基于GOCI的長(zhǎng)江口及附近海域主要營(yíng)養(yǎng)鹽的分布與日內(nèi)變化研究

李陽(yáng)東，盧燦燦，李鴻莉，常亮，林軍，沈敏

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；3.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；4.上海市河口海洋測(cè)繪工程技術(shù)研究中心，上海 201306；5.上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,上海 201306）

1 引言

營(yíng)養(yǎng)鹽作為海洋浮游植物生長(zhǎng)與繁殖必不可少的成分，不僅影響著海洋初級(jí)生產(chǎn)力大小，也是維持海洋生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)[1]。近年來(lái)，工業(yè)和生活污水的大量排放、化肥生產(chǎn)及農(nóng)作物種植等人類活動(dòng)，使近岸海域的營(yíng)養(yǎng)鹽含量增加，造成海水富營(yíng)養(yǎng)化和赤潮頻發(fā)。因此，對(duì)近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度開展合理監(jiān)測(cè)，是科學(xué)治理海水水質(zhì)和控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵。

目前，水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)研究主要集中在光學(xué)活性變量上，如溫度[2]、葉綠素a[3-4]、透明度[5]和總懸浮物（Total Suspend Solids，TSS）[6]等，對(duì)于總磷（Total Phosphate，TP）、總氮（Total Nitrogen，TN）、溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）和化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）等非光學(xué)活性化合物的研究較少。相當(dāng)多的研究表明，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與決定水體光學(xué)特性的主要物質(zhì)（即葉綠素a、有色溶解有機(jī)物（Colored Dissolved Organic Matter，CDOM）和總懸浮物）的濃度具有良好的相關(guān)性[7-8]。對(duì)于營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的遙感反演研究，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多采用經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)方法，利用遙感數(shù)據(jù)開展適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)分析，進(jìn)而建立起相應(yīng)的反演模型和算法。已有研究表明，內(nèi)陸湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽的研究略早于河口及近岸海域。張鴻鍵等[9]對(duì)中分辨率成像光譜儀（MODerateresolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）的反射率與對(duì)應(yīng)的TP濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，并建立了三次多項(xiàng)式反演模型用于監(jiān)測(cè)洞庭湖TP 營(yíng)養(yǎng)狀況。利用MODIS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，Xu 等[10]反演了梅州灣溶解無(wú)機(jī)氮（Dissolved Inorganic Nitrogen，DIN）的濃度值，并評(píng)估DIN 濃度對(duì)反演精度的影響。Isenstein 等[11]利用Landsat ETM+數(shù)據(jù)和多元線性回歸方程，建立了TP 和TN 的遙感反演模型，顯示了北美洲尚普蘭湖營(yíng)養(yǎng)鹽的空間分布。利用波段組合和區(qū)域多變量統(tǒng)計(jì)建模技術(shù)，Gao 等[12]建立了大型湖泊TP濃度空間建模方案，并對(duì)巢湖流域的TP濃度進(jìn)行了分析。Xiong等[13]基于洪澤湖懸浮無(wú)機(jī)物與磷之間良好的相關(guān)性，利用MODIS/Aqua 數(shù)據(jù)開發(fā)了TP估算算法。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也相繼對(duì)河口及近岸海域的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度進(jìn)行了初步的探索。李小斌等[14]基于偏最小二乘回歸思想，利用珠江口海域的實(shí)測(cè)遙感反射率和TN 數(shù)據(jù)，建立了珠江口海域無(wú)機(jī)氮濃度估算的遙感模型。Chang 等[15]利用MODIS 數(shù)據(jù)和遺傳算法模型研究了美國(guó)佛羅里達(dá)州西部坦帕灣地區(qū)TP 濃度分布與季節(jié)變化規(guī)律。王林等[16]利用大洋河河口海域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和環(huán)境一號(hào)電荷耦合器件圖像傳感器（Charge Coupled Device，CCD）影像數(shù)據(jù)，建立了營(yíng)養(yǎng)鹽遙感反演模型，并分析了該區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽含量分布特征及富營(yíng)養(yǎng)化狀況。Yu等[17]基于多元統(tǒng)計(jì)建模技術(shù)，利用MODIS數(shù)據(jù)和渤海的實(shí)測(cè)DIN 濃度建立了渤海溶解無(wú)機(jī)氮濃度的反演模型。然而上述統(tǒng)計(jì)模型大多應(yīng)用于內(nèi)陸湖泊和我國(guó)南部海域的營(yíng)養(yǎng)鹽的分布特征，對(duì)于我國(guó)重要河口之一的長(zhǎng)江口及其附近海域的營(yíng)養(yǎng)鹽遙感監(jiān)測(cè)的研究成果較少。

長(zhǎng)江是我國(guó)第一大河，年平均徑流量高達(dá)9.24×1011m3，每年向長(zhǎng)江口和鄰近的東海輸送大量的淡水和營(yíng)養(yǎng)物。近年來(lái)長(zhǎng)江流域人類活動(dòng)的增加，對(duì)近岸水質(zhì)的影響日益明顯[18]，富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題突出。目前對(duì)長(zhǎng)江口營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的研究大多基于傳統(tǒng)采樣的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)[19-21]，如Wang 等[22]根據(jù)實(shí)測(cè)采樣點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，探討了東海營(yíng)養(yǎng)鹽分布，并指出長(zhǎng)江口海域全年?duì)I養(yǎng)鹽含量豐富。葉林安等[23]根據(jù)2015年春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)的調(diào)查資料，分析了東海營(yíng)養(yǎng)鹽的季節(jié)變化特征及其影響因素。此種采集水樣進(jìn)行試驗(yàn)分析的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且只能通過(guò)固定的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)分析海域的水質(zhì)情況。利用遙感影像對(duì)長(zhǎng)江口營(yíng)養(yǎng)鹽反演的研究比較少，遙感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水體大范圍和低成本的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，尤其是時(shí)間分辨率為1 h 的GOCI（Geostationary Ocean Color Imager）傳感器，可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間尺度內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度時(shí)空變化的監(jiān)測(cè)[24-26]。因此，本研究針對(duì)缺少現(xiàn)場(chǎng)遙感反射率測(cè)量數(shù)據(jù)的情況，直接利用靜止海洋水色衛(wèi)星COMS（Communication，Ocean and Meteorological Satellite）上搭載的GOCI 數(shù)據(jù)與長(zhǎng)江口鄰近海域的表層水體營(yíng)養(yǎng)鹽實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建營(yíng)養(yǎng)鹽反演模型的方案并展開相關(guān)研究。具體針對(duì)該區(qū)域建立適用于GOCI影像的磷酸鹽濃度和硝酸鹽濃度反演模型，并利用該反演模型對(duì)該海域表層水體的磷酸鹽和硅酸鹽含量進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而分析和探討該海域表層水體營(yíng)養(yǎng)鹽的分布及日變化規(guī)律和趨勢(shì)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)介紹

東海是我國(guó)陸架最寬的邊緣海，海域遼闊，南接臺(tái)灣海峽，北至啟東嘴與濟(jì)州島西南角的連線，東面以九州島、琉球群島和臺(tái)灣海峽連線為界，與太平洋相鄰[27]。由于受到長(zhǎng)江、錢塘江、甌江和閩江四大水系主要陸源徑流的強(qiáng)烈影響[28]，東海近海的營(yíng)養(yǎng)鹽含量較為豐富。長(zhǎng)江口及附近海域（121°～124°E，27°～32°N）是東海重要的組成部分（見圖1），該海域受長(zhǎng)江沖淡水、江浙沿岸流、蘇北沿岸流和臺(tái)灣暖流等水團(tuán)影響，水文環(huán)境復(fù)雜。近年來(lái)受長(zhǎng)江等陸源影響，長(zhǎng)江口海域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度過(guò)高，經(jīng)常發(fā)生赤潮災(zāi)害，該海域已成為我國(guó)東海海域赤潮的多發(fā)區(qū)[29]。

2.2 實(shí)測(cè)營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)

表層水體的硝酸鹽（NO3--N）、磷酸鹽（PO43--P）和硅酸鹽（SiO32--Si）數(shù)據(jù)來(lái)自2019 年12 月8—13日長(zhǎng)江口外海水質(zhì)與環(huán)境調(diào)查項(xiàng)目“共享航次”。本次調(diào)查的21 個(gè)站點(diǎn)位置見圖1，S1—S13 采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)用于建立營(yíng)養(yǎng)鹽遙感反演模型，其中S3和S9站點(diǎn)缺失磷酸鹽數(shù)據(jù)，S7站點(diǎn)缺失硅酸鹽數(shù)據(jù)，C1—C8 采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)用于遙感反演模型的驗(yàn)證。針對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的觀測(cè)，首先采用溫鹽深儀（Conductivity Temperature Depth，CTD）自容式采樣器對(duì)長(zhǎng)江口及附近海域進(jìn)行表層水樣采集，然后用Whatman GF/F濾膜現(xiàn)場(chǎng)過(guò)濾，濾液置于-20 ℃冷凍保存。水樣的采集、保存和處理均按《海洋調(diào)查規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行，樣品分析按《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》的有關(guān)方法進(jìn)行。分別應(yīng)用鋅-鎘還原法、磷鉬藍(lán)法和硅鉬藍(lán)法等分光光度法對(duì)采集的水樣進(jìn)行硝酸鹽（NO3--N）、磷酸鹽（PO43--P）和硅酸鹽（SiO32--Si）測(cè)定，從而得到對(duì)應(yīng)表層水體營(yíng)養(yǎng)鹽的數(shù)據(jù)[30]。

圖1 研究區(qū)與水質(zhì)調(diào)查采樣點(diǎn)分布（S1—S13和C1—C8為采樣點(diǎn)，A1—A4為4個(gè)次研究區(qū)域，虛線代表等深線）Fig.1 Study area and distribution of water quality survey sampling points(S1—S13 and C1—C8 are sampling points,A1—A4 are sub-study areas,and the dotted lines represent isobaths)

2.3 GOCI影像采集與處理

2.3.1 GOCI數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

GOCI是2010年6月27日由韓國(guó)海洋衛(wèi)星中心發(fā)射的世界第一顆海洋水色靜止軌道衛(wèi)星COMS上搭載的傳感器，主要用于海洋水色觀測(cè)，如葉綠素、總懸浮顆粒物和CDOM 等。該傳感器觀測(cè)中心在130°E，36°N，可以覆蓋韓國(guó)、俄羅斯、日本、朝鮮以及中國(guó)在內(nèi)的2 500 km×2 500 km 的海域，空間分辨率為500 m。GOCI 共設(shè)置了8 個(gè)波段，包括6個(gè)可見光波段（B1—B6）和2 個(gè)近紅外波段（B7—B8），每天可以提供從8:15—15:15（北京時(shí)，下同）的八景遙感影像，時(shí)間分辨率為1 h。研究所需的GOCI L1B 數(shù)據(jù)由韓國(guó)海洋衛(wèi)星中心（Korea Ocean Satellite Center，KOSC）提供（網(wǎng)址：http://kosc.kiost.ac/）。本文采用2019 年12 月8—11 日的GOCI 數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，然后利用2018年4月8日的GOCI影像進(jìn)行長(zhǎng)江口及附近海域水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度日變化規(guī)律的研究。

2.3.2 GOCI數(shù)據(jù)處理

為對(duì)地面實(shí)測(cè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與同步的GOCI影像的遙感反射率進(jìn)行相關(guān)性分析并建立相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)鹽反演模型，我們選擇GOCI影像時(shí)，控制其與匹配的地面點(diǎn)采樣時(shí)間間隔不超過(guò)3 h。根據(jù)地面實(shí)測(cè)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，精準(zhǔn)地提取所匹配GOCI 影像的對(duì)應(yīng)單個(gè)像元的遙感反射率，最后共匹配到13組有效數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)采樣數(shù)據(jù)與GOCI 影像數(shù)據(jù)獲取時(shí)間及對(duì)應(yīng)的潮位信息情況見表1，其中潮位數(shù)據(jù)從國(guó)家海洋信息中心獲取。由表1 可見，時(shí)間間隔越小，潮位差越小；除了S10 和S12 兩個(gè)站點(diǎn)匹配時(shí)間間隔較大且潮位差相差較大外，其他站點(diǎn)的匹配時(shí)間相近（不超過(guò)75 min），潮位差均低于60 cm，平均潮位差27.7 cm，說(shuō)明水樣數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的總體匹配效果較好，潮位差對(duì)匹配效果準(zhǔn)確性的影響有限。需要指出的是，S10—S13這幾個(gè)站點(diǎn)基本位于30 m 以深海域，而水深較深區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽較低，其隨時(shí)間變化的量也比淺水區(qū)小得多；相比深水區(qū)，近岸淺水區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空分布變化特征更應(yīng)該受到關(guān)注。因此在進(jìn)行GOCI影像的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度反演模型構(gòu)建時(shí)仍然考慮了這幾個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，以提升模型的穩(wěn)健性。

表1 實(shí)測(cè)采樣數(shù)據(jù)與GOCI影像的匹配情況Tab.1 Matchups between in-situ sampling data and GOCI imagery

由于海洋水體的吸收性強(qiáng)，反射率較低，所以GOCI 傳感器接收到的水體輻亮度僅占總輻射量的10%，其余90%來(lái)自大氣瑞利散射和溶膠散射等因素[31]。因此，需要對(duì)遙感影像進(jìn)行有效的大氣校正，去除這些由于大氣影響造成的輻亮度誤差，才能提取出水體信息的遙感反射率。本文利用的是mMUMM二類水體大氣校正算法[32]，該算法是GOCI 官方處理數(shù)據(jù)軟件GDPS V1.4.1 的內(nèi)置大氣校正模型之一。首先，利用GDPS 對(duì)與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)匹配的GOCI L1B 影像按研究區(qū)域進(jìn)行裁剪，然后對(duì)裁剪后的L1B 數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，得到GOCI 影像的遙感反射率數(shù)據(jù)，基于此遙感反射率值與實(shí)測(cè)營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)相關(guān)性分析。

2.4 精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

營(yíng)養(yǎng)鹽相關(guān)性對(duì)比分析利用決定系數(shù)R2和均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）進(jìn)行，營(yíng)養(yǎng)鹽反演模型采用RMSE、平均絕對(duì)百分比誤差（Mean Absolute Percentage Error，MAPE）和平均相對(duì)百分比誤差（Mean Relative Percentage Error，MRPE）[33]來(lái)檢驗(yàn)其預(yù)測(cè)精度。

3 結(jié)果與討論

3.1 營(yíng)養(yǎng)鹽之間的相關(guān)性分析

為探究長(zhǎng)江口及其鄰近海域表層水體中各營(yíng)養(yǎng)鹽濃度之間是否存在類似于其他內(nèi)陸湖泊及河口區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽之間的相關(guān)性，利用S1—S13 采樣點(diǎn)的表層水體營(yíng)養(yǎng)鹽實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（包括硝酸鹽、磷酸鹽和硅酸鹽數(shù)據(jù)），對(duì)各營(yíng)養(yǎng)鹽分別進(jìn)行線性、二次多項(xiàng)式、冪和指數(shù)等函數(shù)模型的擬合，得到的各模型結(jié)果見表2。由表2可知，磷酸鹽濃度與硅酸鹽濃度的4種擬合模型的決定系數(shù)R2都在0.85以上，其中，二次函數(shù)（式②）相關(guān)性最好（參與站點(diǎn)數(shù)N=11，R2=0.942 7，RMSE=0.247 7，p<0.01）。硝酸鹽濃度與磷酸鹽濃度的4個(gè)擬合模型中冪函數(shù)（式⑦）擬合度最好（N=11，R2=0.822 4，RMSE=0.644 7，p<0.01）。硝酸鹽濃度與硅酸鹽濃度的4種擬合模型的決定系數(shù)R2都在0.87 以上，其中，二次函數(shù)（式⑩）最佳（N=12，R2=0.955 5，RMSE=0.220 4，p<0.01）。結(jié)果表明，長(zhǎng)江口及鄰近海域表層水體的磷酸鹽、硅酸鹽與硝酸鹽之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性都達(dá)到了顯著水平（p<0.01）。

表2 各營(yíng)養(yǎng)鹽相關(guān)分析結(jié)果Tab.2 Results of correlation analysis of nutrients

3.2 營(yíng)養(yǎng)鹽遙感反演模型的建立與驗(yàn)證

為建立表層水體各營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的GOCI數(shù)據(jù)反演模型，我們?cè)跔I(yíng)養(yǎng)鹽濃度與GOCI 數(shù)據(jù)的相關(guān)性以及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與GOCI波段遙感反射率回歸模型的建立及驗(yàn)證等方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)硝酸鹽濃度遙感反演模型的精度不夠好，因此下文主要針對(duì)磷酸鹽和硅酸鹽遙感反演模型的立和驗(yàn)證進(jìn)行描述。

3.2.1 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與GOCI數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析

為探究表層水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與GOCI波段之間的相關(guān)性，將GOCI影像單波段遙感反射率、各波段遙感反射率的組合（和、差、比值和歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）算法及單波段遙感反射率的對(duì)數(shù)（共128種情形）與磷酸鹽和硅酸鹽濃度的實(shí)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析[10，15]。分析結(jié)果（限于篇幅，相關(guān)數(shù)據(jù)圖表未列出）表明：磷酸鹽、硅酸鹽和硝酸鹽在B5—B8 波段有較高的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)>0.8）；磷酸鹽濃度與GOCI 數(shù)據(jù)各波段組合的遙感反射率的相關(guān)系數(shù)的范圍是-0.934 6～0.891 0，波段組合中有16 個(gè)相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.9；硅酸鹽濃度與GOCI 數(shù)據(jù)的遙感反射率的相關(guān)系數(shù)在-0.851～0.891 之間，波段組合中有22個(gè)相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.8。

3.2.2 營(yíng)養(yǎng)鹽遙感反演模型的建立

根據(jù)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與GOCI波段之間的相關(guān)性分析結(jié)果，選取相關(guān)性高的波段或波段組合為自變量，以營(yíng)養(yǎng)鹽濃度為因變量，分別按線性、二次多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)及冪函數(shù)4 種數(shù)學(xué)模型建立各營(yíng)養(yǎng)鹽與單波段及波段組合之間的回歸反演模型。

為建立磷酸鹽的遙感反演模型，利用PO43--P數(shù)據(jù)與相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值大于0.9 的16 個(gè)GOCI 波段組合進(jìn)行4 種數(shù)學(xué)模型的回歸分析。圖2 為回歸分析結(jié)果中決定系數(shù)R2最大的4個(gè)模型對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)圖和擬合情況。由圖可知，這4 個(gè)模型的R2都在0.93以上，RMSE都小于0.36。基于波段組合B6+B7 建立的二次函數(shù)（N=11，R2=0.932 6，RMSE=0.353，p=0.016）和冪函數(shù)（N=11，R2=0.931 2，RMSE=0.354 8，p<0.01）與基于波段組合B6+B8 建立的二次函數(shù)（N=11，R2=0.931 8，RMSE=0.355 3，p<0.01）和冪函數(shù)（N=11，R2=0.931 4，RMSE=0.356 4，p<0.01）模型的擬合度都很高。基于波段組合B6+B7 建立的二次函數(shù)在4 個(gè)模型中相對(duì)最優(yōu)，其R2最大且RMSE最小，因此選取此模型作為下文中的磷酸鹽驗(yàn)證模型。

圖2 磷酸鹽反演模型Fig.2 Phosphate inversion models

類似地，為建立硅酸鹽的遙感反演模型，利用SiO32--Si 數(shù)據(jù)與相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值大于0.8 的22 個(gè)GOCI 波段組合進(jìn)行線性、二次多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)模型和冪函數(shù)模型回歸分析。圖3為分析結(jié)果中決定系數(shù)R2最大的4 個(gè)模型對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)圖和擬合情況。從中可以看出，這4 個(gè)模型中R2都在0.83 以上，且RMSE在0.4 左右。基于波段B6 建立的二次函數(shù)（N=12，R2=0.834 9，RMSE=0.408 3，p<0.01）和冪函數(shù)（N=12，R2=0.834 9，RMSE=0.408 2，p<0.01）與基于波段組合B6-B8 建立的二次函數(shù)（N=12，R2=0.841 6，RMSE=0.399 9，p<0.01）和冪函數(shù)（N=12，R2=0.842 3，RMSE=0.398 9，p=0.000 2）模型的擬合效果都很好。基于波段組合B6-B8 建立的冪函數(shù)模型相對(duì)最佳，其R2最大且RMSE最小，因此作為下文中硅酸鹽的驗(yàn)證模型。

圖3 硅酸鹽反演模型Fig.3 Silicate inversion models

3.2.3 營(yíng)養(yǎng)鹽反演模型驗(yàn)證

為檢驗(yàn)上述磷酸鹽和硅酸鹽反演模型的有效性，利用C1—C8共8個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。由于C5—C7 站點(diǎn)缺失磷酸鹽實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，C6—C8 站點(diǎn)缺失硅酸鹽實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此為了增加驗(yàn)證的數(shù)據(jù)量，對(duì)于磷酸鹽或硅酸鹽實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺失的站點(diǎn)，依據(jù)營(yíng)養(yǎng)鹽之間的高相關(guān)性，由硝酸鹽數(shù)據(jù)利用表2 中營(yíng)養(yǎng)鹽間的擬合關(guān)系（式⑦和⑩）計(jì)算得到相應(yīng)的磷酸鹽和硅酸鹽數(shù)據(jù)，代表對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)值來(lái)驗(yàn)證反演模型的精度。

利用驗(yàn)證站點(diǎn)的磷酸鹽數(shù)據(jù)對(duì)最優(yōu)的磷酸鹽模型Y=1826.764 1X2+15.947 4X-0.057 5 進(jìn)行驗(yàn)證分析，通過(guò)該模型計(jì)算得到相應(yīng)站點(diǎn)的預(yù)測(cè)值，結(jié)果如表3。由表3可知，該模型反演出的磷酸鹽預(yù)測(cè)值的結(jié)果較好，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間誤差較小，都在0.7 μg/L 以下。8個(gè)站點(diǎn)中只有C8的相對(duì)誤差相對(duì)較大，為-57.69%。經(jīng)計(jì)算，磷酸鹽反演模型的RMSE、MAPE和MRPE分別為0.338 1 μg/L、21.65%和-14.38%。圖4 為實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的散點(diǎn)圖及擬合曲線，圖中左上角列出了擬合曲線所對(duì)應(yīng)的函數(shù)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)。由圖4 可以看出，磷酸鹽反演模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合較好。

表3 營(yíng)養(yǎng)鹽反演模型精度分析Tab.3 Accuracy analysis of nutrient inversion models

圖4 磷酸鹽和硅酸鹽的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的散點(diǎn)圖及擬合情況Fig.4 Scatter plots and fitting of the measured and predicted values of phosphate and silicate

利用驗(yàn)證站點(diǎn)的硅酸鹽數(shù)據(jù)對(duì)最佳的硅酸鹽模型Y=79 567.214 7X2.7514+0.544 7 進(jìn)行驗(yàn)證分析，通過(guò)此模型計(jì)算得到相應(yīng)站點(diǎn)的預(yù)測(cè)值，結(jié)果如表3。由表3可知，該模型反演出的硅酸鹽預(yù)測(cè)值的結(jié)果較好，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的誤差較小，除C6 站點(diǎn)外，其余站點(diǎn)誤差都在0.1 mg/L以下，且相對(duì)誤差都較小。經(jīng)計(jì)算，硅酸鹽反演模型的RMSE、MAPE和MRPE分別為0.246 1 mg/L、6.73%和-4.13%。從圖4可以看出，該模型反演出的硅酸鹽的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性較高，模型預(yù)測(cè)值和參考值非常接近。

綜合表3和圖4，磷酸鹽和硅酸鹽的反演模型驗(yàn)證效果較好，具有良好的預(yù)測(cè)精度，適用于長(zhǎng)江口及附近海域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的反演。

3.3 營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)空變化分析

3.3.1 空間分布和日變化特征

為了分析長(zhǎng)江口及附近海域營(yíng)養(yǎng)鹽的分布情況和日變化特征，應(yīng)用上述營(yíng)養(yǎng)鹽反演模型對(duì)2018年4 月8 日的GOCI遙感影像進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)鹽反演（所選日期內(nèi)的全部8 幅GOCI 遙感影像在研究區(qū)范圍內(nèi)基本無(wú)云覆蓋）。反演結(jié)果如圖5 和圖6 所示，圖中白色區(qū)域表示陸地、云或無(wú)效值區(qū)域，杭州灣內(nèi)的白色區(qū)域主要是由于mMUMM 大氣校正算法造成的數(shù)據(jù)缺失。

圖5是2018年4月8日8:15—15:15長(zhǎng)江口及附近海域表層水體的磷酸鹽濃度反演結(jié)果。圖中可以看出，與前人研究[17]一致，整個(gè)長(zhǎng)江口及附近海域磷酸鹽濃度分布不均勻，各個(gè)海區(qū)的濃度值相差較大，表層水體濃度呈現(xiàn)出由近岸向外海遞減的趨勢(shì)，122°30′E 以東海域基本屬于低值區(qū)。圖中還可以看出在蘇北淺灘附近海域有一個(gè)東南向的舌型高值區(qū)。在長(zhǎng)江口口門內(nèi)，崇明島以西磷酸鹽濃度整體比較低，南支的南槽和北槽汊道口到口門附近，磷酸鹽濃度逐漸增加，尤其是長(zhǎng)興島附近增加較明顯，這一分布與高學(xué)魯?shù)萚34]研究相一致。另外，杭州灣內(nèi)雖然數(shù)據(jù)缺失較多，但仍然可以看出其磷酸鹽濃度整體較高，明顯高于灣外海域。

圖6 是2018 年4 月8 日—日8 景的長(zhǎng)江口及附近海域表層水體的硅酸鹽濃度分布。圖中可以看出，硅酸鹽濃度分布不均勻，近岸高，外海低，122°45′E 以東海域基本處于低值區(qū)，而蘇北淺灘南端和31°N 附近海域呈東和東北向高營(yíng)養(yǎng)鹽水舌繼續(xù)向外海擴(kuò)展。從8:15—10:15的影像可以看出，硅酸鹽濃度在蘇北淺灘和長(zhǎng)江口有明顯高值區(qū)，而在長(zhǎng)江口口門內(nèi)崇明島以西較低且波動(dòng)較小，進(jìn)入南槽和北槽后濃度逐漸增加。雖然杭州灣內(nèi)數(shù)據(jù)存在缺失，但仍可以看出硅酸鹽含量比長(zhǎng)江口口門附近海域和舟山群島海域高。

從圖5 和圖6 可以看出，2018 年4 月8 日8:15 長(zhǎng)江口鄰近海域的磷酸鹽和硅酸鹽濃度最高，隨著時(shí)間的變化，除杭州灣外，其他海域均呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)。為了定量分析長(zhǎng)江口及附近海域的磷酸鹽濃度和硅酸鹽濃度的區(qū)域差異，我們?cè)诤贾轂场㈤L(zhǎng)江口內(nèi)河道、長(zhǎng)江口外北部及長(zhǎng)江口外南部分別取A1、A2、A3 和A4 區(qū)域（具體位置見圖1）的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析，結(jié)果見圖7。

圖6 2018年4月8日硅酸鹽反演結(jié)果Fig.6 Silicate inversion results on April 8，2018

從圖5—7 可以看出，2018 年4 月8 日4 個(gè)區(qū)域8 h 內(nèi)磷酸鹽和硅酸鹽濃度的變化趨勢(shì)相似。在杭州灣，磷酸鹽和硅酸鹽總體上呈先升后降的趨勢(shì)，其濃度的最大值與最小值相差1.45 μg/L和0.51 mg/L。在長(zhǎng)江口內(nèi)河道，兩種營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度變化總體呈先降后升趨勢(shì)，13:15 時(shí)降至最低值，隨后升高，8 h 內(nèi)的變化量分別是0.89 μg/L 和0.71 mg/L。在長(zhǎng)江口外北部，兩種營(yíng)養(yǎng)鹽濃度波動(dòng)較大，總體上呈下降趨勢(shì)，8 h 內(nèi)磷酸鹽與硅酸鹽濃度變化分別是1.84 μg/L 和0.56 mg/L。在長(zhǎng)江口外南部，磷酸鹽和硅酸鹽在8：15—13：15 呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)，之后快速上升，兩種營(yíng)養(yǎng)鹽濃度在8 h 內(nèi)的變化量分別為0.73 μg/L和0.39 mg/L。由此可見，1日8 h內(nèi)4 個(gè)區(qū)域的磷酸鹽濃度變化幅度較大，而硅酸鹽變化較小。

圖5 2018年4月8日磷酸鹽反演結(jié)果Fig.5 Phosphate inversion results on April 8，2018

3.3.2 影響因素分析

2018 年4 月8 日，受長(zhǎng)江沖淡水的影響，長(zhǎng)江口及鄰近海域表層水體的磷酸鹽和硅酸鹽主要分布在蘇北淺灘-長(zhǎng)江口-舟山海域一帶。長(zhǎng)江口口內(nèi)，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度沿徑流入海方向在崇明島附近逐漸增加，這可能是由于沿岸河流（特別是黃浦江）和排污口點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)元素的輸入、水體中泥沙顆粒物的解吸附及水體或沉積物中含磷含硅有機(jī)物的分解造成的，近岸受長(zhǎng)江沖淡水的影響磷酸鹽和硅酸鹽含量較高，呈現(xiàn)由近岸向外海遞減的趨勢(shì)。由于長(zhǎng)江徑流量大，長(zhǎng)江沖淡水出口門后向東南方向擴(kuò)展，分為兩支，一支朝東南方向貼岸南下，大都限制在杭州灣和舟山群島附近海域，一支約在31°N，123°E處左轉(zhuǎn)向北朝東北方向進(jìn)入黃海西南部，直指濟(jì)州島[35-36]，使得杭州灣和舟山群島附近海域的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度也相對(duì)較高。受蘇北沿岸地表徑流和沿岸流的影響，蘇北淺灘附近出現(xiàn)高值區(qū)[37]。122°30′E 以東海域受黑潮表層水的混合影響，呈寡營(yíng)養(yǎng)鹽狀態(tài)，而蘇北淺灘南端和31°N附近硅酸鹽的高營(yíng)養(yǎng)鹽水舌，可能是東北向的長(zhǎng)江沖淡水通過(guò)側(cè)粘滯作用[38]攜帶部分蘇北沿岸流造成的。

為分析研究海域營(yíng)養(yǎng)鹽日變化的機(jī)理和因素，我們利用國(guó)家海洋信息中心提供的2018年4月8日（小潮）岱山、崇明、呂四及沈家門4個(gè)港口的潮汐數(shù)據(jù)繪制了潮位曲線圖。由圖8 可知，當(dāng)日岱山7:00—10:00 為落潮期，10:00—16:00 為漲潮期。杭州灣（A1）作為強(qiáng)潮汐海灣，水體混合作用強(qiáng)烈，磷酸鹽和硅酸鹽在落潮和落憩時(shí)濃度波動(dòng)較大，出現(xiàn)隨漲落潮而降低或升高的現(xiàn)象，即落潮期間，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度升高，落憩時(shí)段營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化最大，磷酸鹽和硅酸鹽濃度達(dá)到最高值，漲潮時(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度逐漸降低。與杭州灣海域類似，長(zhǎng)江口外南部海域（A4）營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的波動(dòng)與離此區(qū)域最近的沈家門驗(yàn)潮站的潮位變化一致，即漲潮期間，磷酸鹽和硅酸鹽濃度逐漸降低，落潮時(shí)，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度逐漸增加。

長(zhǎng)江口內(nèi)（A2）河道8 h 內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度波動(dòng)不大，依據(jù)崇明驗(yàn)潮站的潮汐曲線圖可知，營(yíng)養(yǎng)鹽與潮汐的變化具有明顯的規(guī)律性，落潮時(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度降低，落憩時(shí)段（12:00—13:00）達(dá)到谷值，其后漲潮時(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度不斷上升。造成這種營(yíng)養(yǎng)鹽與潮位變化的原因可能有兩個(gè)，一個(gè)是長(zhǎng)江口內(nèi)河道水深較淺，水體極易混合，另一個(gè)是受到沿岸排口點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)元素的輸入影響[39]。

由呂四驗(yàn)潮站潮汐曲線圖（見圖8）和營(yíng)養(yǎng)鹽的日變化曲線（見圖7）可以發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江口外北部海域（A3）營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化幅度較大，落憩時(shí)段磷酸鹽和硅酸鹽濃度呈現(xiàn)明顯下降，漲潮時(shí)，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度呈現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng)，這可能是由于該區(qū)域以風(fēng)浪為主的混合浪作用強(qiáng)烈，波高較高[40]，導(dǎo)致此區(qū)域8 h 內(nèi)表層營(yíng)養(yǎng)鹽濃度波動(dòng)較大。此外，4 個(gè)區(qū)域在13:15 時(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度都達(dá)到谷值，可能是由于光照不斷增強(qiáng)，促進(jìn)了浮游植物的生長(zhǎng)和繁殖，消耗大量的營(yíng)養(yǎng)鹽所致。由此可見，長(zhǎng)江口及附近海域磷酸鹽和硅酸鹽濃度的日變化主要受到潮汐作用的影響，同時(shí)還與風(fēng)浪、溫度和生物活性有關(guān)。

圖7 2018年4月8日磷酸鹽和硅酸鹽平均含量的日內(nèi)變化Fig.7 Diurnal variation of average phosphate and silicate content on April 8，2018

圖8 2018年4月8日港口潮汐曲線圖Fig.8 Tide curve of port on April 8，2018

4 結(jié)論

基于長(zhǎng)江口及附近海域的實(shí)測(cè)營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)與GOCI 影像各單波段及波段組合的遙感反射率相關(guān)分析，建立了GOCI 影像的長(zhǎng)江口磷酸鹽和硅酸鹽遙感反演模型，并對(duì)2018年4月8日GOCI影像進(jìn)行反演，進(jìn)而分析了營(yíng)養(yǎng)鹽的分布和日變化特征。結(jié)論如下：

（1）利用與營(yíng)養(yǎng)鹽相關(guān)性較好的GOCI 波段或波段組合，建立了針對(duì)磷酸鹽和硅酸鹽二次多項(xiàng)式和冪函數(shù)的GOCI遙感反演模型。在對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，除了利用現(xiàn)場(chǎng)獲得的直接觀測(cè)數(shù)據(jù)外，還利用硝酸鹽與磷酸鹽和硅酸鹽之間的高相關(guān)性，計(jì)算得到營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)缺失站點(diǎn)的磷酸鹽和硅酸鹽的濃度值來(lái)輔助驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示，磷酸鹽和硅酸鹽反演模型的MAPE分別為21.65%和6.73%，表明上述模型預(yù)測(cè)精度良好，適用于長(zhǎng)江口及鄰近海域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的遙感反演。

（2）受長(zhǎng)江沖淡水和蘇北沿岸流的影響，長(zhǎng)江口及鄰近海域表層水體的磷酸鹽和硅酸鹽濃度高值區(qū)主要在蘇北淺灘-長(zhǎng)江口-杭州灣-舟山海域一帶，并呈現(xiàn)近岸向外海遞減的趨勢(shì)。此外，由于黑潮表層水混合影響，122°45′E以東海域呈寡營(yíng)養(yǎng)鹽狀態(tài)。

（3）1 d 8 h 內(nèi)4 個(gè)區(qū)域磷酸鹽濃度的變化幅度較大，而硅酸鹽濃度變化幅度較小。此外，4 個(gè)區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽的日變化規(guī)律與漲落潮變化存在差異，其中杭州灣和長(zhǎng)江口外南部與潮位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，長(zhǎng)江口內(nèi)河道呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明水團(tuán)運(yùn)動(dòng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的日變化有重要影響，而長(zhǎng)江口外北部營(yíng)養(yǎng)鹽與潮位變化基本上不具有規(guī)律性。

受限于篇幅，本文目前只利用春季的GOCI 影像數(shù)據(jù)分析日變化特征，為探究不同水文條件（如波浪、潮汐和河流輸入等）對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽分布與變化的影響，后續(xù)會(huì)進(jìn)一步研究其他季節(jié)和大小潮潮情下的日變化特征。另外，目前采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)較為有限且大多分布在長(zhǎng)江口—舟山等大片海域，將基于這些數(shù)據(jù)構(gòu)建的營(yíng)養(yǎng)鹽反演模型應(yīng)用于其他海域時(shí)，其結(jié)果的準(zhǔn)確性可能會(huì)有一定的影響。后續(xù)應(yīng)強(qiáng)化觀測(cè)，增加數(shù)據(jù)量，特別應(yīng)在杭州灣、長(zhǎng)江航道及蘇北淺灘附近海域采集更多高質(zhì)量的數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化和驗(yàn)證模型。