2015年黄海浒苔演变特征的遥感分析

陆荣洋, 申 辉, 李大伟



2015年黄海浒苔演变特征的遥感分析

陆荣洋1, 2, 申 辉1, 李大伟1, 2

(1. 中国科学院海洋研究所, 山东青岛 266071; 2. 中国科学院大学, 北京100039)

为揭示2015年黄海区域浒苔演变特征, 利用MODIS(moderate-resolution imaging spectrometer)数据, 通过计算漂浮藻类指数(floating algae index, FAI)建立了浒苔信息的数据集, 进而获取了浒苔的时空变化规律特征。研究发现, 5月13日浒苔条带最早出现在苏北近岸, 之后浒苔条带向北和向东漂移, 浒苔覆盖面积逐渐变大; 向北漂移的浒苔逐渐发展成大规模聚集的形态, 而向东的条带仍旧是分散的形态; 向北漂移的浒苔条带6月12日到达半岛顶端后出现大规模登陆的情况, 登陆的依次顺序为乳山—青岛—海阳; 在苏北近岸的浒苔一直持续到8月5日。对2015年浒苔时空演变特征与往年情况进行初步对比分析, 发现其与2013年浒苔漂移路径和登陆过程存在显著差异, 具有很强的年际差异。

黄海; 浒苔; MODIS(moderate-resolution imaging spectrometer); 遥感

浒苔是一种在中国近海常见的绿潮藻类。在一定环境条件下, 浒苔的暴发性繁殖和高度聚集将形成绿潮灾害[1-3], 例如, 2008年北京奥运会期间, 在青岛外海出现大量浒苔, 引起了世界的广泛关注。事实上, 在2000年以后, 黄东海海域就已观测到浒苔条带的零星存在, 但未出现浒苔条带大规模聚集的情况[4]。2008年以后每年都会有大量浒苔出现在南黄海, 成为一种常规性的绿潮灾害。有研究结果表明此绿潮灾害首先是在苏北沿岸产生, 然后受风场流场驱动产生漂移[5-6]。在漂移过程中遇到适宜的海洋环境后发生大规模的增殖繁殖, 而后出现浒苔大规模聚集的情况。黄东海绿潮灾害的规模具有年际变化的特征, 2008~2013年, 浒苔暴发规模最小的是2012年,覆盖面积为267 km2, 分布面积为19 610 km2, 2009年暴发规模最大, 实际覆盖面积达到2 100 km2, 分布面积则有58 000 km2[7-8]。

自2008年以后每年都会在苏北沿岸和山东半岛南部海域观测到浒苔。姜鹏等[9]的研究表明绿潮浒苔没有在青岛本地形成自然种群。刘峰等[10-11]发现苏北沿岸的动物水产养殖池、辐射沙洲的水样和底泥中存在浒苔的微观繁殖体, 并推测黄海绿潮的“种源”很可能就是存在于苏北辐射沙洲的浒苔微观繁殖体中。刘东艳等[12-13]对江苏紫菜栽培筏架上的绿藻进行分子鉴定, 并分析江苏近几年的紫菜栽培发展情况, 认为黄海绿潮浒苔来源于江苏的紫菜筏架, 而黄海的绿潮大规模聚集正是与江苏的紫菜栽培大规模发展时期相对应。李瑞香等[14]、李俭平等[15]研究了营养盐对浒苔生长的影响, 发现浒苔的生长需要大量的营养盐, 对氮的需求要高于磷。基于以上研究结果, 目前对于黄东海绿潮灾害的发展过程初步认为, 起源于江苏沿岸, 而后主要是向北漂移, 在黄海区域水质条件适宜的情况下形成大规模繁殖聚集, 最终登陆沿海各地。

相比于现场观测, 用卫星遥感手段观测浒苔具有经济、及时和覆盖范围大的优势。中分辨率光谱成像仪(moderate-resolution imaging spectrometer, MODIS)数据是进行浒苔观测的主要数据, 在历年浒苔遥感监测中发挥了重要作用[16]。MODIS数据具有扫描范围大、重访周期短的特点。2008年浒苔暴发之后, Hu等[17], 首次使用MODIS数据研究黄海浒苔。钟山等[18]研究了MODIS数据NDVI(normalized difference vegetation index)指数提取浒苔面积的误差问题, 提出了分别为大块聚集的浒苔与零散分布的浒苔设置阈值的方法。本文通过处理2015年黄海区域的MODIS数据, 试图分析2015年黄东海绿潮灾害的演变特征。

1 数据以及处理方法

1.1 数据

MODIS是地球观测系统(earth observation system, EOS)卫星上搭载的一种重要的光学传感器。它包含了36个光谱通道, 波长范围在0.4~14.4 μm,空间分辨率有250, 500和1 km三种, 扫描幅度为2 330 km。搭载MODIS的两颗卫星EOS-Terra和EOS-Aqua是太阳同步极轨卫星, Terra上午10: 30左右过境, Aqua下午13: 30左右过境, 相互配合, 一天可以过境4次(白天2次夜间2次), 时间分辨率上有很大优势。

本文所用的MODIS数据是从https: //ladsweb. nascom.naso.gov网站上下载的L1B数据。时间从2015年5月13日~8月5日, 选择其中天气晴好的18景数据进行处理和分析。为了进行对比分析, 还选择了2011年7月20日与23日。

1.2 遥感图像处理方法

对MODIS数据的处理主要包括: 辐射校正、几何校正、第五波段条带去除、截取目标研究区域、云掩膜、浒苔因子提取等。处理流程如图1所示。

1.3 浒苔的遥感识别因子

浒苔与海水具有不同的光谱特征, 光学遥感正是基于此光谱特征差异实现浒苔与海水的区分, 并提取浒苔信息。2008年中国海洋大学遥感研究所在浒苔航次和“东方红2号”浒苔航次中, 用海面高光谱辐射计(Tethered Spectral Radiometer Buoy, TSRB)现场测得了青岛近岸海域和苏北近岸海域的浒苔与邻近水体的典型光谱曲线, 可以看到海水与浒苔二者的光学辐亮度漫发射率(即: 上行辐射率u与下行辐射率d的比值)与波长的对应关系有明显的差异(图2、图3), 浒苔的光谱在730 nm左右有一个反射峰, 而海水的光谱在730 nm处反射率是下降的。根据这一光谱特征差异可以进行浒苔信息提取[19]。

Hu[20]提出一种监测浒苔的方法——漂浮藻类指数(floating algae index, FAI)方法, 并验证了FAI方法比增强植被指数(enhanced vegetation index, EVI)和NDVI方法更加稳定, 在浒苔监测方面更具优势。因此本文选用的FAI方法进行浒苔的遥感提取。FAI方法采用MODIS的第1、2和5波段, 其中, 第1、2波段分辨率为250 m, 第5波段分辨率为500 m。我们对第5波段进行重采样得到250 m分辨率的数据, 最终得到的FAI浒苔识别资料结果的空间分辨率为250 m。

2 2015年浒苔演变特征及其与2013年的对比分析

结果表明, 2015年黄海浒苔分两支分别向北和向东路径传播。本文对两支分别进行分析。本部分同时给出2011年、2013年浒苔的发展演变特征, 并主要与2013年进行对比分析, 以揭示两个年份浒苔演变特征的差异。

2.1 浒苔的北上过程

图4给出图像处理之后的结果, 图中黑色的区域表示陆地, 白色的区域表示云, 蓝色的区域表示海水, 浅绿色的区域表示浒苔。部分浒苔分布范围较小的图像用红色图框标记浒苔分布范围。通过MODIS图像观测到2015年浒苔条带最早出现时间是5月13日, 少量细小的浒苔条带最先出现在苏北近岸, 图4红框的中心坐标是121°37′E, 33°21′N。此后, 浒苔条带逐渐向北漂移, 浒苔的规模逐渐变大。图5给出5月16日~6月12日浒苔发展时期的空间覆盖范围演变图。5月16日, 浒苔最北部的条带位于121°16′E, 34°24′N, 相对于5月13日遥感结果, 覆盖面积明显增大。5月20日, 浒苔进一步向北漂移, 同时有转向东北方向漂移的趋势, 最北部的条带位于121°34′E, 34°57′N, 覆盖面积进一步增大。5月25日, 最北部的条带位于121°36′E, 35°14′N。5月31日, 浒苔进一步向东北方向漂移, 最北部的条带位于121°29′E, 35°25′N。6月6日, 向东北方向漂移的浒苔向岸一侧呈现出与海岸线近似平行的形态, 最北部的条带位于121°57′E, 36°4′N, 呈现指向半岛顶端的漂移趋势。6月12日, 最北部的浒苔条带到达半岛顶端, 浒苔向岸一侧与海岸线的距离呈现出自东向西逐渐增大的特征。浒苔的覆盖范围与覆盖面积进一步增大。在这个过程中, 浒苔向东北漂移的同时, 有向岸靠近的趋势。

黑色: 陆地; 蓝色: 海洋; 白色: 云层; 绿色: 浒苔(图7、图8、图9、图10、图11同)

(black: land; blue: sea; white: cloud; aqua:(also applies to figs. 7, 8, 9, 10, and 11)

2013年的情况是, 5月21日通过MODIS观测到有较多的浒苔条带出现在苏北近岸(如图6); 至6月2日, 观测到浒苔已经到达山东半岛的南岸较近的范围, 而且浒苔主要影响日照和青岛沿岸, 向东北方向漂移的一支最东部的坐标为121°35′E, 35°14′N, 而向西南漂移的一支最西部的坐标为119°37′E, 35°5′N。6月6日, 浒苔的覆盖范围没有显著改变。6月12日, 浒苔的覆盖范围相对于6月6日变化较小。6月14日, 浒苔进一步向岸靠近, 已经在日照和青岛近岸登陆。

2013年浒苔主要向日照青岛方向漂移, 日照青岛近岸最早受到影响。而2015年浒苔主要向乳山方向漂移, 乳山近岸最早受到影响。

2.2 浒苔的东进过程

浒苔大规模繁殖聚集在山东半岛近岸, 对沿岸区域生产生活影响较大, 而向东漂移的这一支浒苔主要存在于江苏以东海面, 离岸较远, 因此受到的关注比较少。而Hu等[4]通过MODIS和LANDSAT数据观测到在2000年之后浒苔就在黄海和东海区域出现过, 但是当时浒苔没有出现暴发性繁殖和大规模聚集的情况。

浒苔向东发展的情况见图7。5月25日通过MODIS图像观测到有向东漂移的浒苔条带存在, 由苏北近岸向东漂移形成, 最东部的条带位于124°37′E, 32°30′N。条带分布比较分散, 发展规模远不如向北漂移的浒苔。6月19日, 在中心位置为124°5′E, 33°51′N的红圈中, 观测到有一片较为分散的浒苔条带存在。有可能是向北漂移的浒苔又向东漂移形成, 发展规模较小。7月1日, 观测到浒苔向东最远的条带到达124°56′E, 浒苔的发展规模稍微大一些, 但仍旧远不如向北漂移的浒苔发展规模大。7月10日, 仍可在123°41′E, 34°30′N观测到少量存在的浒苔条带。

2011年也观测到浒苔向东漂移的情况, 与2015年相似呈现分散性分布的特征。7月20日(图8)观测到有一支向东漂移的浒苔存在, 从南通近海向东北方向漂移, 主要覆盖区域为江苏以东海域, 覆盖范围较大, 但呈现分散性分布。而此时向北漂移的浒苔已经到达山东半岛近岸并且进入消亡期, 浒苔的覆盖范围仅限于半岛南岸的一部分区域, 不过仍比向东漂移的浒苔分布密集。至7月23日(图8b)依然可以观测到向东漂移的浒苔覆盖一片较大的区域, 但仍呈分散性分布。

2.3 浒苔的登陆过程

浒苔的登陆过程如图9、图10所示, 虽然在MODIS数据处理过程中, 云掩膜和陆地掩膜会对部分靠近陆地的浒苔识别产生偏差(如图8、图9), 但不会对本文给出的浒苔登陆过程的总体走向和登陆位置分析结果造成显著影响。

6月12日(图5), 最北部的浒苔条带到达半岛顶端, 浒苔向岸一侧与海岸线的距离呈现出自东向西逐渐增大的特征。浒苔首先大规模登陆的区域为靠近半岛顶端的乳山。6月14日(图9), 乳山近岸的浒苔数量显著增多。6月21日(图9), 在乳山首先出现大量浒苔登陆, 而其他区域仍只有少量浒苔在向岸靠近, 大规模的浒苔离海岸仍有一段距离。7月1日(图9), 浒苔进一步向岸线靠近, 海阳、青岛近岸区域出现少量浒苔。由于海阳岸线有些向西北凹陷, 近岸的浒苔明显少于青岛。7月4日(图9), 大规模浒苔靠近近岸开始登陆。

2013年浒苔登陆过程如图10所示。6月20日, 观测到有较多的浒苔条带靠近青岛近岸, 浒苔在近岸沿海岸线向东北方向漂移。6月29日, 有大量浒苔在青岛近岸登陆, 沿岸漂移的浒苔条带到达海阳近岸, 乳山近岸出现少量的浒苔。7月5日, 浒苔沿岸漂移到达乳山近岸。7月8日, 沿岸漂移的浒苔已经在乳山登陆。2013年登陆顺序依次为日照—青岛—海阳—乳山。

对比2013年和2015年浒苔登陆过程可以发现显著差异。2013年, 浒苔沿着海岸线向东北方向漂移, 登陆顺序为日照—青岛—海阳—乳山。而2015年, 在山东半岛外海浒苔主体向岸靠近, 呈现自东向西的登陆过程, 登陆顺序为乳山—青岛—海阳。

2.4 浒苔的持续过程

浒苔在苏北近岸持续存在了相当长的一段时间。至7月29日(图11)、30日(图11), 苏北近岸仍然可以观测到较多的浒苔条带存在, 但是浒苔条带的分布较为分散。不再呈现出浒苔暴发初期时, 条带较长且相互连接的形态。之后, 浒苔的覆盖面积逐渐减少, 8月4日(图11)、5日(图11), 浒苔的覆盖面积显著小于7月29日、30日。此后, 没有再观测到浒苔条带的出现。

浒苔的暴发是一个持续性的过程。从观测到浒苔在苏北近岸产生到浒苔到达半岛顶端, 这个过程持续了一个月。而浒苔登陆的过程持续了20多天, 这个过程中浒苔在苏北产生并向外输运, 在北部适宜的区域大规模繁殖聚集, 这个适宜的区域大致位于图11b中矩形图框区域, 120°18′~123°12′E, 34°25′~ 35°26′N。之后浒苔进一步向东北漂移向岸靠近在近岸登陆。而浒苔暴发末期, 仍可观测到浒苔在苏北近岸仍有产生并且向外输运, 却没有观测到浒苔大规模繁殖聚集的情况, 可能此时北部海域水体环境不适宜浒苔大规模繁殖, 因此浒苔面积浒苔覆盖面积逐渐减少直至消失。而之后苏北近岸也没有再产生浒苔, 整个浒苔暴发过程完全结束。

紫色矩形框: 浒苔兴盛期的区域

purple rectangle: peak bloom coverage

3 总结与展望

本文采用基于MODIS光学遥感图像的浒苔识别方法, 分析了2015年黄东海绿潮灾害发展演变过程。分析表明, 2015年5月13日MODIS图像显示浒苔最早出现在苏北沿岸出现。之后, 浒苔条带向北漂移, 在漂移过程中, 浒苔繁殖速度快, 聚集程度高, 覆盖面积不断增大, 并且向岸靠近开始登陆。到6月12日, 浒苔已经到达半岛顶端近岸。然后浒苔开始大规模登陆, 这个过程持续了20多天, 登陆区域先后顺序是是乳山—青岛—海阳。2015年浒苔登陆特征与2013年明显不同。另外分析发现2015年浒苔漂移存在向东的分支, 这与2011年情况相似。这一分支覆盖面积较小, 条带呈分散性分布。浒苔在苏北近岸持续了相当长一段时间, 在苏北近岸自浒苔出现之后, 一直持续到8月5日才消失。浒苔暴发的末期, 苏北近岸的浒苔向北漂移之后未再持续暴发性繁殖过程, 同时苏北近岸浒苔也逐渐消失。浒苔过程结束。

本文通过分析MODIS图像资料, 采用FAI浒苔指数形成了黄东海浒苔时空分布数据集。以此数据集为基础, 分析了2015年黄海浒苔灾害的发展演变过程, 并对比了其与往年浒苔发展演变过程的差异。关于此过程的原因与机制, 特别是浒苔大规模运移的双翼路径机制的解释, 及年际变化的差异, 前人的研究中虽有涉及但并未形成统一认识, 这将是下一步工作的重点。

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Remote sensing of the Yellow Sea green tide evolution in 2015

LU Rong-yang1, 2, SHEN Hui1, LI Da-wei1, 2

(1. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

A macroalgae detection index based on moderate-resolution imaging spectrometer (MODIS) data is applied to monitor the evolution of a green tide during 2015. The earliest observation ofpatches offshore Subei area was in May 13th. Strips ofdeveloped into two branches, northward and eastward, both of which expanded. The northward strip gradually developed into one united massive pattern, while the eastward strip remained scattered. After the northward strip reached the end of Shandong Peninsula, a huge-scale landing process began along the coast of Rushan—Qingdao—Haiyang. The strips persisted offshore Subei area until August 5th. Subsequently, the massivebloom was not detected in MODIS images.

the Yellow Sea;; MODIS (moderate-resolution imaging spectrometer); remote sensing

(本文编辑: 李晓燕)

Jan. 27, 2016

[Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No.XDA05010400]

P715.7

A

1000-3096(2016)10-0134-09

10.11759/hykx20160127003

2016-01-27;

2016-04-12

中国科学院战略性先导专项资助(XDA1103020403)

陆荣洋(1991-), 男, 江苏涟水人, 硕士研究生, 主要从事海洋光学遥感分析与研究, 电话: 0532-82898516, E-mail: lurongyang1991@163.com; 申辉, 通信作者, 研究员, 主要从事海洋遥感研究, 电话: 0532-82898783, E-mail: shenhui@qdio.ac.cn