东海赤潮高发区水体光谱吸收特性分析

赤潮是海洋中一种复杂的生态异常现象。赤潮的爆发、不仅严重影响近海景观,破坏水产养殖,危害人体健康,还对海洋生态平衡造成破坏,给人类造成惨重经济损失。近年来,在我国的赤潮观测记录中,赤潮的年发生次数逐渐增加,且面积不断增大,因此,对赤潮的发生发展机理及预测治理研究是科学家刻不容缓的研究课题。 赤潮发生时,赤潮生物大量聚集,使水体颜色发生明显变化,进而赤潮水体的光谱特征发生变化,且存在差异,使利用水色遥感监测赤潮成为可能,还可以用来区分赤潮种类的不同。水体光谱的变化特性(包括吸收与散射特性)是水色赤潮遥感监测的基础,是水色遥感生物光学算法开发的重要组成部分。因此对赤潮水体进行光谱吸收特性的分析研究对于发展研究海区的水色遥感生物光学算法及赤潮遥感监测方法都有重要意义。     

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。     

赤潮的高光谱监测及预警方法

有害赤潮发生频度有逐年增加的趋势, 建设赤潮的早期监测和预警系统是一个难点。文章研究表明, 珠江口赤潮前后, 叶绿素a浓度和细胞密度变化范围分别为0.9—31.1mg•m-3 和1.28×104 —1.76×106cell•L-1, 优势藻为聚生角毛藻; 高光谱辐射计获取的光漫射衰减系数、遥感反射率和荧光强度可反演叶绿素a浓度和细胞密度, 其中反演叶绿素a浓度的平均相对均方根差(RRMS)为30.6%、33.8%和77.4%, 而反演细胞密度的平均RRMS为83.6%、83.9%和136.4%。因高光谱辐射计可以获取每小时或者更短时间尺度的数据, 因此, 装备了高光谱辐射计的光学浮标可用于赤潮监测与预警系统。     

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。     

胶州湾增养殖海域营养状况与赤潮形成的初步研究

根据对胶州湾女姑山增养殖海域1998年5月～9月的连续监测资料,参照潜在性富营养化的概念,应用NQI指数对该海域的营养状况进行分析。认为该海域水质富营养化是7月3～8日Skeletonemacostatum和Biddulphiaaurita混合型赤潮形成的基础,磷、硅营养盐的消耗是赤潮消亡的主要原因;赤潮消亡之后浮游植物群落发生演替,水体叶绿素a仍保持较高含量,NQI指数也相应较高,水质表现为磷限制潜在性富营养化,由于磷酸盐的限制没有发展为赤潮。     

基于BP人工神经网络平潭海域赤潮叶绿素a浓度模型演算研究

以福建平潭海域为研究对象、以叶绿素a浓度为输出指标,根据2009-2018年赤潮期数据规律及2013-2017年海洋监测数据主成分分析结果,对拟构建的BP模型进行输入指标筛选,选定结果包括4个气象因子和4个水质因子。基于此结果,对2013-2017年的698组海洋监测数据中叶绿素a浓度进行归一化处理并进行模型演算,随机选取80%数据作为演算模型的训练样本,其余进行模型验证。通过交叉变换输入指标,寻求最优的输入节点组合,以气温、溶解氧浓度、日照时长指标为输入参数时,BP模型误差较小(均方根误差为0.05μg/L,平均绝对误差为0.03μg/L),演算结果精度较高(可决系数R~2=0.81)。以上结果表明,气温、溶解氧浓度和日照时长对叶绿素a浓度表征效果较好,可为平潭海域以叶绿素a浓度作为判定指标的赤潮预警研究提供参考。     

1999年7月胶州湾东部赤潮生消过程生态环境要素分析

根据 1 999年 7月 2 3 - 2 4日胶州湾东部赤潮发生海区的观测资料 ,结合同年 6 ,7,8月3个航次的数据 ,分析了赤潮前后水体浮游植物群落、叶绿素 a和营养盐等要素的变化特征。结果显示 ,本次赤潮为短角弯角藻 (Eucampia Zoodiacus)赤潮 ,总生物密度高达 1 .6× 1 0 10个 /m L。赤潮发生时 ,叶绿素 a浓度范围为 2 8.8～ 3 6 .0 mg/m3 ;温度、盐度变化不大 ,DO,p H值升高 ,营养盐浓度处于较低水平 ,其中 P降幅最大 ,N/P值则急剧上升 ,峰值为 2 4 7,P被认为是本次赤潮的限制因子 ;NO2 - N/NO3 - N的值变化很大 ,高于正常值。赤潮消退 ,各要素恢复正常     

强壮前沟藻生消过程中水色组分吸收特性

依据2011-07强壮前沟藻藻种培养实验期间的实测数据,分析了其生消过程中各水色组分的吸收特性。结果表明:在生消过程的始末阶段,以非色素颗粒物和有色可溶性有机物(CDOM)吸收为主,中间阶段,则以浮游植物吸收为主。浮游植物吸收光谱在440nm和675nm存在明显的特征峰;在整个生消周期内先上升后降低,直至消失;非色素颗粒物和CDOM吸收光谱随波长增加均呈指数衰减趋势,前者光谱幅高先增后减,但后者变化无明显规律。各水色组分与叶绿素质量浓度均存在一定的相关关系,无论在生长期或是消亡期,浮游植物、非色素颗粒物吸收系数与叶绿素质量浓度存在正相关关系;但CDOM吸收系数与叶绿素质量浓度在生长期存在正相关关系,而在消亡期变为负相关关系。这可作为改进赤潮水体叶绿素质量浓度遥感算法、有效判别赤潮以及识别赤潮优势藻种等的科学依据。     

东海赤潮多发区非均匀叶绿素浓度剖面对遥感反射比的影响

赤潮增殖过程中,藻类首先在次表层发育,并形成非均匀的叶绿素浓度剖面,一般呈高斯分布。利用Hydroli-ght4.1模拟180组数据用于研究该过程对遥感反射比的影响。东海为赤潮多发区,通过比较叶绿素浓度在垂直非均匀和垂直均匀情况下的模拟结果,给出高斯分布模型4个参数对遥感反射比的影响。可得到以下初步结论:叶绿素浓度非均匀剖面参数的变化主要影响遥感反射比的绿黄波段,且有向长波段移动的趋势,而对蓝、红波段几乎没有影响;垂直非均匀情况下的遥感反射比要高于垂直均匀的情况。     

河北海域叶绿素a浓度遥感反演业务化算法

构建了一种适用于河北海域二类水体的叶绿素a浓度遥感反演业务化模型。将MODIS 1B数据第一波段反射率与河北海域叶绿素a浓度实测数据进行相关分析,通过回归拟合建立遥感反演模型,并选择不同时间、不同区域的实测数据对模型精度与稳定性进行了检验。结果表明:模型相关系数为0.73,平均相对误差31.4%~35.9%之间,模型适用于河北海域叶绿素a浓度业务化遥感监测,这对于监测河北海域赤潮和富营养化状况具有重要的现实意义。     

赤潮的危害和预测预报

近岸水域有机物污染,引起海水富营养化是形成赤潮的主要原因。近年来,我国沿海赤潮频发,不仅给渔业生产、海水养殖业带来重大损失,而且破坏了海洋环境,危及人类的健康。对赤潮的观测和监测是开展赤潮预测预报的基础,应加强对时有发生赤潮潜在海区的经常性观测和监测,卫星遥感监测赤潮是目前所采用的一种先进技术。对赤潮的预测分为长期预测、中期预测和短期预测,根据观测结果发布长、中、短期预报应加强对赤潮的防治方法和技术的研究,避免或减少赤潮造成的危害。     

基于深度置信网络(DBN)的赤潮高光谱遥感提取研究

赤潮是严重的海洋灾害,有效监测赤潮对于保护海洋生态环境具有重要意义。高光谱遥感具有光谱分辨率高、图谱合一等优势,适合于海洋赤潮监测。深度学习是机器学习领域的前沿,为高光谱遥感分类提供了新的思路。深度置信网络(Deep Belief Network,DBN)兼具监督分类与非监督分类的特点,通过构建DBN模型,将DBN应用于赤潮灾害遥感监测中,应用渤海机载高光谱遥感数据开展赤潮分类,以达到提取高光谱图像中赤潮水体范围的目的。通过设置对照实验,对比经典的SVM监督分类方法与ISODATA非监督分类方法,发现DBN模型在相同实验条件下具有更高的分类精度,赤潮遥感提取精度提高了3%～11%。     

<Emphasis Type="Italic">Cochlodinium polykrikoides</Emphasis> red tide detection in the South Sea of Korea using spectral classification of MODIS data

To distinguish true red tide water (particularly Cochlodinium polykrikoides blooms) from non-red tide water (false satellite high chlorophyll water) in the South Sea of Korea, we developed a systematic classification method using spectral information from MODIS level products and applied it to five different harmful algal bloom events. Red tide and nonred tide waters were classified based on four different criteria. The first step revealed that the radiance peaks of potential red tide water occurred at 555 and 678 nm. The second step separated optically different waters that were influenced by relatively low and high contributions of colored dissolved organic matter (CDOM) (including detritus) to chlorophyll. The third and fourth steps discriminated red tide water from non-red tide water based on the blue-to-green ratio in areas with lower and higher contributions of CDOM to chlorophyll, respectively. After applying the red tide classification (using the four criteria), the spectral response of the red tide water, which is influenced by pigment concentration, showed different slopes for the blue and green bands (lower slope at blue bands and higher slope at green bands). The opposite result was found for non-red tide water, due to decreasing phytoplankton absorption and increasing detritus/CDOM absorption at blue bands. The results were well matched with the discoloration of water (blue to dark red/brown) and delineated the areal coverage of C. polykrikoides blooms, revealing the nature of spatial and temporal variations in red tides. This simple spectral classification method led to increase user accuracy for C. polykrikoides and non-red tide blooms (>46% and >97%) and provided a more reliable and robust identification of red tides over a wide range of oceanic environments than was possible using chlorophyll a concentration, chlorophyll anomaly, fluorescence analysis, or proposed red tide detection algorithms.     

赤潮灾害处理技术概述

文中介绍了包括卫星遥感、航空遥感、船载和浮标现场观测等监测技术在内的赤潮灾害监测技术;阐述了化学方法、物理方法和生物方法等赤潮灾害消除技术;论述了赤潮灾害损失评估技术;并探讨了赤潮灾害处理技术发展趋势.     

赤潮水体红光波段反射光谱的模拟及形成机理

赤潮水体红光波段反射光谱中"荧光峰"的红移现象一直备受研究者的广泛关注。本文基于前向辐射传输模型,通过2011年7月9日在大连湾海域实测的赤潮水体吸收系数和后向散射系数模拟了弹性散射作用下的反射光谱,发现在未考虑叶绿素荧光的情况下,红光波段仍存在显著的反射峰,且随叶绿素浓度的增加,反射峰出现红移现象;加入叶绿素荧光后,模拟光谱红光波段反射峰的位置与高度出现不同程度的改变,与实测光谱的更接近;对比模拟光谱与实测光谱可确定,红光波段的反射峰由吸收、后向散射以及叶绿素荧光共同控制,而文献中通常提到的"荧光峰"红移实由浮游藻类红光波段的强吸收作用导致,与叶绿素荧光无关,因此反射峰红移的说法更为合理。     

2000—2018 年福建近岸海域赤潮分布特征

收集2000—2018 年福建近岸海域224 次赤潮事件资料,通过综合分析结果表明：2000—2018 年福建近岸海域赤潮发现数量和面积分别占全国的17.3%和6.1%。2015—2018 年相对于2000—2004、2005—2009、2010—2014 年赤潮年均发现数量和面积有明显下降。赤潮发现月份和空间特征明显,5—6 月为高发期;宁德、福州、平潭、厦门、泉州海域是赤潮高发区;4 个时间段比较宁德和厦门海域年均发现赤潮数量下降明显,平潭海域略微下降,泉州海域增加。由甲藻门生物引发的赤潮数量、面积和损失均最高,诱发赤潮的生物类群存在南北差异,有毒赤潮占总赤潮数量的14.3%。根据提出的赤潮等级划分标准,福建近岸海域以小型赤潮为主。建议在宁德至平潭近岸海域、泉州近岸海域加强赤潮立体化监测系统的建设,5—6 月为监测的关键时期。     

2010—2020年宁德近岸海域赤潮时空分布特征分析

文章收集整理2010—2020年发生在宁德近岸海域的赤潮事件,综合分析该海域赤潮的时空分布和种类特征,结果表明:①近11年来宁德近岸海域共发生赤潮16起,年均1.5起;总面积高达1 468 km2,年均133.5 km2;持续时间共169天,年均15.4天。②从月份上看,赤潮发生在4—6月,高发期为5月。③发生赤潮的种类共有3种甲藻和1种硅藻,其中发生次数、面积和持续天数最高的均为东海原甲藻,其次为米氏凯伦藻,最低为中肋骨条藻。④从空间分布上来看,福宁湾及其周边海域（A区）赤潮次数和持续天数最长,三沙湾外海域（D区）赤潮面积最大,三沙湾内海域（C区）的赤潮种类最多。⑤米氏凯伦藻引发的有毒赤潮共4次,主要集中在霞浦近岸海域。适宜的温度、盐度、丰富的营养盐和良好的天气是米氏凯伦藻形成赤潮的前提条件。     

黄河口悬浮泥沙时空动态及其驱动机制

受径流输沙、风浪、潮汐等影响,河口近岸海域悬浮泥沙具有显著的时空变化。本文基于小时分辨率的GOCI遥感影像,利用最优遥感反演算法,结合空间分析和统计方法,深入研究黄河口及邻近海域悬沙时空动态特征及驱动机制。结果表明,径流输沙对悬沙浓度的影响以河口近岸区为主,高径流输沙对悬沙浓度分布影响可达距岸约20 km,并向孤东近岸方向扩散。大风可引起清水沟老河口区泥沙强烈再悬浮,形成高浓度悬沙区。涨落潮对小时尺度的悬沙浓度影响显著,并影响悬沙的南北扩散。大潮悬沙浓度变化和扩散范围均大于小潮,潮流流速不同是造成该差异的主要原因。水深与悬沙浓度之间存在较明显的负相关关系,根据不同驱动因素的差异,悬沙浓度随着水深的增加呈现出指数型、幂函数型、线性3种关系。     

Optical properties of the red tide in Isahaya Bay,southwestern Japan: Influence of chlorophyll a concentration

Remote sensing reflectance [R _rs(λ)] and absorption coefficients of red tides were measured in Isahaya Bay, southwestern Japan, to investigate differences in the optical properties of red tide and non-red tide waters. We defined colored areas of the sea surface, visualized from shipboard, as “red tides”. Peaks of the R _rs(λ) spectra of non-red tide waters were at 565 nm, while those of red tides shifted to longer wavelengths (589 nm). The spectral shape of R _rs(λ) was close to that of the reciprocal of the total absorption coefficient [1/a(λ)], implying that the R _rs(λ) peak is determined by absorption. Absorption coefficients of phytoplankton [a _ph(λ)], non-pigment particles and colored dissolved organic matter increased with increasing chlorophyll a concentration (Chl a), and those coefficients were correlated with Chl a for both red tide and non-red tide waters. Using these relationships between absorption coefficients and Chl a, variation in the spectrum of 1/a(λ) as a function of Chl a was calculated. The peak of 1/a(λ) shifted to longer wavelengths with increasing Chl a. Furthermore, the relative contribution of a _ph(λ) to the total absorption in red tide water was significantly higher than in non-red tide water in the wavelength range 550–600 nm, including the peak. Our results show that the variation of a _ph(λ) with Chl a dominates the behavior of the R _rs(λ) peak, and utilization of R _rs(λ) peaks at 589 and 565 nm may be useful to discriminate between red tide and non-red tide waters by remote sensing.     

河口水环境遥感监测研究进展——以赤潮和溢油为例

从河口地区对赤潮和溢油的监测需求出发,阐述了利用遥感技术监测赤潮和溢油等问题的有效性和优越性。回顾了河口地区赤潮和溢油遥感监测的发展历程、探测机理和影响因素,并探讨了历史上不同卫星传感器对赤潮和溢油监测的优势和不足。通过对最新研究成果的总结,讨论了水环境遥感监测存在的问题,并对未来水环境遥感平台发展趋势和新的研究方向进行了展望。