近海海洋水色遙感技術(shù)對(duì)赤潮的監(jiān)測(cè)

馬寧 母景琴 杜瑞慶

摘 要：我國(guó)近海區(qū)域海水水質(zhì)由于水體富營(yíng)養(yǎng)而呈現(xiàn)變壞的趨勢(shì)，發(fā)生赤潮的次數(shù)越來(lái)越多，而赤潮與水體中葉綠素a、總懸浮物的濃度有關(guān)。通過(guò)遙感平臺(tái)上搭載的探測(cè)器對(duì)海表水色信息進(jìn)行收集與分析，可以高效地對(duì)大面積海域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)地監(jiān)測(cè)，從而為海洋防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：海洋水色 遙感技術(shù) 水體富營(yíng)養(yǎng)化 赤潮 葉綠素a 總懸浮物

中圖分類號(hào)：P273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（a）-0007-02

我國(guó)近海區(qū)域海水水質(zhì)隨著沿海經(jīng)濟(jì)的發(fā)展呈現(xiàn)變壞的趨勢(shì)，近幾十年發(fā)生過(guò)多次赤潮，其主要原因就是水體富營(yíng)養(yǎng)化。在漁業(yè)上，赤潮直接帶來(lái)了巨大損失，有時(shí)候赤潮還威脅到人類與動(dòng)物的生命。因此，找到發(fā)生赤潮的規(guī)律及赤潮產(chǎn)生的原因至關(guān)重要，這就需要對(duì)近海區(qū)域海水水質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，除了現(xiàn)場(chǎng)采集海水樣品進(jìn)行分析研究之外，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)海水水質(zhì)的監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到人們的重視。

1 水體富營(yíng)養(yǎng)化

富營(yíng)養(yǎng)化是指水體在自然因素和（或）人類活動(dòng)的影響下，大量營(yíng)養(yǎng)鹽（如氮、磷等）隨著流水流入到湖泊、水庫(kù)、河口、海灣等水體，使水體在比較短的時(shí)間內(nèi)由貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)向的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)變化的一種現(xiàn)象。在不受人類干擾或很少受到人類干擾的自然條件下，湖泊這種從貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)過(guò)渡到富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的自然過(guò)程非常緩慢，一般需要上千年或更長(zhǎng)時(shí)間；而人為排放的工業(yè)廢水與生活污水中含有大量的使水體富營(yíng)養(yǎng)化的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此在短時(shí)間內(nèi)可以使水體富營(yíng)養(yǎng)化，且這種狀態(tài)會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。其最主要的表現(xiàn)是：藻類及其它浮游生物的繁殖速度變快，藻類等大量生物越來(lái)越多，使水體含氧量下降，水質(zhì)逐漸惡化，因?yàn)槿鄙傺鯕舛沟敏~類及其他生物大量死亡[1]。

水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象時(shí)的最主要表現(xiàn)是：浮游藻類大量繁殖，即所謂的“水華”。由于占優(yōu)勢(shì)的浮游藻類因種類不同而擁有不同的顏色，水面往往呈現(xiàn)不一樣的顏色：例如藍(lán)色、紅色、棕色、乳白色等。海洋中的“赤潮”就是海水中出現(xiàn)了這樣的現(xiàn)象。

評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化的方法主要有：營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，營(yíng)養(yǎng)度指數(shù)法和評(píng)分法。營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法中根據(jù)水體透明度制定的卡爾森指數(shù)是最常用的評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化的方法之一。后來(lái)，日本的相崎守弘等人提出了修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSIM），即以葉綠素a濃度為基準(zhǔn)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。這也是近海水域海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)使用最多的一個(gè)指數(shù)。

除了浮游植物對(duì)水色的影響，懸浮物和黃色物質(zhì)對(duì)海洋水色也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此，在研究近海海洋水色時(shí)，也要考慮到這些因素。

2 我國(guó)近海區(qū)域赤潮發(fā)生情況

赤潮是對(duì)近海區(qū)域海水水質(zhì)影響最大的自然災(zāi)害之一。它是由于海水富營(yíng)養(yǎng)化造成海洋浮游生物過(guò)度繁殖而致使海水變色的現(xiàn)象。大部分赤潮是有毒的，一般會(huì)造成漁業(yè)經(jīng)濟(jì)的損失，甚至?xí)?dǎo)致海洋生物的死亡，甚至?xí)斐扇诵笏劳?。因此，赤潮已?jīng)成為全球海洋的公害之一，如何減少赤潮的發(fā)生、如何監(jiān)測(cè)赤潮從而得到它的發(fā)生規(guī)律等科研課題已經(jīng)成為國(guó)際海洋環(huán)境研究的重要內(nèi)容。

隨著我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)和沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)赤潮災(zāi)害發(fā)生越來(lái)越頻繁。如圖1所示，在上個(gè)世紀(jì)90年代中期，我國(guó)沿海每年發(fā)生赤潮的平均次數(shù)不超過(guò)10次；進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，每年發(fā)生的赤潮次數(shù)逐年高速增加，2003是赤潮發(fā)生次數(shù)最多的年份，為119次；隨后10年以來(lái)，赤潮發(fā)生次數(shù)盡管有所減少，但一直維持在60次以上的高位，只是在2011年和2013年發(fā)生次數(shù)稍低于60次。按此規(guī)律發(fā)展，我國(guó)沿海發(fā)生赤潮的次數(shù)將維持在40次以上的高位。赤潮災(zāi)害是我國(guó)海洋環(huán)境研究的重要內(nèi)容之一，其監(jiān)測(cè)與防治成了當(dāng)今海洋環(huán)保的重大課題。

目前，我國(guó)對(duì)于赤潮災(zāi)害的監(jiān)測(cè)手段主要有：船舶定點(diǎn)監(jiān)測(cè)、岸站和浮標(biāo)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星（航空）遙感監(jiān)測(cè)等手段。海洋水色遙感技術(shù)是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的最新監(jiān)測(cè)手段，它的優(yōu)點(diǎn)是：可提供大面積、長(zhǎng)期、定點(diǎn)連續(xù)的觀測(cè)。利用多種監(jiān)測(cè)手段對(duì)比研究，是了解赤潮發(fā)生時(shí)間、覆蓋面積、發(fā)生的程度和擴(kuò)散方向、發(fā)生規(guī)律等的重要手段[2]。

3 海洋水色遙感技術(shù)

海洋水色是指海水的顏色，從深藍(lán)到碧綠，從微黃到棕紅。大洋海水顏色多為蔚藍(lán)，沿岸海水則多呈淡綠色。海洋水色遙感技術(shù)是近年興起的海洋探測(cè)技術(shù)。它通過(guò)各種遙感平臺(tái)上的探測(cè)器對(duì)海洋表面的水色進(jìn)行探測(cè)，反演出海洋水體中的葉綠素濃度、泥沙含量及黃色物質(zhì)濃度，進(jìn)而得到關(guān)于海洋的各種信息。

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，水色遙感器也經(jīng)歷了幾個(gè)階段的發(fā)展。

（1）1978年，美國(guó)航空航天局成功發(fā)射了海岸帶水色掃描儀CZCS（Coast zone color scanner）衛(wèi)星，它是第一顆極軌水色衛(wèi)星[3]。它被用來(lái)探測(cè)I類水體，它的水色波段有443nm、520nm、550nm共3個(gè)，可以對(duì)衛(wèi)星下點(diǎn)39°進(jìn)行掃描；由于當(dāng)時(shí)硬件的限制，中數(shù)量化級(jí)別只有8bit，因此與后來(lái)的水色遙感器相比，它的光譜分辨率與輻射靈敏度都相對(duì)較低[4]。不過(guò)，CZCS第一次實(shí)現(xiàn)了從太空對(duì)海洋水色相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，為以后的水色遙感器的發(fā)展指明了方向。

（2）第二代海洋水色遙感器為海洋寬視場(chǎng)觀測(cè)儀SeaWiFS（sea viewing wide field of view sensor），它搭載在水色衛(wèi)星SeaStar上。此時(shí)，遙感器的硬件比上世紀(jì)70年代末有了長(zhǎng)足的發(fā)展，它補(bǔ)充了CXCS的數(shù)據(jù)集，波段從3個(gè)增加到8個(gè)，數(shù)據(jù)量級(jí)數(shù)也從8bit提高到10bit，可在星下點(diǎn)53.8度進(jìn)行掃描。與第一代水色遙感器相比，它的噪聲較低、精度較高，且波段可以進(jìn)行優(yōu)化配置[5]。

（3）中等分辨率成像光譜儀MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）搭載在Terra與Aqua衛(wèi)星上，它是第三代的海洋水色遙感器。它被認(rèn)為是SeaWiFS的接替者，每天分別于上、下午從北向南穿越赤道。它于星下55度進(jìn)行進(jìn)行掃描，波段大大增加到36個(gè)，數(shù)量化級(jí)也提升到12bit。同期發(fā)展起來(lái)的還有中等分辨率遙感器如MERIS（16bit），它們?cè)跉v史上都為監(jiān)測(cè)海洋水色做出了一定的貢獻(xiàn)[6]。

（4）地球靜止水色圖像儀GOCI（Geostationary ocean color imager）搭載在韓國(guó)于2009年發(fā)射的第一顆地球靜止氣象衛(wèi)星COMS（communication ocean and meterological satellite）上的水色遙感器，它的波段設(shè)置與SeaWiFS、MODIS相似，但不獲取從可見(jiàn)光到近紅外共8個(gè)波段的遙感物理量，另外它的連續(xù)觀測(cè)時(shí)間比較長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)范圍固定且較大[7]。它觀測(cè)到的數(shù)據(jù)誤差小、數(shù)據(jù)缺失率低，既可提供短期的觀測(cè)，也可提供長(zhǎng)期的觀測(cè)，對(duì)海洋系統(tǒng)循環(huán)變化、海上突發(fā)事件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及手續(xù)消除治理等工作都有很重要的作用，發(fā)展前景良好[8]。

GOCI的水質(zhì)參數(shù)算法包括葉綠素算法、總懸浮物TSS（Total suspended solid）算法、有色可溶性有機(jī)物質(zhì)CDOM（colored dissolved organic matter）算法、赤潮指數(shù)RI（redtide index）算法、植被指數(shù)算法等。收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)大氣校正，可對(duì)“赤潮”的發(fā)生進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)水色物質(zhì)、海上溢油、海上傾廢處理進(jìn)行長(zhǎng)期大面積監(jiān)測(cè)。

GOCI曾經(jīng)對(duì)我國(guó)黃海及東海大面積飄浮綠藻進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，掌握了這些綠藻的擴(kuò)散方向及動(dòng)態(tài)變化，為監(jiān)測(cè)“赤潮”的發(fā)生提供了非常有價(jià)值的信息，也為當(dāng)?shù)貪O業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)部門提供了海上災(zāi)害預(yù)警，也為我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)提供了大量有用且可靠的海洋水色信息。

4 結(jié)語(yǔ)

從20世紀(jì)90年代以來(lái)，我們近海發(fā)生赤潮的次數(shù)呈現(xiàn)出不斷增加并在高位徘徊的趨勢(shì)，由于赤潮會(huì)給人類帶來(lái)巨大的損失，對(duì)于赤潮的監(jiān)測(cè)則顯得非常重要。赤潮發(fā)生時(shí)，海洋水色會(huì)發(fā)生一定的變化，通過(guò)搭載在衛(wèi)星上的海洋水色遙感器對(duì)海洋水色進(jìn)行大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可掌握赤潮發(fā)生的情況，從而找到赤潮發(fā)生的規(guī)律，可以為將來(lái)找到赤潮發(fā)生原因并減少赤潮發(fā)生次數(shù)打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王明翠，劉雪芹，張建輝.湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2002，18（5）：47-49.

[2] 張春桂，曾銀東，張星，等.海洋葉綠素a 濃度反演及其在赤潮監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2007，18（6）：821-831.

[3] 陳淼.海洋水色衛(wèi)星遙感算法綜述[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2005.