基于HJ-1A/1B的2014年黄海海域浒苔灾害时空分布

自2007年以来, 黄海海域每年的5月初～8月中下旬浒苔(Ulva prolifera)会周期性地暴发与消亡,导致海洋生态环境被破坏以及经济损失。利用2014 年的HJ-1A/1B遥感影像, 利用神经网络监督分类及RULE规则影像重分类动态阈值法, 对2014年的浒苔的漂移路径、各时期影响的海域面积、分布面积以及暴发高峰期的最大面积进行了动态监测。结果表明, 2014年浒苔持续时间为101 d, 5月中旬开始在江苏省盐城市近海出现零星斑点, 分布面积为2.299 km², 影响面积为1 744.799 km²; 6月初到6月中旬浒苔广泛分布于黄海海域, 分布面积扩大至1 367.145 km², 达到当年的峰值; 从6月下旬开始, 浒苔进入衰退期, 浒苔分布面积、相对聚集密度均急剧缩小, 但影响面积的峰值出现在该时期; 8月初消亡于青岛附近海岸, 8月20日遥感影像已难以监测到浒苔的存在。2014年黄海海域浒苔经过了“出现—发展—暴发—衰退—消亡”5个发展阶段。     

黄海绿潮生消过程及其主导因素

黄海绿潮已成为中国近海一种新的自然灾害,对经济、环境等方面均有影响,研究黄海绿潮的生消过程及其影响因素,对进一步了解浒苔暴发机制、开展绿潮灾害防治工作有重要意义。基于拉格朗日运输模型(Larval TRANSport Lagrangian model,LTRANS),构建了可以模拟浒苔生长消亡的物理-生态耦合模型(Larval TRANSport Lagrangian model-Green Tide,LTRANS-GT),模拟了黄海浒苔漂移扩散和生长消亡过程,讨论了绿潮生物量季节变化特征及海表面温度、光照及氮磷营养盐在不同生消阶段所起到的作用。结果表明,在生长阶段,绿潮所在海域的海表面温度及光照处于适宜浒苔生长范围内,而氮磷营养盐浓度年际间差别较大。在消衰阶段,绿潮所在海域光照与生长阶段相比无明显差异,温度相较于生长阶段有着很明显的升高,且在浒苔消亡阶段末期平均温度均超过了26℃,温度的升高降低了浒苔的生长率,同时增加了浒苔的死亡率,此时氮磷营养盐均也处于较低水平。由敏感性试验结果发现,在生长阶段,海表面风场及表层流场的差异造成浒苔分布区域不同,带来的浒苔周围海域营养盐浓度差异是绿潮生长阶段年际差异的主导因素;在消衰阶段,温度的大幅上升及营养盐浓度的下降共同影响了绿潮消亡。     

2017年春、夏季南黄海西部营养盐的分布特征及其与浒苔暴发的关系

基于2017年4月、5月、6月和8—9月在南黄海西部海域4个航次的现场调查,分析了春至夏季逐月的营养盐分布特征及其影响因素,初步探讨了营养盐与浒苔绿潮暴发的关系。结果表明：春至夏季苏北近岸浅水区总体呈现出高温、低盐、高营养盐的特征,且各理化要素垂向差异不明显;同时该海域表层水体中的营养盐含量自4月至5月有所下降,而后开始上升,至8—9月达到最大浓度。受长江冲淡水的影响,调查海域西南部表层存在向东北方扩展的低盐、高营养盐水体,在夏季与苏北海域向外扩展的营养盐高值区连成一体。在调查海域的中部至东北部深水区,入春后表层海水不断升温,至夏季于底层形成显著的黄海冷水团,并在其周围呈现出锋面特征;受初级生产过程和温跃层的影响,入春后该海域的上层营养盐浓度总体呈现出下降的趋势并在夏季维持了较低的水平,而底层营养盐浓度从春季至夏季有所升高且影响范围不断向西南方向扩展,至8—9月达到最大范围。苏北近岸海域丰富的营养盐为入春后大型藻类的生长和暴发提供了重要的物质基础,而且5月南黄海西部相关海域表层营养盐浓度降低与浒苔、马尾藻等大型漂浮藻类暴发对营养盐的吸收利用有关。     

威海市褚岛北部海域CDOM和COD分布特征遥感分析

根据2017年7月和9月在山东威海褚岛北部海域现场测量的COD_(Mn)(Chemical oxygen demand)值和水体表观光学量,结合COMS(Communication,OceanMeteorological Satellite)上搭载的传感器GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)所提供的有色可溶性有机物(Chromophoric dissolved organic matter,CDOM)产品,利用星地同步观测数据对现有的基于遥感反射比反演CDOM的模式进行验证,确定适合该海域的CDOM浓度遥感反演模式;通过对测试海域化学需氧量与遥感反演的水体CDOM浓度相关性分析,建立利用CDOM反演COD_(Mn)的遥感模式,并将该模式应用于测试海域LANDSAT 8/OLI(Operational Land Imager)遥感图像上,获取该海域COD_(Mn)浓度专题图,基于这些专题图分析了测试海域COD_(Mn)时空分布特征。结果表明:(1)基于GOCI产品的CDOM浓度值随时间和站点动态变化大,离岸越近数值越高,同一地点水体前后相差近1 h的数值变化也较大;(2)基于LANDSAT 8/OLI遥感数据反演的COD_(Mn)浓度时间动态变化大,总体来看褚岛附近水体的COD_(Mn)含量相对较低,褚岛以北海域水体COD_(Mn)含量有所增加,褚岛西侧水体的COD_(Mn)含量较东侧水体COD_(Mn)含量来说整体偏高。     

基于GOCI的2017年南黄海浒苔演变遥感分析

本文应用GOCI高时间分辨率遥感影像,提取浒苔敏感波段并构建合适的评价指标,对NDVI、IGAG、KOSC绿潮主流算法探测能力进行比较,结合目视解译和阈值分割法,对2017年南黄海浒苔信息进行提取并进行演变特征分析。结果表明：NDVI算法的探测能力和稳定性显著优于其他两种,GOCI影像7、8近红外波段的选择对浒苔提取结果存在一定影响,最优为7、5波段组合;2017年浒苔总体经历了“出现-发展-暴发-衰退-消亡”五个阶段,持续时间约为68d,影像中浒苔最早出现在5月13日的盐城外海海域,最后出现在7月12日,最大覆盖面积出现在6月4日,为2363.12km²,在风、流场共同作用下,先向北移动,后在6月下旬沿山东半岛南侧转向东北,前锋位置最终停滞于青岛-烟台-威海一线并逐渐消亡。其发展规律与运移路径与往年相似,但持续时间与暴发时期最大覆盖面积显著少于往年,GOCI影像高时间分辨率的优势使浒苔灾害的逐小时动态监测成为可能。     

基于遥感数据与数值模式的浒苔漂移输运预报：以江苏近海为例

浒苔暴发是影响全球近岸海域最为严重的海洋灾害之一,引起了社会各方的重视。该研究基于大气-波浪-海洋集合模式,根据卫星遥感数据提取浒苔位置,采用拉格朗日漂流模式对浒苔进行追踪并预报其漂移路径。与卫星观测结果对比表明,该集合模式能够较好地预报浒苔的位置、分布及其漂移路径。此外,该研究还讨论了Stokes漂流对于模式预报的影响,结果表明考虑Stokes漂流可以修正浒苔漂移路径,有效提高预报的准确性。     

南黄海浒苔漂移轨迹年际变化规律及驱动因素

综合利用环境卫星(HJ-1A/1B)CCD影像与MODIS影像,对2011-2017年南黄海海域浒苔信息进行了提取,并结合QuickSCAT海风数据以及ESRL海温数据对浒苔生长及漂移路径的影响进行了分析。结果表明:(1)7年中利用遥感手段最初发现浒苔的日期为5月份,初始发现位置多集中在江苏省盐城市附近海域,且近7年浒苔漂移方向整体上向北,进入山东半岛海域。其中,浒苔中心点距离青岛海域最远约115km(2015年6月21日),最近约9.6km(2012年7月11日)。(2)浒苔中心点漂移方位年际差异较大,整体上浒苔漂移路径方向与海面风风向高度一致。(3)SST是浒苔暴发的关键环境因子,南黄海海域5—8月份SST逐月升高为浒苔生消过程提供了环境条件。     

不同氮磷比值下浒苔与石莼的竞争作用研究

近年来,海水富营养化导致近海海域大型海藻过量繁殖,成为世界性的环境问题。自2007年以来,浒苔绿潮在黄海海域连续暴发,造成巨大经济损失。为探究浒苔大规模暴发与氮磷比值(N/P)的关系,及其与其他大型绿藻在不同N/P下的竞争机制,研究了浒苔(Ulva prolifera)与石莼(Ulva lactuca)在不同N/P下单独培养和共培养时的生长情况,探究了浒苔及石莼生长的变化;结合苏北浅滩海域现场N/P的调查结果,分析了浒苔绿潮暴发的可能机制。研究结果表明:(1)浒苔单独培养时,在一定范围内高N/P能促进浒苔的生长,氮对于浒苔的影响大于磷。(2)石莼单独培养时,低N/P下石莼长势最好,但改变N/P对石莼的影响并不显著。(3)浒苔和石莼共培养时,浒苔生长受到了一定限制,低N/P下浒苔生长受限更显著。(4)苏北浅滩海域高N/P更适合浒苔的生长,可能是浒苔绿潮能够大规模暴发的原因之一。     

绿潮暴发对浮游动物群落结构影响研究

本调查于2016年和2017年的5月、8月,对日照近岸海域浒苔暴发区进行了4个航次的浮游动物断面调查。4个航次中,2016年和2017年5月航次获得的种类数要明显低于同年8月航次,而平均丰度和湿重生物量均高于同年8月航次。造成这种情况的原因可能是调查海域8月浒苔暴发结束,浒苔的消亡过程会大量消耗营养盐,导致水体中营养盐含量下降,进而影响到其他浮游植物和浮游动物的生长。应用PRIMER软件中的单变量分析得到群落种数(S)、丰富度(d)、香农-威纳指数(Shannon-Weaner index)(H′)和均匀度(J),从多样性指数分析可以看出,5月航次的生物多样性均劣于同年8月航次。不同年度相同季节航次中出现的优势种极其相似,而不同季节航次出现的优势种则大不相同。     

珠江口海域a_g(440)遥感模式研究及应用

有色可溶性有机物质(Coloured Dissolved Organic Matter,CDOM)直接影响着海水的光学性质,为水体有机污染物含量遥感反演的基础参数之一。在水色遥感研究领域,一般用440nm波长位置的吸收系数ag(440)来表示其浓度,因而建立ag(440)遥感反演模式,对于掌握相关海域CDOM浓度的空间变化规律及进一步提取其他水环境参数具有重要的作用。利用2013年11月和2014年2月两个航次在珠江口海域现场采集的表观光学量及固有光学量数据,建立了基于HJ-1/CCD卫星传感器的ag(440)遥感反演模型,并应用于珠江口海域,得到该区域2012年1月至2014年6月晴天CDOM浓度空间动态分布图。研究结果表明:(1)现场测定的珠江口海域ag(440)在0.1~0.3m-1,且不同断面ag(440)呈现出一定的规律性变化;(2)利用现场实测数据对遥感模式估算值进行验证,计算出估算值的相对误差为9%,表明所建立模式具有较高的准确率;(3)遥感反演的CDOM空间分布数据与实测数据得到的分布特征基本吻合,整个珠江口及其邻近海域ag(440)的数值范围为0.07~0.31m-1,而且珠江口西部海域ag(440)高于中部和东部海域。     

2018年黄海浒苔分布特征及动力机制分析

为揭示2018年黄海浒苔发生和聚集的动力学成因,通过MODIS L1B影像数据和归一化植被指数法（NDVI）获取浒苔发生的初始时刻和位置。以三维水流动力模型为基础,设立风海流、潮流以及二者共同作用的对照实验,分析各要素对浒苔粒子输移的影响。结果表明,在风海流单独作用下,浒苔向北迁移但未登陆;在潮流动力单独驱动下,浒苔净漂移量小,较难向北发生净输移;二者共同作用下,浒苔粒子向北输移登陆,后报轨迹与遥感图像对比吻合良好,进一步验证了风在浒苔迁移过程中占主导作用。     

基于长时序遥感影像的胶州湾秋季叶绿素a浓度变化及其影响因素研究

水体中叶绿素a的含量是研究浮游植物生物量、初级生产力的重要指标,因此对于河口海湾区域叶绿素a的长期监测具有重要的生态学意义。借助遥感技术能够获取长时序大范围观测数据的特点,本文利用1986-2015年的Landsat TM/ETM+影像,通过构建基于实测数据的定量反演模型,得到了30年来胶州湾海域秋季叶绿素a浓度的分布情况:叶绿素a浓度的空间分布规律稳定,呈现西北高东南低的特点,叶绿素a浓度均值呈波动略有上升的趋势。本文利用遥感反演的胶州湾海表面温度及胶州湾流域的土地利用分类和景观格局指数,从自然因素和人为因素两方面对胶州湾叶绿素a浓度时空分布的影响因素进行分析,发现胶州湾秋季叶绿素a浓度与海表面温度密切相关,并且受到近海养殖区破碎化程度、修建大型人工设施等人为因素的影响。     

黄海海域大规模绿潮成因与应对策略——“鳌山计划”研究进展

在青岛海洋科学与技术国家实验室"鳌山计划"支持下,本项目围绕黄海大规模浒苔绿潮的防控减灾,联合山东和江苏两地多个单位协作攻关,于2016年到2018年展开了多学科交叉研究,通过对绿潮藻浒苔(Ulva prolifera)的附着、入海等行为的加密观测,在大规模浒苔绿潮成因机制和防控策略方面取得了重要进展,确认了苏北浅滩源地,确认本海区大量紫菜(Pyropiayezoensis)栽培筏架提供的大面积合适附着基、典型的富营养化环境特点以及北向风生流是黄海大规模浒苔绿潮形成的重要条件。本项目解决了以下几方面的问题:1.锁定关键时段和海域并开展打捞船与无人机配合打捞;2.发现苏北浅滩存在独特浒苔种源;3.定量化研究了紫菜筏架拆除时人为去除筏架及绠绳上的附生绿藻量,明确这一过程大大促进了浒苔大量集中入海,成为浒苔绿潮形成的重要环节;4.定量化研究了浒苔在向北漂移,生物量和分布不断增加的过程;5.依据对浒苔緑潮的源头及其早期发生、发展几个关键过程的科学认识,提出了设置三道防线进行浒苔绿潮防控的策略以及在苏北浅滩开展浒苔绿潮初始生物量源头控制的具体建议。6.评价了浒苔绿潮对生态环境和养殖业危害的同时,关注了高生物量输入对受灾地可能带来生物北侵的生态风险。7.为保障2018年青岛上合峰会,项目组先期提交了绿潮防控建议,部署和开展的各项研究和现场调查结果为绿潮的预测防控提供了有力支撑。同时本项目还针对浒苔绿潮灾害的年际变化、马尾藻(Sargassumsp.)金潮灾害加剧、南黄海"三潮齐发"的复杂态势等新问题展开了观测与研究,为进一步制订更科学高效的防灾减灾方案,阐明全球变化和人类活动影响下的我国近海藻华灾害的演变奠定了基础。     

浒苔水体光谱特征参量时间序列数据拟合研究

开展时间序列浒苔水体光谱特征参量的拟合研究可为寻求最佳拟合方法,从而对进一步开展大尺度的高光谱高空间高时间分辨率遥感动态实时监测具有重要的参考价值。在实验室培养3种不同浓度的浒苔水体,用ASD光谱仪测定并获取浒苔水体的时间序列反射光谱,基于反射光谱定量提取光谱特征参量,构建时间序列数据;应用曲线拟合和时间序列ARMA模型开展浒苔水体光谱特征参量的时间序列拟合研究。结果表明:应用二阶或三阶多项式和ARMA模型可较高精度地拟合浒苔水体的光谱特征参量;但时间序列ARMA模型比多项式拟合模型更能反映浒苔水体光谱特征参量的时间序列数据的分布和变动特性。该研究可为浒苔灾害动态监测业务化运行部门提供浒苔光谱数据,同时也为光谱数据的处理和分析提供一种新的方法。     

苏北沿岸流对浒苔暴发及漂移过程的影响

根据2009年5月的温度、盐度和溶解氧观测数据,应用"对应分析法"对水团的分布范围和特性进行了分析,并探讨了苏北沿岸流对浒苔(Enteromorpha prolifera)暴发及漂移过程的影响。结果表明,春季苏北沿岸流向东南流动过程中,可以将海水中悬浮的浒苔繁殖体向南输运至长江冲淡水与苏北沿岸流交汇处,此处的浒苔繁殖体在适宜的条件下生长繁殖。在夏季风的作用下,长江口北部的浒苔与苏北沿岸海域的浒苔,随表层海流向北漂移,在地球偏转力作用下,漂移路径不断向右偏转,并最终在山东半岛南部海域聚集堆积。苏北沿岸流在浒苔暴发初期将繁殖体输送到条件适宜的生长区,并对浒苔向北漂移起到了重要作用。长江冲淡水向北扩展范围的增大对于浒苔的生长和繁殖起到了促进作用。查明浒苔扩散路径及输运机制不仅具有重要环境意义,而且对深入了解沿岸和河口区泥沙及污染物的扩散和输运机制具有指示作用。     

青岛近海浒苔暴发期大型底栖动物群落的生态研究

利用2008年7月3日至25日在青岛附近海域浒苔[Enteromorpha prolifera (Muell.)J.Ag]暴发期间进行的大型底栖动物定量分析资料,研究了该海域大型底栖动物群落在物种组成、生物量和丰度以及物种多样性方面的动态变化,以了解浒苔暴发对大型底栖动物的生态学影响.结果表明,本项目调查共采集到大型底...     

水体石油类物质生物-光学遥感反演模型

A biooptical modeling, which is based on a radiation transfer model, can be employed to simultaneously retrieve the concentration of various colour factors by multi-spectral remote sensing data, after connecting inherent optical properties （absorption coefficient and backward scattering coefficient） of colour factor with apparent optical properties （remote sensing reflectivity）. At present, this method has been used in a relatively wide range of applications in the inversion of a conventional water colour factor concentration in the case II water body： applications such as chlorophyll, suspended sediment, yellow substance. On the basis of extensive field testing data of water quality, correspondingly apparent optical properties, and the full use of the existing parametric model of colour factor inherent optical properties （with the parametrization of petroleum substance inherent optical properties established in the project） the remote recognition model for oil concentration is established by introducing oil as a new water co/our factor into a biooptical remote algorithm. The estimated value of the oil concentration was obtained by solving the biooptical model, using the data measured in May 2008 and August 2009 and June 2010 in seawater. The highly accurate inversion result promises to estimate the oil concentration in water for remote sensing.     

大洋河河口海域有色溶解性有机物的光学特性及遥感反演模型

有色溶解性有机物(CDOM)在河口混合过程中近似呈保守行为,可作为水团运动的示踪剂.基于2009年5月6日大洋河河口海域水体调查的实测数据,对该区域CDOM光学特性及遥感反演模型进行了研究,结果表明:研究区域CDOM主要来自河流输入,成分相对较稳定,属于典型的近岸二类水体区域;波长275～295 nm的光谱斜率和波长4...     

春季西南黄海与绿潮相关的物理环境特征

Massive green tides caused by Ulva prolifera in the Yellow Sea have occurred every summer since 2007 and have caused huge economic losses for local governments. The Subei(North Jiangsu Province, China) Shoal, with its large-scale Porphyra aquaculture, has been regarded as the most important source of U. prolifera for green tides.To reveal the physical mechanisms of floating and drifting algae in this area, the characteristics of the current, the temperature, the salinity and suspended particulate matter(SPM) in the southwestern Yellow Sea, especially in the Subei Shoal, were studied. The topography of the radial sand ridges in the Subei Shoal constrains the features of the currents and causes net longitudinal and latitudinal movements. The longitudinal net movement is a dominant dynamic factor that can bring U. prolifera into offshore waters. The amount of gas that is produced by algae during photosynthesis determines whether U. prolifera can float well on the sea surface after it is disposed into the water from Porphyra aquacultural apparatus. The Subei Shoal is characterized by a high turbidity, which can result in significant light attenuation and affect the photosynthesis together with the buoyancy of a U.prolifera in the water. According to satellite remote sensing data from 2012, the three-month-averaged surface SPM(April, May and June) in the Subei Shoal was 140 mg/dm3, and the north of the Subei Shoal(the north of34.5°N), it was 11 mg/dm3. According to the monthly averaged surface SPM in April, the transparency in the Subei Shoal was only 0.1 m, but it often exceeded 2.0 m outside of the Subei Shoal. The results explain why the floating ability of U. prolifera increases significantly once the green algae drifted outside the Subei Shoal.     

基于遥感反演的莱州湾水色变化的多时相分析

悬浮泥沙和叶绿素是海洋水色的重要部分,是反映河口海岸地区生态环境状况的重要指标。本文基于Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像,在不依赖地面实测数据的条件下,结合水文气象数据,利用光谱信息建立水色遥感模型对莱州湾1996—2015年不同时期的悬浮泥沙和叶绿素变化进行研究。研究结果表明:(1)此模型可以快速反演出较大空间尺度内的水色时空分布情况。(2)1996—2015年这一时期内悬浮泥沙浓度变化明显,枯水期的悬浮泥沙扩散范围总体大于丰水期,悬浮泥沙高浓度区主要分布在黄河口附近海域和沿岸区域,泥沙主要来源于陆源输沙和海水中的泥沙再悬浮,悬浮泥沙的扩散主要受潮流的影响,风和波浪等动力因素也在一定程度上影响着悬浮泥沙的扩散;(3)此外,莱州湾叶绿素高浓度区主要分布在莱州湾东—南部海域,其分布具有明显的季节性,春季(5月)海水温度升高,水中营养物质垂直混合好使得叶绿素浓度处于较高态势。