基于MODIS的2019年中國(guó)南黃海綠潮生消過(guò)程分析

劉旭，田杰，吳彬鋒，滕駿華，何恩業(yè)

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081；2.北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京100083）

1 引言

綠潮通常是指由于大型綠藻（如滸苔）的過(guò)度增殖、生長(zhǎng)和聚集而形成的一種生態(tài)災(zāi)害[1]，它不僅給海洋生態(tài)環(huán)境帶來(lái)一定的影響，也給我國(guó)南黃海沿岸造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2-4]。自2007年首次監(jiān)測(cè)到青島滸苔綠潮規(guī)模性聚集以來(lái)[5-6]，國(guó)內(nèi)外藻類(lèi)學(xué)、生態(tài)學(xué)、物理海洋學(xué)以及遙感學(xué)等不同領(lǐng)域?qū)＜覈@綠潮展開(kāi)研究[7-8]，主要集中在滸苔災(zāi)害暴發(fā)的原因[9-13]、生物學(xué)機(jī)制[14]和遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)[15-17]等方面。

相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)調(diào)查評(píng)估方法[18]，遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)具有大范圍、全天候、多頻次和低成本的特點(diǎn)[5-6，19]，是監(jiān)測(cè)和預(yù)判綠潮時(shí)空分布特征的有效手段[6，20]。目前，利用海洋一號(hào)衛(wèi)星（HY-1C）、中分辨率成像光譜儀（MODerate resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）、環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星（HJ-1）、地球靜止海洋水色成像儀（Geo-stationary Ocean Color Imager，GOCI）、高分一號(hào)衛(wèi)星（GF-1）、Landsat 8等光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）數(shù)據(jù)基本實(shí)現(xiàn)了綠潮的綜合監(jiān)測(cè)[16，21-24]，其中，MODIS影像具有幅寬大、數(shù)據(jù)源穩(wěn)定、光譜信息豐富和免費(fèi)獲取的特點(diǎn)，可保障數(shù)據(jù)的連續(xù)性和綠潮的大范圍宏觀監(jiān)測(cè)[22，25]。但是，MODIS數(shù)據(jù)存在空間分辨率較低（250 m）的問(wèn)題，應(yīng)用的歸一化植被指數(shù)法（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）存在混合像元等問(wèn)題，從而導(dǎo)致滸苔覆蓋面積提取誤差偏高，制約了滸苔遙感監(jiān)測(cè)的應(yīng)用效率和綠潮災(zāi)害的應(yīng)急決策水平。

綠潮覆蓋面積的精細(xì)化提取逐漸成為綠潮遙感研究熱點(diǎn)，方法主要包括線性混合光譜模型、模糊監(jiān)督分類(lèi)模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等[16-17，25]，其中混合像元分解模型可有效提高精度。研究綠潮生消過(guò)程及其影響因素對(duì)于分析預(yù)判南黃海綠潮分布特征和災(zāi)害預(yù)警具有重要指導(dǎo)意義[26-29]。本文采用線性像元分解法對(duì)2019年綠潮覆蓋面積進(jìn)行提取，跟蹤監(jiān)測(cè)并分析了水溫和降雨對(duì)我國(guó)南黃海滸苔規(guī)模性生長(zhǎng)和聚集過(guò)程的影響，以期為綠潮高發(fā)區(qū)的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)及防災(zāi)減災(zāi)提供信息支撐。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

研究區(qū)域?yàn)槟宵S海海域（33°～38°N，119°～123°E），區(qū)域內(nèi)主要城市為青島、日照、連云港和鹽城。遙感數(shù)據(jù)采用250 m分辨率的MODIS數(shù)據(jù)。篩選出2019年5—9月綠潮在南黃海海域生長(zhǎng)爆發(fā)期間，云覆蓋度較低且成像條件較好的36景影像作為研究數(shù)據(jù)，對(duì)2019年綠潮演變進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析[30]。水溫和降雨量數(shù)據(jù)來(lái)源于日照和呂泗浮標(biāo)（10 m），時(shí)間分辨率為1 h。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用ENVI（ENvironment for Visualizing Images）軟件對(duì)影像進(jìn)行幾何校正、大氣校正、鑲嵌裁剪和陸地掩膜等處理（見(jiàn)圖1），選取影像中的1波段、6波段、8波段和26波段的反射率數(shù)據(jù)，利用多波段閾值法提取云像元，進(jìn)行云掩膜處理[31]。

圖1 基于MODIS數(shù)據(jù)綠潮覆蓋面積提取流程圖

2.3 NDVI閾值法

滸苔在可見(jiàn)光紅光波段反射率較低，在近紅外波段反射率較高，與水體的光譜差異較為明顯[15，31]。監(jiān)測(cè)方法主要包括單波段閾值法、多波段比值算法、葉綠素α濃度反演算法、圖像分類(lèi)法、NDVI、歸一化藻類(lèi)指數(shù)和漂浮藻類(lèi)指數(shù)等方法[16，32-35]。綜合對(duì)比各算法的監(jiān)測(cè)能力，NDVI對(duì)綠潮各個(gè)生長(zhǎng)階段的監(jiān)測(cè)能力均較強(qiáng)，這也是海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程推薦采用的方法[18]，因此選用NDVI法對(duì)滸苔生消演變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

NDVI算法是基于近紅外的反射峰與紅光波段葉綠素引起的強(qiáng)吸收谷之間的差值特征建立的植被信息提取模型，公式如下：

式中，N DV I為歸一化植被指數(shù)；R為反射率；N IR為近紅外通道；R ED為紅光通道。對(duì)于MODIS傳感器，N I R選取波段2，R ED選取波段1。

理論上，當(dāng)海面ND V I＞0時(shí)，初步判定為發(fā)生綠潮。但是，MODIS遙感影像還會(huì)受到薄云和條帶噪聲的影響，在實(shí)際操作中，還需結(jié)合假彩色合成圖像進(jìn)行閾值調(diào)整和判定[30]。用NDVI閾值法提取含有滸苔的像元，應(yīng)用滸苔像元對(duì)光譜分解結(jié)果掩膜，與假彩色合成影像建立動(dòng)態(tài)分析過(guò)程，通過(guò)動(dòng)態(tài)NDVI閾值進(jìn)行綠潮圖斑分割[30，36]。

3 結(jié)果與分析

3.1 綠潮信息提取結(jié)果

基于假彩色合成圖篩選出無(wú)云或少云覆蓋的36期MODIS衛(wèi)星遙感影像，特別選取11期滸苔爆發(fā)階段的監(jiān)測(cè)結(jié)果著重分析（見(jiàn)表1）。滸苔生命周期（4月下旬—9月中旬）總體可分成5個(gè)階段：初期發(fā)育期（4月下旬—5月中旬）、中期生長(zhǎng)期（5月中旬—6月上旬）、快速生長(zhǎng)期（6月上旬—7月上旬）、成熟白化期（7月上旬—中旬）和快速消亡期（7月中旬—9月中旬）。在遙感影像上，初期發(fā)育期表現(xiàn)為零星的小斑塊滸苔，中期生長(zhǎng)期逐漸成長(zhǎng)為小聚集性條帶狀大斑塊，快速生長(zhǎng)期表現(xiàn)規(guī)模性大斑塊，成熟白化期表現(xiàn)為滸苔斑塊NDVI值出現(xiàn)高轉(zhuǎn)低的過(guò)程，快速消亡期為斑塊消失的過(guò)程。從滸苔出現(xiàn)到消亡的過(guò)程中，根據(jù)MODIS影像綠潮聚集區(qū)出現(xiàn)時(shí)間、位置、聚集形態(tài)、邊緣線及不同生長(zhǎng)階段亮度變化等因素，結(jié)合當(dāng)日海面風(fēng)和海流的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，通過(guò)人機(jī)交互識(shí)別覆蓋面積內(nèi)綠潮聚集區(qū)邊緣線，將2019年綠潮分成4個(gè)波次（見(jiàn)表1）。圖2為綠潮的遙感反演圖。一般情況下，滸苔初期發(fā)育于江蘇鹽城附近，MODIS滸苔反演假彩圖呈現(xiàn)出零星小斑塊滸苔漂移；中期生長(zhǎng)期隨著滸苔向北漂移，生物量增加并呈現(xiàn)出小聚集性條帶狀大斑塊特征；快速生長(zhǎng)期滸苔生物量迅速增加，表現(xiàn)為規(guī)模性大斑塊（見(jiàn)圖2a）；成熟白化期表現(xiàn)為滸苔斑塊NDVI值出現(xiàn)高轉(zhuǎn)低的過(guò)程（見(jiàn)圖2b中圈2）；快速消亡期表現(xiàn)為斑塊消失的過(guò)程（見(jiàn)圖2b中圈1）。

圖2 綠潮遙感反演圖（黃色線圈為分波標(biāo)記，數(shù)字表示滸苔生成波次）

表1 2019年南黃海綠潮分布動(dòng)態(tài)變化表

4月下旬，首次發(fā)現(xiàn)零星滸苔漂浮位于江蘇鹽城外海。6月4日，遙感監(jiān)測(cè)到綠潮覆蓋面積達(dá)到61 km2，分布面積約為18 000 km2，第一波滸苔分布范圍前緣位置為121o26′E，35o42′N(xiāo)，距離青島市和乳山市分別約90 km和100 km。根據(jù)《HY/T 217-2017綠潮預(yù)報(bào)和警報(bào)發(fā)布》標(biāo)準(zhǔn)[1]，當(dāng)日覆蓋面積達(dá)到小規(guī)模綠潮水平，分布面積達(dá)到較大規(guī)模綠潮水平，因此加密監(jiān)測(cè)頻率。6月15日，滸苔覆蓋面積達(dá)到較大規(guī)模綠潮水平，分布面積達(dá)到大規(guī)模綠潮水平，可發(fā)布黃色警報(bào)，并監(jiān)測(cè)到新生成的第四波綠潮呈條帶狀生長(zhǎng)分布。6月23日，覆蓋面積達(dá)到較大規(guī)模綠潮水平，分布面積達(dá)到特大規(guī)模綠潮水平，均達(dá)到本年度峰值，可發(fā)布黃色警報(bào)。

6月29日，綠潮覆蓋面積和分布面積開(kāi)始逐漸縮小，第一波滸苔已未能監(jiān)測(cè)到，第二波滸苔臨近海陽(yáng)和乳山并有少量登陸，第四波滸苔仍處于生長(zhǎng)階段。7月1—8日，第二波滸苔陸續(xù)登陸海陽(yáng)、乳山、文登和榮成，并于7月12日開(kāi)始逐漸消亡。7月1—12日，第三波滸苔陸續(xù)登陸即墨、青島、海陽(yáng)和乳山，7月12日進(jìn)入成熟白化階段。7月8—15日，第四波滸苔登陸日照、青島、即墨、海陽(yáng)和乳山，7月12日起生長(zhǎng)速率逐漸減弱。在MODIS影像中，滸苔登陸時(shí)斑塊亮度仍較強(qiáng)，因此推斷尚未到達(dá)白化成熟階段。登陸后，斑塊亮度明顯減弱，NDVI值逐漸減小，推斷進(jìn)入白化成熟期和快速消亡期。8月中旬—9月中旬還有少量殘余滸苔。截止到9月中旬，在MODIS影像上仍有部分可見(jiàn)，但距離海岸線較遠(yuǎn)，判斷不會(huì)再次造成綠潮災(zāi)害。

從滸苔生活史過(guò)程看，初期發(fā)育期隨著水溫上升（10～15℃），滸苔開(kāi)始大量萌發(fā)繁殖進(jìn)入中期生長(zhǎng)期。當(dāng)達(dá)到最適宜條件時(shí)（15～20℃），滸苔進(jìn)入快速生長(zhǎng)期。當(dāng)水溫高于最適宜條件范圍（25℃）時(shí)，進(jìn)入成熟白化期[37-40]。除了環(huán)境條件改變外，快速生長(zhǎng)期之后還伴隨著滸苔登陸和打撈工作的開(kāi)展，也是綠潮覆蓋面積減小的主要因素[39]。

3.2 環(huán)境條件對(duì)綠潮覆蓋面積的影響

位置距鹽城較近的呂泗浮標(biāo)的水溫于3月14日達(dá)到10℃，4月17日達(dá)到15℃，5月18日達(dá)到20℃。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)設(shè)置溫度梯度分析滸苔對(duì)溫度的敏感性，結(jié)果表明滸苔適宜生長(zhǎng)水溫范圍為10～25℃，最高生長(zhǎng)率水溫范圍為15～20℃，最適宜萌發(fā)水溫為20℃[27]，25℃以上滸苔配子/袍子不具有耐高溫性[40]。呂泗浮標(biāo)4月下旬水溫達(dá)到15℃，鹽城附近有零星滸苔漂浮[40]，出現(xiàn)日期水溫與實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)結(jié)論較為吻合（見(jiàn)圖3）。因此，即便MODIS難以在早期觀測(cè)到滸苔零星漂浮，推斷呂泗浮標(biāo)首個(gè)15℃對(duì)滸苔初期發(fā)育日期有一定的指導(dǎo)意義。

圖3 綠潮覆蓋面積與日照浮標(biāo)溫度和降水量相關(guān)性分析圖

6月4日，MODIS開(kāi)始觀測(cè)到大量滸苔漂浮，位置相對(duì)較近的日照浮標(biāo)水溫達(dá)到17℃，處于最高生長(zhǎng)率水溫范圍。5月15日日照浮標(biāo)水溫達(dá)到15℃，6月17日達(dá)到20℃。6月15日，監(jiān)測(cè)出現(xiàn)第四波滸苔，說(shuō)明滸苔在此期間快速繁殖。6月23日，滸苔覆蓋面積達(dá)到全年最大值，水溫達(dá)到22℃。在中期成長(zhǎng)期和快速生長(zhǎng)期階段，MODIS監(jiān)測(cè)綠潮面積變化日期水溫與實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)結(jié)論較為吻合。因此，推斷日照浮標(biāo)水溫達(dá)到15℃后，有規(guī)模性綠潮出現(xiàn)，水溫達(dá)到20℃后，可能出現(xiàn)大規(guī)模爆發(fā)，達(dá)到全年最大值。6月23日后，滸苔面積開(kāi)始逐漸減小，日照浮標(biāo)水溫7月23日達(dá)到25℃，超過(guò)了滸苔適宜生長(zhǎng)水溫。

對(duì)比結(jié)果表明綠潮不同階段的水溫作用差異明顯，呂泗浮標(biāo)表明水溫超過(guò)15℃觸發(fā)綠潮，而日照浮標(biāo)表明水溫超過(guò)15℃進(jìn)入綠潮中期成長(zhǎng)期，超過(guò)20℃可能出現(xiàn)最大覆蓋面積，超過(guò)25℃基本進(jìn)入成熟白化期和快速消亡期。以上結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近[27，40-42]，因此在MODIS監(jiān)測(cè)綠潮過(guò)程中，參考水溫因素會(huì)對(duì)綠潮監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)具有一定的輔助作用。

營(yíng)養(yǎng)鹽是滸苔生長(zhǎng)的重要條件，突發(fā)的大氣降水能使表層營(yíng)養(yǎng)鹽濃度提高，給滸苔生長(zhǎng)提供必要的生長(zhǎng)條件[43-44]。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的不同營(yíng)養(yǎng)鹽條件下滸苔生長(zhǎng)速率的研究表明，滸苔對(duì)N的需求很高，添加Fe和Mn等微量元素可明顯促進(jìn)滸苔的生長(zhǎng)與繁殖。在2019年的綠潮監(jiān)測(cè)過(guò)程中，6月5—8日存在有效降雨，總降雨量為377 mm，6月10日滸苔總覆蓋面積達(dá)到300 km2；6月13—15日，總降雨量為64 mm，6月15日滸苔總覆蓋面積達(dá)到560 km2；7月5—7日，總降雨量達(dá)到290 mm，7月5日滸苔總覆蓋面積為227 km2，7月8日滸苔總覆蓋面積為254 km2。由此可見(jiàn)，降水與綠潮覆蓋面積存在一定的相關(guān)性，推斷大量降水后有利于綠潮的規(guī)模形成。

4 結(jié)論與展望

本文基于250 m分辨率的MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用NDVI法提取了2019年南黃海綠潮信息，采用浮標(biāo)水溫和降雨量數(shù)據(jù)，分析其對(duì)綠潮生消的影響。從綠潮發(fā)生的時(shí)間來(lái)看，2019年滸苔災(zāi)害最早出現(xiàn)時(shí)間為4月下旬，最晚時(shí)間為9月中旬。4月底—6月初為滸苔初期發(fā)育期和中期生長(zhǎng)期，6月初—7月初為集中爆發(fā)階段（快速生長(zhǎng)期），滸苔的覆蓋面積、分布面積和密集度都達(dá)到最大。7月初前3波滸苔逐漸進(jìn)入成熟白化期，7月中旬第四波滸苔影響逐漸減弱。8月上旬—9月中旬滸苔逐漸消亡。

從綠潮的空間分布來(lái)看，2019年滸苔首先在江蘇鹽城外海出現(xiàn)，此后陸續(xù)在海陽(yáng)、乳山、文登、榮成、即墨、青島和日照濱海海域登陸，其中青島市在6月29日—7月15日持續(xù)有滸苔登陸。2019年遙感監(jiān)測(cè)綠潮最大覆蓋面積為780 km2，最大分布面積為59 420 km2，達(dá)到大規(guī)模綠潮水平，可發(fā)布黃色警報(bào)，6月24日自然資源部北海局啟動(dòng)了綠潮災(zāi)害二級(jí)應(yīng)急響應(yīng)。

海水溫度在綠潮不同階段差異明顯，呂泗浮標(biāo)顯示水溫超過(guò)15℃觸發(fā)綠潮，報(bào)道出現(xiàn)零星滸苔漂浮。日照浮標(biāo)顯示水溫超過(guò)15℃進(jìn)入綠潮中期成長(zhǎng)期，MODIS影像開(kāi)始出現(xiàn)綠潮規(guī)模性生長(zhǎng)，水溫達(dá)到20℃后，綠潮可能出現(xiàn)最大覆蓋面積，水溫超過(guò)25℃基本進(jìn)入綠潮成熟白化期和快速消亡期，綠潮覆蓋面積開(kāi)始減小并且NDVI值減小。降水帶來(lái)了大量的營(yíng)養(yǎng)鹽，且降水與綠潮覆蓋面積存在一定的相關(guān)性，大量降水后有利于綠潮的規(guī)模形成。因此，在綠潮遙感監(jiān)測(cè)過(guò)程中，綜合水溫和降雨等因素有利于對(duì)綠潮的生消時(shí)間和覆蓋面積變化進(jìn)行預(yù)判，從而為綠潮防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

下一步工作主要集中在提高綠潮遙感精細(xì)化提取準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上，研究環(huán)境因素對(duì)滸苔生消過(guò)程的定量關(guān)系，尤其是對(duì)不同波次滸苔生消過(guò)程的差異性影響，從而為綠潮爆發(fā)預(yù)警提供精細(xì)化信息服務(wù)。