黄海绿潮分布年际变化分析＊

黄 娟，吴玲娟*，高 松，李 杰

(1．国家海洋局北海预报中心，山东 青岛266061;2．山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东 青岛266061)

绿潮指海洋大型藻类在一定环境条件下暴发性增殖或聚集形成大面积漂浮的海洋生态异常现象。绿潮在全球沿岸海域暴发并造成严重危害的现象变得越来越频繁，发生地理范围也日趋增大，已经成为一种世界性的海洋灾害。从1980年美国、加拿大、荷兰、法国、日本和韩国等国家均暴发过绿潮灾害，法国沿岸海域尤为严重。我国黄海也连续7年暴发大规模绿潮，对2008年青岛奥运会帆船/板赛和2012年的海阳亚洲沙滩运动会等诸多海上赛事造成了困难，对水产养殖、滨海旅游、海上交通运输等相关产业的影响尤为严重。虽然绿潮连年暴发，但是每年分布特征都不尽相同，例如，2009年绿潮发生比2008年晚约半个多月;2009年绿潮的规模比其他年份都大，但是仅停留在大公岛附近海域，只有零星绿潮登陆青岛沿岸;其他年份都在青岛沿岸登陆，特别2008年大量绿潮逼近青岛影响奥帆赛场［1，2］，在岸滩产生大量堆积。

目前的研究大部分聚焦于黄海绿潮的分布特征和成因以及追溯其来源，但关于绿潮覆盖和分布面积、漂移路径的年际变化方面的研究鲜有报道。基于卫星遥感的黄海绿潮的分布特征研究方面:李大秋等［3］从MODIS卫星图像发现绿潮在黄海多呈条带状分布;Thorpe［4］从合成孔径雷达(SAR)图像中发现，浒苔条带之间距离大部分为1～1．5 km，并认为是小的拉弥尔环流条带逐步合并的结果。Qiao［5］指出浒苔条带基本消除了风场下游海浪中的小尺度波动，风场下游区域水体而不是浒苔本身使得海洋遥感图像出现异常。在绿潮溯源研究方面，相关学者基于MODIS卫星图像［6，7］、分子系统学和脂肪酸组成的GCMS分析［8］和浒苔样品遗传多样性分析［9］研究结果表明，青岛近海漂浮浒苔是从外海漂移过来的。范士亮等［10］通过分析2009～2010年海上连续跟踪观测资料，发现2009和2010年黄海漂浮绿潮藻最早发现于江苏南通小洋口外的太阳岛附近，其发生发展过程比较相似，但发生时间、规模和漂移路径有所差异;还有学者利用海洋数值模拟方法［11］，发现2008年绿潮主要来源于黄海南部江苏连云港和盐城近海海域。此外，还有研究认为2008年黄海绿潮的形成种来源于江苏省紫菜栽培筏架，绿潮的暴发与江苏省紫菜栽培面积的扩大密切相关［12］，也有学者认为二者之间并没有关系［13］。上述大部分研究是追溯某些年份黄海绿潮的源头，但利用多年监测资料追溯绿潮源头和早期分布的相关研究鲜有报道。

因此，本文利用2008～2013年综合监测资料分析绿潮分布的年际变化，并利用绿潮溯源模式和卫星首次发现的绿潮位置追溯近6年绿潮早期分布。

1 数据来源

2008～2013年绿潮发生期间，国家海洋局北海预报中心每天利用可见光/微波遥感卫星数据、航空、船舶、陆岸巡视等多源、多时相监测数据，进行绿潮信息处理，并基于多源、多时窗数据融合技术对所提取的绿潮信息进行融合［14］，为绿潮漂移预测和溯源模式提供初始场，同时为研究绿潮分布、发生发展和漂移机理等提供依据。可见光和微波卫星遥感数据是绿潮业务化监测的主要手段，其他数据为辅。

1．1 可见光数据

可见光数据主要包括美国NASA TERRA/AQUAMODIS和中国环境与灾害监测卫星(HJ-1A、B)等免费光学数据。MODIS是新一代“图谱合一”的光学遥感仪器，具有36个光学通道，分布在0．4～14μm的电磁波谱范围内。MODIS的地面分辨率分别为250 m、500 m和1 000 m，能够覆盖整个黄海。MODIS每天两次过境，是一种可确保连续观测的数据源。“环境减灾-1”卫星(HJ-1A、B)是我国自主研发的首颗专门用于环境与灾害监测的卫星，空间分辨率优于30 m，可实现2天一次的重复观测。可见光遥感数据的预处理包括几何纠正、云检测、裁切(MODIS)或拼接(HJ-lA、B)，信息提取包括植被指数计算和阈值分割［15］。

1．2 微波数据

微波遥感具有不受天气条件影响、全天时、全天候的监测能力，是监测绿潮的重要手段。绿潮业务监测采用的是COSMO SAR卫星数据。该卫星是意大利发射的，具有响应时间短、影像分辨率高、成像带宽大、定位精度高等特点，工作在L波段，空间分辨率为25～100 m，极化方式VV，幅宽200 km，入射角在20到35°之间。其数据预处理包括SAR卫星影像几何纠正、裁切和增强Lee滤波处理;信息提取包括绿潮识别、阈值分割和亮区提取。

1．3 其他监测数据

根据绿潮发生发展情况，利用航空遥感、船舶、陆岸巡视等方式进行监测。绿潮的航空遥感监测基于同步获取的高光谱、多光谱扫描仪和DSS数码相机绿潮监测影像，利用成像光谱仪提供的绿潮区域连续光谱信息，优化多光谱扫描仪和DSS绿潮信息提取算法，提取绿潮航空遥感监测数据。

2 绿潮分布和漂移路径年际变化特征

2．1 卫星首次发现时的绿潮分布信息

统计2008～2013年卫星遥感首次发现的绿潮分布情况(图1和表1)，可以看出，首次发现绿潮的时间在5月中旬至6月初，其中2013年最早，2009年最晚。绿潮主要发生在黄海南部江苏盐城外海(120．5～122．5°E，33．0～34．7°N)，或集中或分散。覆盖面积在3．5～16 km2之间，分布面积在330～1 414 km2之间。

图1 2008～2013首次被卫星遥感发现时的绿潮分布(其中2010-6-2代表2010年6月2日)Fig．1 The distribution of green tide when it is recognized by satellite images for the first time from 2008 to 2013(where 2010-6-2 represents June 2，2010)

2．2 绿潮最大覆盖及分布面积

2008～2013年，绿潮每年出现最大覆盖及分布面积时间和规模不同。出现最大覆盖面积和最大分布面积的时间基本上一致。从表1看出，2012和2011年分别是绿潮最大分布面积出现时间最早和最晚年份，分别出现在6月13日和7月19日，相差1个多月。2012年和2013年绿潮最大覆盖和分布面积出现在6月，其他年份则出现在7月。2009年是绿潮面积最大年份，最大覆盖面积达到了2 100 km2，分布面积58 000 km2;2012年为绿潮面积最小年份，最大覆盖面积仅为267 km2，最大分布面积为19 610 km2;其他各年的最大覆盖面积在530～790 km2之间，最大分布面积范围25 000～29 800 km2。

一般情况下，较大的覆盖面积对应着较大的分布面积，但这两个面积的年际变化趋势并不完全一致。比如，2010和2013年绿潮最大分布面积相当(29 800 km2和29 733 km2)，但前者的绿潮最大覆盖面积明显小于后者。因此，绿潮分布密度也是衡量绿潮规模的一个重要指标，其计算公式为:绿潮分布密度(%)=绿潮覆盖面积/分布面积×100%。2009年为绿潮分布密度最大的一年，达到3．62%;2013年次之，为2．66%;2012年的分布密度最小，仅为1．36%;其余3年都在2%左右。

2．3 绿潮同期覆盖及分布面积年际变化

6～7月是绿潮发生发展最为重要的月份。综合绿潮出现时间以及卫星数据覆盖范围等情况，分别选取不同年份6月初和7月初绿潮的分布情况进行绿潮同期比较分析。从图2a看出，6月初绿潮不同年份分布位置和规模有比较明显的差异。2009年绿潮主要位于江苏盐城外海，而2008年绿潮已位于青岛朝连岛海域;2008年6月初绿潮的覆盖和分布面积是近6年中最大的，2010年6月初是卫星刚发现绿潮，均位于其发现位置，其覆盖和分布面积都很小。从图2b看出，7月1日前后绿潮主要分布在34°～37°N之间，位置和分布范围相对一致，除2009年外都不同程度地影响到青岛近岸海域。

表1 2008～2013年绿潮发生发展情况Tab．1 the development of green tide from 2008 to 2013

图2 2008～2013年6月初(a)、7月初(6月底)(b)绿潮同期分布情况Fig．2 The distribution of green tide during early June and early July(late June)from 2008 to 2013

2．4 绿潮漂移路径年际变化

2008～2013年绿潮总体都向偏北方向移动，大部分年份影响日照、青岛、乳山、威海、烟台等近岸海域，但是漂移路径在方向和时间上具有明显的年际变化(图3)。2008年绿潮向西北方向漂移，并在青岛登陆;2009年和2010年先向西北方向漂移，然后向东北方向漂移，但是2009年未在青岛登陆;2011年和2012年先向偏北方向漂移，再向西北方向漂移，2011年比2012年整体偏西。2013年先向偏西北方向漂移，再向偏北方向漂移，最后向西北方向运动，5月22日后漂移趋势与2011年相似，整体更偏西，对近岸影响大。近6年绿潮除了2009年外都在青岛登陆，2008年对青岛影响最严重，因此着重分析2008年和2009年绿潮移动路径的差异。

2008年和2009年绿潮的漂移趋势明显不同。综合监测结果显示2008年5月中旬，在盐城外海域发现稀疏绿潮分布;5月底至6月下旬，江苏如东、连云港海域出现大面积漂浮绿潮，并向北偏西方向漂移，在青岛及周边海域聚集、发展，6月25日前后，漂浮绿潮先后大量登陆青岛、日照、烟台、海阳等市沿岸，6月29日前后，绿潮分布面积达到最大。其后，一直维持对该海域的影响，直至7月中下旬，绿潮分布面积明显减小;8月上旬聚集绿潮基本消失(图4a)。2009年黄海绿潮发生比2008年晚约15天。6月初在黄海中部盐城外海域发现明显漂浮绿潮;6月中下旬黄海中部海域出现大面积漂浮绿潮，最近距青岛附近的大公岛68 km;此后缓慢的向北偏东方向漂移，至7月中旬分布面积最大;7月下旬绿潮分布在青岛、烟台、海阳等市近岸海域，之后逐渐消亡(图4b)。2009年绿潮的规模比2008年更大，但绿潮影响停留在青岛、烟台、海阳等市近海域，仅有零星绿潮登陆青岛沿岸;这与2008年大量绿潮登陆青岛的情况明显不同。

3 绿潮早期分布特征

由于缺乏绿潮早期发生发展的监测资料，所以我们利用2008～2013年最早通过卫星监测的绿潮所在位置和绿潮溯源模型，获取绿潮早期分布。

3．1 绿潮溯源模型

绿潮溯源采用三维全动力ROMS海洋模式，该模式由Rutger University与UCLA共同研究开发完成。与其他模式相比有许多值得关注的特点，比如:其使用的S坐标系使得在温跃层和底边界层等这些让人更感兴趣的层面上有更高的解析度;在水平对流、垂向混合等问题的处理上，也有更多的方案可供选择等。Ezer等［16］发现ROMS可减少计算误差，提高计算效率。同时，有强大的开发团队，不断更新ROMS模块。该模式作为主要的海洋业务化模式之一，在COOPS已经开始大量使用［17，18］，并将其列为今后5年业务化海洋模式重要模式之一。

根据绿潮所在位置，采用两重嵌套技术，建立2个区域模式:大区域是西北太平洋海域(99°～148°E，9°S～44°N)，水平分辨率0．1°，垂向25层;小区域是东中国海(117．5°～135°E，24°～41°N)，水平分辨率1/30°，垂向16层。模式地形来源于GEBCO(General bathymetric Chart of Oceans)分辨率为1'×1'的数据，并采用海图水深和Google Earth进行水深和岸线订正。大区域模式采用全球海洋模式(HYCOM+NCODA Global 1/12°Analysis)模式的水位、流场、温盐场等输出结果作为初值和边值场，采用北海预报中心业务化WRF大气模式的风场和热通量场作为大气强迫场。小区域模型采用业务化预报东中国海WRF风场和热通量场驱动模式;采用大区域每天业务化预报的结果作为小区的初值和边值场，同时考虑长江、黄河、辽河等主要河流的作用;边界上采用M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1等8个分潮和小区预报结果驱动，为溯源模型提供海洋环境动力场。

在不考虑绿潮自身生态特征的情况下，其在海水中的移动可以看作是质点跟随海流的物理运动，所以采用拉格朗日粒子反向追踪方法建立绿潮溯源模型。粒子追踪方法采用粒子随机走动模式来模拟粒子的运动。每个粒子的位移变量都可以由Lagrange方程来确定;粒子群的运动特性是一个随机过程，它的条件概率密度函数可以由相应的Fokker-Planck方程决定。将对流扩散方程转化为Fokker-Planck形式，数值求解粒子的Lagrange方程，确定每个粒子的位移，从而实现粒子的动态追踪，达到粒子运动过程数值模拟的目的［19］。Lagrange粒子反向追踪法就是通过该方法在时间上反向积分，计算出上一时刻粒子所在的位置。该方法已广泛应用到溢油、绿潮和水母等漂移和溯源研究中［20～22］。

图3 2008年～2013年绿潮漂移路径趋势图Fig．3 The drift trend of green tide during early June and early July(late June)from 2008 to 2013

3．2 2008～2013年绿潮早期分布情况

从图5可以看出，2012～2013年绿潮早期分布位置和形状虽然不一致，漂移路径有所不同，但总体都是由南向北漂移;回溯到各年4月中旬至5月初时，虽然绿潮回溯的时间和位置每年各异，但是基本都分布于苏北浅滩的东沙、竹根沙和蒋家沙附近海域(图5中红圈范围)。这与早期监测的结果比较一致。

4 讨论和结论

通过分析近6年黄海绿潮综合监测资料，发现首次通过卫星发现的绿潮分布、绿潮最大覆盖及分布面积、同期覆盖及分布面积以及漂移路径等分布特征具有明显的年际变化。1)通过卫星首次发现绿潮的时间一般在5月中旬～6月初，一般分布于在黄海南部江苏盐城外海;2)绿潮每年最大分布和覆盖面积之间、出现时间差异都加大。2009年是绿潮面积最大年份，最大覆盖(分布)面积达到了2 100(58 000)km2，约为最小年份(2012年)的8(3)倍，出现时间最多相差约35天。3)近6年绿潮总体都向偏北方向移动，不同程度影响日照、青岛、乳山、威海、烟台等近岸海域，但漂移路径存在向东北或西北偏转的具有明显年际变化。4)基于数值模拟的研究发现，回溯到每年4月中旬至5月初时，绿潮基本上都分布于苏北浅滩东沙、竹根沙和蒋家沙附近海域。

综上所述，绿潮分布和漂移路径存在明显的年际变化特征。关于其成因，国内学者主要认为绿潮所在海域的海面风与表层环流的年际变化是绿潮漂移路径年际变化的因素之一［1］。但由于绿潮海藻具有较高的营养盐吸收能力和多种多样的繁殖方式［，］，绿潮自身独特的生物学特点、海水富营养化以及环境因子等因素在其中所起的作用，尚不清楚，有待进一步研究。

图4 2008年(a)和2009年(b)黄海绿潮分布和漂移趋势图Fig．4 The distribution and drift trend of green tide during 2008(a)and 2009(b)

图5 2008年～2013年绿潮早期溯源和分布(图中蓝色线代表首次通过卫星发现的绿潮，黑色线代表绿潮漂移轨迹，红圈所包含的范围指回溯到各年4月中旬至5月初绿潮的范围)Fig．5 The origin and distribution of green tide from 2008 to 2013(blue lines represent the green tide recognized by satellite images，black lines represent its drift trajectory，red circles contains the possible origin of green tide)

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