近40年来中国湖泊叶绿素a浓度的时空分异特征分析

随着经济社会快速发展, 中国湖泊表现出不同程度的富营养化, 湖泊生态正面临着严峻挑战。叶绿素a是评价水体营养状态的重要指标, 可以反映湖泊中浮游植物生物量情况。基于Landsat系列数据集, 对1986~2022年间中国范围内面积在10 km²以上湖泊叶绿素a浓度分布状况进行研究, 并对各区域叶绿素a浓度演变趋势进行分析, 结果表明: (1) 中国湖泊叶绿素a浓度存在地域性空间分布差异。叶绿素a浓度分布整体呈现东南高, 西北低的态势, 大约69%的湖泊处于轻富营养化程度, 中富营养化状态约占17%。以35°N和100°E为分界线, 各区域叶绿素a浓度随经纬度呈现出一定的变化规律。(2) 近40年间中国湖泊叶绿素a浓度年均值处于缓慢波动上升趋势, 时间序列呈现先降低后升高, 再降低的变化状态。所有湖泊叶绿素a浓度显著上升的数量占比约为30%, 显著下降的占比约为24.8%, 变化不显著的约占45.2%。整体变化较为稳定, 变异系数处于中等波动水平以下, 波动较大的区域位于青藏高原, 东北地区和长江中下游的部分地区。(3) 各流域内湖泊叶绿素a浓度时空分异特征表现为: 空间分布上, 内陆流域和西南流域普遍较低, 珠江流域和东南流域较高。时间变化上, 除了西南流域和内陆流域的湖泊叶绿素a浓度呈现下降趋势外, 其他流域均为上升趋势。中国湖泊叶绿素a浓度呈现出明显的地域性差异和时间变化趋势, 这主要归因于地区气候、水文条件、土地利用以及人类活动变化等因素。受温暖湿润气候和较强人类活动的影响, 东南部地区的湖泊叶绿素a浓度相对较高。西北部地区气温偏低, 降水较少, 湖泊叶绿素a浓度普遍较低。近40年的时间尺度上, 受城市化、工业化快速发展和全球气候变化的共同影响, 中国整体湖泊叶绿素a浓度呈缓慢上升趋势。     

BP人工神经网络在渤海湾叶绿素预测中的应用

利用误差反向传播(BP)人工神经网络模型建立了天津赤潮驴驹河赤潮监控区各种理化因子与叶绿素-a之间的映射关系.模拟结果表明,该模型能够较好的反映各种理化因子与叶绿素-a浓度之间的非线性对应关系,可间接地用于该地区的赤潮预测.     

福建平潭近海赤潮预警模型研究*

本文分析了福建省平潭近海海域2013—2019年水文、水质及气象数据的主成分结果, 筛选出5个气象因子和4个水质因子作为输入指标, 以藻密度为输出指标, 分别演算了KNN (K-nearest neighbor)、RF (random forest)、GBRT (gradient-boosted regression Trees)以及Bagging (bootstrap aggregating)4种赤潮预警回归模型。对2013—2019年的802 组海洋监测数据归一化处理后, 随机选取80%的数据作为模型的训练样本, 剩余的20%作为模型验证数据。其中, 以风速、气温、海平面气压、叶绿素a浓度组合为输入指标时, KNN回归模型演算结果的精度较高(R²=0.624, RMSE=0.821μg·L^-1, MAE=0.836μg·L^-1)。在没有叶绿素a浓度监测指标的海域, 构建了以叶绿素a浓度为输出指标, 气温、日照、风速、AOI(apparent oxygen increase)组合为输入指标的BP神经网络赤潮模型, 该模型也具有较好的预警精度(R²=0.651, RMSE=0.062μg·L^-1, MAE=0.033μg·L^-1)。本研究结果可为平潭海域的赤潮预警研究提供参考。     

大鹏湾赤潮多发区的叶绿素a分布与环境关系初探

根据１９９０－１９９１年大鹏湾盐海田域４个测站的观测资料分析结果表明，大鹏湾赤潮我发区海水中叶绿素α含量的测值范围为０．０６－８．２８ｍｇ／ｍ＾３，平均为１．３３ｍｇ／ｍ＾３。季切平均值以春，秋季较高，夏，冬季较低；表层的叶绿素α含量稍高于底层。采用多元逐步回归分析得知，影响叶绿素α含量变化的主要因子是Ｆｅ，ＣＯＤ，ｓ，其次是ＤＯ，ｔ，Ｔｂ；此，Ｍｎ，Ｓｉ（ＯＨ）４，ＰＯ４，ＮＯ２与叶绿素α的分布     

珠江口海域叶绿素a质量浓度SAR反演模型

以珠江口海域的Radarsatt-2全极化SAR数据和海域表层水面叶绿素a质量浓度实测数据为基础,利用微波散射原理及Cloude Pottier理论对SAR图像进行分解,得到平均散射角a、散射熵H及VH、VV、HH、HV等6个参数;采用BP人工神经网络模型建立上述6个参数与叶绿素a质量浓度的数学关系模型,并结合实测数据对叶绿素a质量浓度进行分类。结果表明:当隐含层节点数为9,输入层和隐含层传递函数分别为tansig和logsig,学习速率和动量系数均为0.2时的网络结构对叶绿素质量浓度反演取得了较好的效果,叶绿素a质量浓度实测值与预测值之间的决定系数(R~2)为0.826。将模型应用于不同时期的2幅图像进行验证,效果良好,与实际情况基本相符。     

近岸海域叶绿素和赤潮的AVHRR归一化差值探测方法研究

采用 AVHRR的可见光和近红外波段得到的归一化差值和现场实测的叶绿素建立了相关关系 ,相关系数为 0 .85 ,SD为 0 .1 3,P<0 .0 0 0 1。模型预测值与现场实测值之间的误差介于 - 39.8%～ 5 7.3%之间 ,最小为0 .6 %。     

基于人工神经网络研究海水中叶绿素浓度的垂直分布

海水中叶绿素浓度的垂直分布可以用高斯函数近似拟合。目前卫星传感器只能测到透光层深度 2 2 %水体中的叶绿素浓度信息。为了寻找其高斯函数的 4个参数 (Bo,h,σ和 Z)与卫星测得的海表面温度、表面叶绿素浓度之间的映射关系 ,本文使用 6个输入的 3层 BP网络模拟这种复杂的映射关系。经过 30 0 0个周期的训练 ,网络的计算结果和测试数据的相关系数分别为 Bo(0 .4 76 1) ,h(0 .84 6 7) ,σ(0 .75 40 ) ,Z(0 .8988) ,表明了神经网络方法在确定叶绿素浓度垂直分布中的有效性。     

人工神经网络反演珠江口海域叶绿素浓度

利用2003年1月、2004年1月在珠江口海域的叶绿素浓度和辐射同步实测资料,建立了反演珠江口海域叶绿素浓度的人工神经网络模型。应用该模型由SeaWiFS资料获取珠江口海域叶绿素浓度分布图,并与SeaBAM推荐的OC2和OC4这2种统计算法的反演结果进行比较,结果表明人工神经网络模型的反演效果明显优于统计算法。人工神经网络模型的均方根差是0．2899,可决系数是0．8848;而统计算法的均方根差大于0．5,可决系数小于0．6。     

东太平洋赤道海域茎柔鱼(Dosidicus gigas)的体型月间变化及环境效应

为了掌握茎柔鱼体型生长变化及其与栖息环境因子的效应关系, 2017年2—4月和6—8月,在东太平洋赤道海域逐月随机采集了3 628尾茎柔鱼样本,进行体质量、胴长的月间变化分析和胴长与海表温、叶绿素a浓度的效应关系研究。结果显示,雌性个体胴长分布范围为163—468mm,体质量分布范围为123—3034g;雄性个体胴长分布范围为171—475mm,体质量分布范围为145—2 681 g。不同月份之间,雌性、雄性个体的胴长和体质量均存在显著性差异,雌雄性个体胴长、体质量均以2月份的最大, 6—8月份的较小。然而,每个月份雌性、雄性个体的胴长分布均为单峰值区间分布。体质量-胴长幂函数关系显示,2—4月份雌雄性个体多倾向于匀速生长、体征较差,6—8月份个体则以负异速生长为主、体征较为良好。雌性、雄性个体胴长与采样海域海表温、采样纬度呈显著的正效应关系,采样海域叶绿素a浓度对雌性胴长产生正效应影响。研究表明,东太平洋赤道海域茎柔鱼体型的月间差异性显著,体型变化与采样海域海表温、采样纬度关系密切,并且雌性体型与海域叶绿素a浓度呈正效应关系。     

渤海叶绿素浓度时空特征分析及其对赤潮的监测

基于2014—2015年MODIS数据分析了渤海表层水体叶绿素浓度的时空特征,并对赤潮进行了遥感监测。结果表明, 5—10月,渤海表层叶绿素浓度总体较高,其中在5月份达到峰值;空间上,叶绿素浓度由近岸向渤海中部递减,其中秦皇岛附近海域、莱州湾、渤海湾、辽东湾叶绿素浓度相对较高。基于16 mg/m3的叶绿素浓度阈值和ERGB影像,成功提取了渤海赤潮信息。秦皇岛附近海域是渤海赤潮的频发区和重灾区,赤潮发生于5月份,其分布范围在5月下旬达到最大。渤海赤潮分布与底部两个低氧区位置吻合,说明赤潮爆发可能对低氧区的形成和发展起重要作用。     

基于人工神经网络的赤潮预测模型

本文利用非线性时间序列预测模型,将海洋预报和人工神经网络BP算法相结合,提出了基于神经网络的海洋预报模型;运用改进的三层BP(Back Propagation)神经网络模型对海洋气象进行赤潮灾害监测和预报;同时针对仿真结果进行分析,结果表明该模型具有较好的预测能力。     

基于决策树与二分分割算法的BP神经网络在赤潮等级预测中的应用研究

针对赤潮灾害等级预测难的现状,提出了一种基于C4.5决策树与二分分割算法优化的BP(反向传播)神经网络赤潮等级预测模型。该模型针对传统BP神经网络输入参数难以选择和隐含层节点数量难以确定的问题,通过决策树分类获取最优的属性组合,来解决输入参数难以选择的问题;通过"二分分割算法",来解决隐含层节点数难以确定的问题。实验结果表明,该模型在青岛近海海域赤潮灾害等级预测中,预测结果的均方根误差(RMSE)小于传统BP神经网络的预测误差,并且在网络训练时间上有所缩短,预测精度上有所提高,能够获得良好的预测结果,可为赤潮等级预测提供新的解决方法。     

长短期记忆神经网络在叶绿素a浓度预测中的应用

针对传统人工神经网络对叶绿素a浓度预测存在训练速度慢、收敛精度低、易陷入局部最优,尤其是无法灵活的利用任意长度的历史信息对叶绿素a浓度进行预测等问题,本文根据海洋各要素与叶绿素a浓度之间的长短期依赖程度,对叶绿素a浓度与各要素间的关系进行界定,分别将各要素与叶绿素a浓度之间的长期依赖关系与短期依赖关系分割开来,并且在长短期记忆(Long Short-Term Memory, LSTM)神经网络模型的基础上构建融合的LSTM预测模型,模型中的长期依赖关系与短期依赖关系分别使用不同的神经元,最终在模型的最上层进行长短期融合。本文选取三都澳站位的连续监测资料作为实验数据,实验结果表明本文构建的模型不仅具有训练误差下降快的优点,与其他3种经典的神经网络模型相比,预测精度也有显著提高。     

珠海桂山岛米氏裸甲藻赤潮对鱼鳃损伤的病理学组织观察

1998年3～4月广东沿海及香港海域爆发了大规模的米氏裸甲藻(Gymnodinium mikimotoi)赤潮.此次赤潮发生范围广,持续时间较长,给广东省及香港的海洋渔业造成了巨大的损失,据统计粤港两地因此造成的经济损失达3.5亿元,其中广东省近5000万元(羊城晚报,1998年4月25日).为了研究此次赤潮发生过程中赤潮生物变化趋势及赤潮引起大量死鱼的原因,笔者对发生赤潮的珠海桂山岛海域浮游植物进行了定性、定量分析,同时对赤潮发生水域养殖鱼类鳃组织进行了病理组织学观察,为进一步研究此类赤潮的成因、消长及防治研究打下基础.     

粤西沿海一次赤潮事件的三维观测

From November 24 to 26, 2014, a red tide event occurred in the offshore water off the Hailing Island located at the western Guangdong coast. The red tide appeared as pink strips distributed within 3 km in the offshore water and extended for about 10 km along the shoreline. During the flood tide, the pink seawater rushed to the beach with breaking waves, forming foam strips on the beach. Guangdong Province Key Laboratory for Coastal Ocean Variation and Disaster Prediction Technologies, Guangdong Ocean University, emergently responded to the event and organized three-dimensional observations from the air, onboard and on beach. The preliminary analyses of the cruise data and water samples indicate that the event was induced by nontoxic Noctiluca scintillans, of which the concentration reaches as high as 4 200 cells/L near the surface and 2 600 cells/L at the bottom.     

Comparison of Chlorophyll a Concentrations Obtained with 90% Acetone and N,N-dimethylformamide Extraction in Coastal Seawater

Determinations of Chlorophyll a (Chl a) in eutrophic coastal marine waters were compared using N, N-dimethylformamide (DMF) and 90% acetone techniques. Measured Chl a concentrations ranged from 0.89 to 10.65 μg l₋₁ for 90% acetone extracts and from 0.97 to 12.92 μg l⁻¹ for DMF extracts, respectively, for 24 surface water samples from the Harima-nada, Seto Inland Sea, Japan. Chl a concentrations using DMF as a solvent were consistently higher than those found using 90% acetone (p < 0.001, n= 24). Chl a is thus likely to be underestimated (by 13%) when 90% acetone is used for eutrophic waters. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

神经网络在珠江口风暴潮预报中的应用

当风暴潮沿河道上溯时,处于珠江口地区的灯笼山测站和黄埔测站的水位之间存在着非线性响应关系。文章利用BP人工神经网络,建立了两测站台风暴潮和天文潮的综合增水效应预报模型,对9903、9908和9910号台风期间黄埔站的综合增水进行了预报,并针对不同预报时段对计算结果和潮位极值的准确程度进行了相应的讨论。结果表明,该方法的预报精度较高。最后通过与纯风暴增水模型的对比,说明了综合增水模型的优越性。     

南黄海绿潮暴发与紫菜养殖的关系

采用现场调查、社会调查和卫星遥感多种手段相结合,调查了南黄海绿潮早期零星漂浮到大面积暴发的时空变化过程,分析了紫菜养殖工艺对绿潮暴发的影响,估算了南黄海不同紫菜养殖区输入海洋的绿潮藻初始生物量,并探讨了主要海域紫菜养殖面积的增长与绿潮暴发的关系。结果表明,受紫菜养殖生产工艺的影响,数以千吨的绿潮藻在短期内被刮落集中输入至海洋,为绿潮的暴发提供了最为直接和充足的绿潮藻初始生物量,其主要来源为竹根沙、蒋家沙和东沙紫菜养殖区。2005年以来,上述3个养殖区的紫菜养殖面积持续扩大,是2007年以来南黄海绿潮持续暴发的主要原因。水温是影响绿潮形成的关键环境因素,4~6月份大量被刮落入海的绿潮藻在适宜环境条件下漂浮和快速生长,并最终形成绿潮。     

基于空间自相关分析方法的渤海湾赤潮遥感叶绿素浓度研究

引入地学统计学中的空间数据分析方法,利用探索性分析、全局空间自相关和局部空间自相关分析对渤海湾赤潮爆发前后的遥感叶绿素浓度数据进行了研究。结果表明,渤海湾叶绿素浓度在相邻空间位置上具有高度的正空间自相关性;赤潮前渤海湾叶绿素浓度整体较低,但局部地区的叶绿素浓度表现出较大的上升随后几天又出现下降的异常现象;叶绿素浓度的全局空间自相关指数Moran's I值在赤潮爆发前变化幅度不大,在赤潮期间表现出一些不规则的异常变化;局部Moran's I的高-高型聚集在赤潮前主要分布在渤海湾南半部,赤潮期间出现分散并逐步转移到离岸区域,赤潮后期聚集在近岸区域。分析了其中的一些变化特征及异常情况,这些异常现象有可能是赤潮发生的预兆性信号,可为赤潮预报与应急提供一种新的尝试性模式。