基于SST的珊瑚礁白化監(jiān)測技術(shù)綜述

孫 旋， 蔡玉林， 索琳琳， 夾尚豐

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590； 2.海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266590)

0 引言

珊瑚一般分為造礁珊瑚與非造礁珊瑚2大類。非造礁珊瑚多是單體，少數(shù)為小型的塊狀或枝狀復(fù)體，這類珊瑚蟲的內(nèi)外胚層之間沒有蟲黃藻共生，適應(yīng)性強(qiáng)，特別是在低溫和各種深度的環(huán)境中均能生存。而在造礁珊瑚的體內(nèi)，共生有大量的蟲黃藻，正是它們?yōu)樯汉魅旧辖k麗的色彩。蟲黃藻可以進(jìn)行光合作用，一面制造養(yǎng)料，一面為造礁珊瑚的生長清除代謝的廢料和提供氧氣。然而蟲黃藻需要生長在22～30 ℃且有一定含鹽度的海水中，它的光合作用還要求有充分的日照，因此地球上的珊瑚礁大都分布在S30°～N30°之間水深小于50 m的熱帶和亞熱帶淺水海域[1]。然而，珊瑚是一種活生物，極度敏感。如果海水水溫超過一定范圍，珊瑚就會拋棄蟲黃藻[2]，恢復(fù)成白色，如果蟲黃藻不再復(fù)活，珊瑚就會死去。珊瑚礁白化就是由于珊瑚失去體內(nèi)共生的蟲黃藻和(或)共生的蟲黃藻失去體內(nèi)色素而導(dǎo)致五彩繽紛的珊瑚礁變白的生態(tài)現(xiàn)象[3]。溫度作為影響珊瑚健康狀態(tài)的重要因子得到了學(xué)者們廣泛的關(guān)注。

據(jù)估計，地球上的珊瑚礁面積近300 000 km2，其中90%以上分布于印度洋—太平洋海域，包括澳大利亞、中國南海、紅海和印度洋群島。大西洋和加勒比海也有少量的珊瑚礁分布，但不到全球總量的1/10[1]。20世紀(jì)90年代以來全球珊瑚礁持續(xù)衰退，除了受到異常氣候(如厄爾尼諾)的影響外，全球氣候變暖的趨勢也給珊瑚礁的生長帶來了不利影響[4]。1997—1998年間異常高溫導(dǎo)致了全球大面積珊瑚礁白化，造成全球珊瑚礁損失了16%[5]。近年來，部分海區(qū)頻繁發(fā)生的珊瑚礁白化不僅導(dǎo)致了區(qū)域性珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重退化，而且已經(jīng)影響到了全球珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的平衡，受到了人們的高度重視。

我國南海分布著許多珊瑚島礁[6]，受人類活動和全球變暖的雙重影響，很大一部分珊瑚礁正處于嚴(yán)重退化之中[7]，加之受2015—2016年間超強(qiáng)厄爾尼諾事件的影響，海水異常高溫對珊瑚礁產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，近年來利用遙感數(shù)據(jù)獲取海水表層溫度來監(jiān)測珊瑚礁白化現(xiàn)象已然被證明是可靠且有效的。這些產(chǎn)品已成功監(jiān)測了全球幾起大規(guī)模的珊瑚礁白化事件，例如大堡礁白化事件和加勒比海珊瑚礁白化事件等[8-10]。因此，基于海表溫度(sea surface temperature,SST)的珊瑚礁白化監(jiān)測方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 溫度變化對珊瑚礁的影響

引起珊瑚礁白化的原因有很多，經(jīng)研究表明，極端異常的氣候條件，尤其是溫度、紫外線輻射和光合有效輻射等因素發(fā)生明顯異常，會造成淺水熱帶珊瑚礁白化[2]。其中，影響最為嚴(yán)重的是海水溫度異常。研究表明，大規(guī)模珊瑚白化事件是由越來越頻繁和嚴(yán)重的異常海水溫度造成，并且是造成全球珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)衰退的最顯著因素之一[8,11]。

早在1931年Yonge等[12]就提到溫度升高脅迫珊瑚失去蟲黃藻而發(fā)生白化現(xiàn)象； 朱葆華等[13]認(rèn)為珊瑚生長的最適宜溫度范圍為23～28 ℃，大于或小于該范圍，珊瑚會因其體內(nèi)的共生藻脫離而出現(xiàn)白化。通過他們的實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)溫度為32 ℃時，經(jīng)過一段時間(18 h)以后，大部分共生藻都會從珊瑚里游離出來，使珊瑚發(fā)生白化現(xiàn)象。由此可以得出，溫度是誘導(dǎo)珊瑚發(fā)生白化的一個重要因素。

在較高的溫度下(一般指超過30 ℃)，珊瑚體內(nèi)的共生藻會出現(xiàn)光抑制，造成光合電子傳遞的效率降低[14-16]。也就是說，共生藻的光合作用在較高的溫度下會受到損害，在更高的溫度下(34 ℃以上)，其光合作用則完全停止。Warner等[17]對此進(jìn)行了更深入的研究，他們認(rèn)為在較高的溫度下，共生藻的光系統(tǒng)Ⅱ(photosystem Ⅱ，PSⅡ)受到損害是珊瑚白化的一個決定因素； 另外，在高溫下超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和過氧化氫酶的活性均降低，共生體(珊瑚和共生藻)代謝產(chǎn)生的超氧陰離子自由基和過氧化氫則會逐漸積累，對共生體的毒害也就越來越大[18]。因此，共生藻游離是共生體遭遇不良環(huán)境的指示。

Glynn等[19]證明了珊瑚對于一段時間的持續(xù)熱脅迫的累積非常敏感，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水溫高出夏季最高溫度1 ℃時，珊瑚就會受到壓迫，進(jìn)入應(yīng)激狀態(tài)，當(dāng)共生藻及其主體珊瑚蟲的共生關(guān)系在不同的環(huán)境脅迫下發(fā)生分解時，珊瑚蟲將擺脫其組織中的共生藻，通過透明的珊瑚組織可以看到底部的白色碳酸鈣骨架，即發(fā)生珊瑚礁白化，當(dāng)短暫的環(huán)境脅迫過去之后，珊瑚通常會從輕度白化中恢復(fù)過來，新植的海藻逐步恢復(fù)它們的顏色； Berkelmans等[20]指出，環(huán)境水溫只要高出珊瑚耐受程度的1～2 ℃，就可能導(dǎo)致珊瑚白化，且熱脅迫持續(xù)數(shù)周將會導(dǎo)致大規(guī)模的白化現(xiàn)象。如果熱脅迫程度很強(qiáng)，并且持續(xù)時間較長，就會導(dǎo)致珊瑚死亡； Wilkinson[11]提出珊瑚礁白化已成為珊瑚礁系統(tǒng)退化最重要的原因，在適宜的環(huán)境條件下，對于嚴(yán)重白化的珊瑚需要幾十a(chǎn) 時間才能恢復(fù)正常。

由此可見，溫度過高是影響全球珊瑚礁白化的主導(dǎo)因素，而通過SST變化監(jiān)測來估測全球珊瑚礁白化程度是非常有效的方法。

2 NOAA白化監(jiān)測產(chǎn)品簡介

早在1997年，美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)的國家環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心(National Environmental Satellite, Data, and Information Service，NESDIS)就開始發(fā)布衛(wèi)星獲取的全球近實(shí)時夜間SST產(chǎn)品，空間分辨率為50 km，每周更新2次，來監(jiān)測珊瑚礁白化狀況，并通過熱脅迫估測全球范圍內(nèi)的珊瑚礁白化程度。該組織在2000年發(fā)展珊瑚礁監(jiān)測計劃(coral reef watch，CRW)[21]，CRW的早期實(shí)驗(yàn)性產(chǎn)品是由Goreau等[22]和Montgomery等[23]提出的。在2002年9月—2003年2月之間，該產(chǎn)品對全球范圍內(nèi)的珊瑚礁區(qū)域成功地進(jìn)行珊瑚白化預(yù)警，因此隨之轉(zhuǎn)向?yàn)椤罢竭\(yùn)營”狀態(tài)。這些業(yè)務(wù)產(chǎn)品由NESDIS提供并支持24 h/7 d的實(shí)時監(jiān)測，從而對引起珊瑚礁白化的環(huán)境狀況進(jìn)行全球范圍的持續(xù)監(jiān)測[2]。

目前CRW珊瑚礁白化監(jiān)測和評估的遙感產(chǎn)品包括： SST異常值、SST、珊瑚白化熱點(diǎn)、珊瑚白化周熱度(degree heating weeks,DHW)、白化預(yù)警區(qū)、虛擬站、SST/DHW時間序列和衛(wèi)星白化預(yù)警等[22]。這些產(chǎn)品是由CRW在NOAA / NESDIS利用極地運(yùn)行環(huán)境衛(wèi)星(polar operational environmental satellite，POES)的甚高分辨率輻射計(advanced very high resolution radiometer，AVHRR)獲得的空間分辨率為0.5°(約50 km)的SST數(shù)據(jù)產(chǎn)生的。相對于白天—夜晚獲取的數(shù)據(jù)，選擇夜間衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以消除由太陽光照對SST造成的影響，避免太陽光污染，從而提高測量精度[23]。下文是CRW主要產(chǎn)品的簡介及選取的各種產(chǎn)品在2016年11月4日的監(jiān)測結(jié)果示意圖。

2.1 SST 異常值

SST異常值也稱海表溫度距平值。該產(chǎn)品直觀地表示出了全球SST的異常程度。為了計算SST異常值，還需要先了解一下SSTclimatology，該參數(shù)可以解釋為長期的平均SST，即“氣候型SST”。CRW用7 a(1985—1990年和1993年)中每個月的月平均氣候型溫度插值得到每天的氣候型溫度[24]。規(guī)定月平均氣候型溫度是相應(yīng)月份第15天的氣候型溫度，采用線性插值方法對相鄰2個月的月平均氣候型溫度進(jìn)行插值，從而求得其他日期的氣候型溫度值，即

(1)

式中：SST_cearly為距離待求日最近的2個15號中較靠前的那個月份的月平均氣候型溫度；SST_clater為靠后那個月份的月平均氣候型溫度(即當(dāng)前月份15號的氣候型溫度)；D1為發(fā)布SST_cearly的日期；D2為發(fā)布SST_clater的日期；DSST為待求日的日期。

SST異常為每日SST與SSTclimatology之間的差值，表示某天的SST與正常情況下該天的溫度(即氣候型溫度)之間的差異，表示溫度異常幅度的大小，即

SSTanomaly=SST-SSTclimatology，

(2)

式中SSTanomaly為SST異常。

CRW定義MMMclimatology為月平均SSTclimatology的最大值。

圖1是2016年11月4日的5 km空間分辨率的SST異常值產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)來自NOAA珊瑚礁監(jiān)測官方網(wǎng)站(http: //coralreefwatch.noaa.gov/satellite/bleaching5km/index.php)，其中溫度距平值為正時用暖色表示，數(shù)值從黃色到紅色依次遞增； 數(shù)值為負(fù)時用冷色表示，絕對值由藍(lán)色到紫色遞增。

圖1 2016年11月4日SST異常值

2.2 白化熱點(diǎn)

白化熱點(diǎn)[21,25]是指SST與最熱月平均溫度的差值，描述了一個地區(qū)的SST高出該地區(qū)長期以來的最熱月溫度的程度。計算公式為

(3)

式中Hotspot為白化熱點(diǎn)，℃[25]。

2013年發(fā)布的5 km空間分辨率產(chǎn)品的高空間和高時間分辨率使得對珊瑚礁白化監(jiān)測和評估的精度明顯提高，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的大規(guī)模近岸覆蓋，且縮小了由云覆蓋引起的數(shù)據(jù)差異[2]。但由于已發(fā)布數(shù)據(jù)的時間太短，還不足以計算出長期氣候型數(shù)據(jù)，因此CRW用AVHRR Pathfinder Version 5.2 (PFV5.2)從1985—2012年間的SST數(shù)據(jù)計算得到氣候型溫度，進(jìn)而求得每天的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)[2]。

圖2是2016年11月4日的白化熱點(diǎn)產(chǎn)品。該圖根據(jù)CRW的SST產(chǎn)品數(shù)據(jù)制作，圖中顏色表示SST高出最熱月平均溫度的程度，數(shù)值由藍(lán)到紅依次遞增。

圖2 2016年11月4日珊瑚礁白化熱點(diǎn)

2.3 DHW

珊瑚白化由來自海水溫度的長期熱脅迫造成，而白化熱點(diǎn)是珊瑚受到熱脅迫強(qiáng)度的度量，它只能表示珊瑚在某個時間點(diǎn)的熱脅迫程度，無法表示出持續(xù)的累積效果，為此需要一個能揭示溫度對珊瑚產(chǎn)生長期熱脅迫作用效果的指數(shù)，于是DHW的概念應(yīng)運(yùn)而生。DHW表示給定區(qū)域內(nèi)最近12周的白化熱點(diǎn)的累積值，由于初期的實(shí)驗(yàn)監(jiān)測表明溫度低于1 ℃的熱點(diǎn)值不足以對珊瑚產(chǎn)生明顯的熱脅迫，因此，只有白化熱點(diǎn)大于(或等于)1 ℃時才有累積[6]。當(dāng)溫度高出最熱月平均溫度1 ℃(即白化熱點(diǎn)等于1 ℃)時，稱該節(jié)點(diǎn)為白化閾值[19]，珊瑚對于溫度高于白化閾值的敏感性較強(qiáng)，因此當(dāng)溫度高于該閾值時，珊瑚受到的熱脅迫會不斷累積，利用最近12周的熱點(diǎn)累積值表示珊瑚持續(xù)受到的熱脅迫程度。一個DHW等于一周的白化熱點(diǎn)水平保持在1 ℃，或者半個星期的白化熱點(diǎn)水平保持在2 ℃，單位為℃-周。由于50 km空間分辨率的SST數(shù)據(jù)每周更新2次，因此50 km 空間分辨率的DHW計算公式為

(4)

由于5 km空間分辨率的數(shù)據(jù)是每天更新一次，因此最近12周共有84次數(shù)據(jù)，故5 km空間分辨率的DHW計算公式為

(5)

圖3是2016年11月4日的DHW產(chǎn)品。該圖表明在過去12周內(nèi)大于(或等于)1 ℃的熱點(diǎn)累積。藍(lán)色區(qū)域表示DHW為0～4 ℃-周，對珊瑚礁的熱脅迫較微弱； 黃色區(qū)域表示DHW為4～8 ℃-周，對珊瑚礁的熱脅迫作用明顯，該區(qū)域的珊瑚礁發(fā)生白化的可能性較大； 紅色以及DHW>12℃-周的區(qū)域，珊瑚礁已經(jīng)白化或者死亡。圖例中從左到右表示DHW數(shù)值依次遞增。

圖3 2016年11月4日珊瑚礁白化DHW

2.4 白化預(yù)警區(qū)域

CRW開發(fā)了珊瑚礁白化預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)白化熱點(diǎn)和DHW對珊瑚礁白化區(qū)域進(jìn)行分級，更清晰地表示出珊瑚礁白化區(qū)域的分布及其嚴(yán)重情況，從而做出預(yù)報警示。由珊瑚礁現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)相比得到的監(jiān)測結(jié)果表明，當(dāng)DHW值達(dá)到4 ℃-周時，珊瑚會出現(xiàn)一定程度的白化現(xiàn)象，當(dāng)DHW值高達(dá)8 ℃-周時，則會出現(xiàn)大規(guī)模的珊瑚白化甚至死亡現(xiàn)象?；诖耍珻RW針對DHW的不同取值范圍將珊瑚礁白化程度進(jìn)行分級，作出白化預(yù)警分級圖[6,9]。圖4為2016年11月4日的白化預(yù)警分級產(chǎn)品,表1為白化預(yù)警級別。

圖4 2016年11月4日珊瑚礁白化預(yù)警區(qū)域

珊瑚礁白化預(yù)警級別預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)影響無危險Hotspot≤0—白化監(jiān)視0

3 中國南海應(yīng)用案例

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域

我國南海位于E99°9′～121°11′，N2°45′～23°24′，北靠我國大陸和臺灣島，東接菲律賓群島，南鄰加里曼丹島和蘇門答臘島，西接中南半島和馬來半島。南海境內(nèi)分布有東沙群島、西沙群島、南沙群島和中沙群島等200多個島嶼，包括許多珊瑚礁和珊瑚島。南海和南海諸島全部在北回歸線以南，接近赤道，屬赤道帶、熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)。隨著全球變暖以及人類活動的影響，南海中珊瑚礁白化程度日益嚴(yán)重，部分地區(qū)的珊瑚礁生命危在旦夕，監(jiān)測并保護(hù)珊瑚礁的行動已刻不容緩。為此，本文在南海區(qū)域內(nèi)選取有代表性的A點(diǎn)(N16°12′，E112°16′)為樣點(diǎn)。該點(diǎn)位于西沙群島的宣德群島附近，周圍分布著浪花礁、玉琢礁和盤石嶼等多個珊瑚島礁。

3.2 珊瑚礁白化監(jiān)測

根據(jù)5 km空間分辨率的SST數(shù)據(jù)繪出樣點(diǎn)A在2015年每月平均SST的趨勢圖，如圖5所示。圖中紅點(diǎn)是A點(diǎn)最熱月平均SST。圖5中顯示，該點(diǎn)6月、8月和9月份的月平均SST明顯高于最熱月平均SST，說明該時間下的熱點(diǎn)值大于0，有可能發(fā)生珊瑚礁白化現(xiàn)象。為了進(jìn)一步監(jiān)測可能發(fā)生白化的具體日期，以6月份為例，提取6月份每天SST數(shù)據(jù)并繪出其變化趨勢，如圖6。

圖5 2015年A點(diǎn)月平均SST變化趨勢

圖6 2015年6月份A點(diǎn)的SST變化趨勢

由圖6可看出，2015年6月7—30日的SST明顯高于A點(diǎn)6月最熱月平均溫度值，說明該月溫度相對于多年同月份偏高且時間較長，極有可能已經(jīng)給珊瑚礁帶來熱脅迫，該地區(qū)的珊瑚礁發(fā)生白化的可能性較大。因此，分別選取該時間段內(nèi)(4周)的SST數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的近12周的SST數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此求出每天的白化熱點(diǎn)和相應(yīng)的DHW。選取有代表性的6 d(5，7，12，18，23和28日)，如圖7—8所示，可以看出，A點(diǎn)附近在6月18日左右的熱點(diǎn)值最大，而且熱點(diǎn)值有向北移動的趨勢。

(a) 6月5日 (b) 6月7日 (c) 6月12日

(d) 6月18日 (e) 6月23日 (f) 6月28日

圖72015年6月份6d的白化熱點(diǎn)

Fig.7Bleachinghotspotsof6daysinJune，2015

(a) 6月5日 (b) 6月7日 (c) 6月12日

(d) 6月18日 (e) 6月23日 (f) 6月28日

圖82015年6月份6d的周熱度

Fig.8Degreeheatingweeksof6daysinJune，2015

在圖8中，南海區(qū)域在6月18日、23日和28日的DHW較大，說明該區(qū)域在最近3個月內(nèi)的熱點(diǎn)累積較大，該區(qū)域的珊瑚礁發(fā)生白化的可能性較大。

根據(jù)白化預(yù)警分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，每7 d作出一幅白化預(yù)警分級最大值圖(圖9)，并獲得2015年6月份的白化預(yù)警分級最大值(圖10)。

(a) 第1周 (b) 第2周

(c) 第3周 (d) 第4周

圖92015年6月份4周的白化預(yù)警分級最大值

Fig.9MaximumofbleachingalertareaoffourweeksinJune,2015

由圖10可看出，南海大部分區(qū)域?qū)儆诎谆O(jiān)視(黃色區(qū)域)和白化警告(橘黃色區(qū)域)級別，其中白化監(jiān)視級別說明該部分的熱點(diǎn)取值范圍為0～1 ℃，該區(qū)域內(nèi)的珊瑚礁并沒有太大危險； 白化警告級別說明該區(qū)域的DHW取值為0～4 ℃-周，熱脅迫已經(jīng)存在，對珊瑚礁已經(jīng)產(chǎn)生影響，有可能導(dǎo)致珊瑚礁白化； 小部分屬于白化警報級別1(紅色區(qū)域)，該區(qū)域的DHW取值為4～8 ℃-周，說明該區(qū)域的熱脅迫已經(jīng)對珊瑚礁的生存構(gòu)成威脅，珊瑚礁發(fā)生白化的可能性較大。

4 結(jié)論

1)本文對使用NOAA發(fā)布的50 km與5 km空間分辨率的SST系列產(chǎn)品來監(jiān)測珊瑚礁白化的方法進(jìn)行了綜述。通過對比2種空間分辨率的原始數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)更新周期，闡述了不同空間分辨率的熱點(diǎn)和周熱度的計算方法，為以后開展珊瑚礁白化監(jiān)測工作提供參考。

2)以中國南海為例，基于NOAA SST產(chǎn)品對該區(qū)域進(jìn)行珊瑚礁白化監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)中國南海部分區(qū)域的珊瑚很可能已發(fā)生白化，分析結(jié)果顯示中國南海大部分海域已達(dá)白化警告的級別，部分海域出現(xiàn)一級警報級別，說明該海域發(fā)生珊瑚礁白化的可能性較大，應(yīng)當(dāng)引起人們的重視。

3)目前，我國珊瑚礁白化監(jiān)測研究工作尚未成熟，由于缺乏實(shí)地監(jiān)測數(shù)據(jù)，無法實(shí)地驗(yàn)證南海區(qū)域珊瑚礁白化情況。本文采用CRW提出的監(jiān)測方法所做的研究案例表明，中國南海部分區(qū)域很可能已發(fā)生珊瑚礁白化，所以有必要借鑒CRW的監(jiān)測方法開展相關(guān)研究，例如發(fā)展珊瑚礁白化監(jiān)測算法、選擇適應(yīng)于我國海域的預(yù)警閾值標(biāo)準(zhǔn)、基于更高空間分辨率的SST數(shù)據(jù)開發(fā)適合于我國的珊瑚礁白化監(jiān)測產(chǎn)品以及開發(fā)珊瑚礁白化預(yù)警業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)等，以此監(jiān)測珊瑚礁白化程度并管理和保護(hù)好珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)。

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