時滸苔沒有出現暴發性繁殖和大規模聚集的情況。

滸苔向東發展的情況見圖7。5月25日通過MODIS圖像觀測到有向東漂移的滸苔條帶存在, 由蘇北近岸向東漂移形成, 最東部的條帶位于124°37′E, 32°30′N。條帶分布比較分散, 發展規模遠不如向北漂移的滸苔。6月19日, 在中心位置為124°5′E, 33°51′N的紅圈中, 觀測到有一片較為分散的滸苔條帶存在。有可能是向北漂移的滸苔又向東漂移形成, 發展規模較小。7月1日, 觀測到滸苔向東最遠的條帶到達124°56′E, 滸苔的發展規模稍微大一些, 但仍舊遠不如向北漂移的滸苔發展規模大。7月10日, 仍可在123°41′E, 34°30′N觀測到少量存在的滸苔條帶。

2011年也觀測到滸苔向東漂移的情況, 與2015年相似呈現分散性分布的特征。7月20日(圖8)觀測到有一支向東漂移的滸苔存在, 從南通近海向東北方向漂移, 主要覆蓋區域為江蘇以東海域, 覆蓋范圍較大, 但呈現分散性分布。而此時向北漂移的滸苔已經到達山東半島近岸并且進入消亡期, 滸苔的覆蓋范圍僅限于半島南岸的一部分區域, 不過仍比向東漂移的滸苔分布密集。至7月23日(圖8b)依然可以觀測到向東漂移的滸苔覆蓋一片較大的區域, 但仍呈分散性分布。

2.3 滸苔的登陸過程

滸苔的登陸過程如圖9、圖10所示, 雖然在MODIS數據處理過程中, 云掩膜和陸地掩膜會對部分靠近陸地的滸苔識別產生偏差(如圖8、圖9), 但不會對本文給出的滸苔登陸過程的總體走向和登陸位置分析結果造成顯著影響。

6月12日(圖5), 最北部的滸苔條帶到達半島頂端, 滸苔向岸一側與海岸線的距離呈現出自東向西逐漸增大的特征。滸苔首先大規模登陸的區域為靠近半島頂端的乳山。6月14日(圖9), 乳山近岸的滸苔數量顯著增多。6月21日(圖9), 在乳山首先出現大量滸苔登陸, 而其他區域仍只有少量滸苔在向岸靠近, 大規模的滸苔離海岸仍有一段距離。7月1日(圖9), 滸苔進一步向岸線靠近, 海陽、青島近岸區域出現少量滸苔。由于海陽岸線有些向西北凹陷, 近岸的滸苔明顯少于青島。7月4日(圖9), 大規模滸苔靠近近岸開始登陸。

2013年滸苔登陸過程如圖10所示。6月20日, 觀測到有較多的滸苔條帶靠近青島近岸, 滸苔在近岸沿海岸線向東北方向漂移。6月29日, 有大量滸苔在青島近岸登陸, 沿岸漂移的滸苔條帶到達海陽近岸, 乳山近岸出現少量的滸苔。7月5日, 滸苔沿岸漂移到達乳山近岸。7月8日, 沿岸漂移的滸苔已經在乳山登陸。2013年登陸順序依次為日照—青島—海陽—乳山。

對比2013年和2015年滸苔登陸過程可以發現顯著差異。2013年, 滸苔沿著海岸線向東北方向漂移, 登陸順序為日照—青島—海陽—乳山。而2015年, 在山東半島外海滸苔主體向岸靠近, 呈現自東向西的登陸過程, 登陸順序為乳山—青島—海陽。

2.4 滸苔的持續過程

滸苔在蘇北近岸持續存在了相當長的一段時間。至7月29日(圖11)、30日(圖11), 蘇北近岸仍然可以觀測到較多的滸苔條帶存在, 但是滸苔條帶的分布較為分散。不再呈現出滸苔暴發初期時, 條帶較長且相互連接的形態。之后, 滸苔的覆蓋面積逐漸減少, 8月4日(圖11)、5日(圖11), 滸苔的覆蓋面積顯著小于7月29日、30日。此后, 沒有再觀測到滸苔條帶的出現。

滸苔的暴發是一個持續性的過程。從觀測到滸苔在蘇北近岸產生到滸苔到達半島頂端, 這個過程持續了一個月。而滸苔登陸的過程持續了20多天, 這個過程中滸苔在蘇北產生并向外輸運, 在北部適宜的區域大規模繁殖聚集, 這個適宜的區域大致位于圖11b中矩形圖框區域, 120°18′~123°12′E, 34°25′~ 35°26′N。之后滸苔進一步向東北漂移向岸靠近在近岸登陸。而滸苔暴發末期, 仍可觀測到滸苔在蘇北近岸仍有產生并且向外輸運, 卻沒有觀測到滸苔大規模繁殖聚集的情況, 可能此時北部海域水體環境不適宜滸苔大規模繁殖, 因此滸苔面積滸苔覆蓋面積逐漸減少直至消失。而之后蘇北近岸也沒有再產生滸苔, 整個滸苔暴發過程完全結束。

紫色矩形框: 滸苔興盛期的區域

purple rectangle: peak bloom coverage

3 總結與展望

本文采用基于MODIS光學遙感圖像的滸苔識別方法, 分析了2015年黃東海綠潮災害發展演變過程。分析表明, 2015年5月13日MODIS圖像顯示滸苔最早出現在蘇北沿岸出現。之后, 滸苔條帶向北漂移, 在漂移過程中, 滸苔繁殖速度快, 聚集程度高, 覆蓋面積不斷增大, 并且向岸靠近開始登陸。到6月12日, 滸苔已經到達半島頂端近岸。然后滸苔開始大規模登陸, 這個過程持續了20多天, 登陸區域先后順序是是乳山—青島—海陽。2015年滸苔登陸特征與2013年明顯不同。另外分析發現2015年滸苔漂移存在向東的分支, 這與2011年情況相似。這一分支覆蓋面積較小, 條帶呈分散性分布。滸苔在蘇北近岸持續了相當長一段時間, 在蘇北近岸自滸苔出現之后, 一直持續到8月5日才消失。滸苔暴發的末期, 蘇北近岸的滸苔向北漂移之后未再持續暴發性繁殖過程, 同時蘇北近岸滸苔也逐漸消失。滸苔過程結束。

本文通過分析MODIS圖像資料, 采用FAI滸苔指數形成了黃東海滸苔時空分布數據集。以此數據集為基礎, 分析了2015年黃海滸苔災害的發展演變過程, 并對比了其與往年滸苔發展演變過程的差異。關于此過程的原因與機制, 特別是滸苔大規模運移的雙翼路徑機制的解釋, 及年際變化的差異, 前人的研究中雖有涉及但并未形成統一認識, 這將是下一步工作的重點。

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Remote sensing of the Yellow Sea green tide evolution in 2015

LU Rong-yang1, 2, SHEN Hui1, LI Da-wei1, 2

(1. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

A macroalgae detection index based on moderate-resolution imaging spectrometer (MODIS) data is applied to monitor the evolution of a green tide during 2015. The earliest observation ofpatches offshore Subei area was in May 13th. Strips ofdeveloped into two branches, northward and eastward, both of which expanded. The northward strip gradually developed into one united massive pattern, while the eastward strip remained scattered. After the northward strip reached the end of Shandong Peninsula, a huge-scale landing process began along the coast of Rushan—Qingdao—Haiyang. The strips persisted offshore Subei area until August 5th. Subsequently, the massivebloom was not detected in MODIS images.

the Yellow Sea;; MODIS (moderate-resolution imaging spectrometer); remote sensing

(本文編輯: 李曉燕)

Jan. 27, 2016

[Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No.XDA05010400]

P715.7

A

1000-3096(2016)10-0134-09

10.11759/hykx20160127003

2016-01-27;

2016-04-12

中國科學院戰略性先導專項資助(XDA1103020403)

陸榮洋(1991-), 男, 江蘇漣水人, 碩士研究生, 主要從事海洋光學遙感分析與研究, 電話: 0532-82898516, E-mail: lurongyang1991@163.com; 申輝, 通信作者, 研究員, 主要從事海洋遙感研究, 電話: 0532-82898783, E-mail: shenhui@qdio.ac.cn