基于衛(wèi)星遙感的中國東海葉綠素a時(shí)空變化

基于衛(wèi)星遙感的中國東海葉綠素a時(shí)空變化

東海水資源豐富，中國著名的舟山漁場和大沙捕魚場分布在這里，但也是中國紅潮的高發(fā)區(qū)。頻繁的大規(guī)模赤潮破壞嚴(yán)重破壞了該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，損害了該地區(qū)漁業(yè)食品的安全。海水中的葉色濃度是海洋生態(tài)研究的重要指標(biāo)。它對(duì)預(yù)防赤潮災(zāi)害、保護(hù)海洋環(huán)境以及漁船的形成具有重要影響。海洋中的葉色濃度具有區(qū)域強(qiáng)、變化快的特點(diǎn)，但由于大面積和長期的測(cè)量難以確定，相關(guān)數(shù)據(jù)相對(duì)不足。然而，20世紀(jì)70年代以來發(fā)射的多艘船的海事水質(zhì)觀測(cè)衛(wèi)星提供了更精確的航道水質(zhì)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行大規(guī)模和長期的海上葉片質(zhì)量濃度研究。對(duì)葉綠素及其初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)研究已有一定進(jìn)展[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13].周偉華等利用4個(gè)月的實(shí)測(cè)資料,研究了長江口海區(qū)ρ(葉綠素a)及初級(jí)生產(chǎn)力的分布特點(diǎn);林學(xué)舉等采用近半個(gè)月的資料分析了東海和黃海典型海域ρ(葉綠素a)的垂向變化與周日波動(dòng);夏濱等對(duì)黃海、長江口和東海ρ(葉綠素a)晝夜及垂向分布變化進(jìn)行了分析;商少凌等利用現(xiàn)場ρ(葉綠素a)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合SeaWiFS衛(wèi)星圖像研究了1998年冬季臺(tái)灣海峽的ρ(葉綠素a)分布特征;陳楚群等利用4個(gè)代表月份的SeaWiFS衛(wèi)星資料分析南海海域ρ(葉綠素a)分布的季節(jié)變化;叢丕福等利用SeaWiFS衛(wèi)星資料分析1998—2003年的中國陸架海ρ(葉綠素a)變化.在阿拉伯海,Chauhan等利用IRS-P4水色數(shù)據(jù)分析ρ(葉綠素a)分布特點(diǎn).但上述研究多采用有限的實(shí)測(cè)資料或僅局限于短周期的變化,對(duì)我國東海長周期ρ(葉綠素a)的變化鮮見報(bào)道.為此,筆者借助于目前觀測(cè)時(shí)間最長、可信度較高的SeaWiFS衛(wèi)星資料對(duì)東海及其分海區(qū)的ρ(葉綠素a)年平均分布、季節(jié)變化及多年變化進(jìn)行了分析.1數(shù)據(jù)和方法1.1葉綠素a數(shù)據(jù)特征ρ(葉綠素a)月均值是由美國國家航空航天局(NASA)提供的1997年10月—2007年5月SeaWiFS衛(wèi)星三級(jí)反演數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)采用的計(jì)算公式為:Ca=10(0.366-3.067R+1.93R2+0.649R3-1.532R4)(1)R=lg[max(Rrs443/Rrs555,Rrs490/Rrs555,Rrs510/Rrs555)](2)Ca=10(0.366?3.067R+1.93R2+0.649R3?1.532R4)(1)R=lg[max(Rrs443/Rrs555,Rrs490/Rrs555,Rrs510/Rrs555)](2)式中,Ca為ρ(葉綠素a),mg/m3;R為衛(wèi)星測(cè)得的遙感反射率.ρ(葉綠素a)的平均相對(duì)誤差為36.47%,均方根差為0.73mg/m3.周偉華等的2002年4月長江口綜合調(diào)查數(shù)據(jù)表明,ρ(葉綠素a)為0.246~9.080mg/m3,平均值為1.090mg/m3.SeaWiFS衛(wèi)星得到的ρ(葉綠素a)為0.17~7.88mg/m3,平均值為1.44mg/m3,SeaWiFS衛(wèi)星獲得的ρ(葉綠素a)與實(shí)測(cè)值比較接近,即SeaWiFS衛(wèi)星提供的ρ(葉綠素a)數(shù)據(jù)精度可以反映該海區(qū)水色變化.目前ρ(葉綠素a)的反演精度不是非常理想,尤其在近岸海域;但其可合理表征海洋ρ(葉綠素a)的基本分布形狀,有助于研究ρ(葉綠素a)的季節(jié)變化及多年變化趨勢(shì),因此可利用SeaWiFS衛(wèi)星資料進(jìn)行海洋初級(jí)生產(chǎn)力的研究.筆者選擇我國赤潮高發(fā)的東海海區(qū)為研究區(qū)域,范圍為117°00′E~128°30′E,23°30′N~33°00′N,鑒于長江及沿岸陸地徑流的懸浮泥沙含量過高,水體過于混濁,會(huì)嚴(yán)重影響ρ(葉綠素a)的反演精度,因此剔除了從連云港到福州沿岸附近的海區(qū).1.2顯著性變化周期計(jì)算東海近海海區(qū)上空由于云覆蓋較多且近岸的水體比較混濁,因此出現(xiàn)了較多的缺值,故在數(shù)據(jù)處理中剔除了那些常年嚴(yán)重缺值的地點(diǎn),只保留了觀測(cè)值至少超過85個(gè)月的地點(diǎn),并采用了Kriging插值法補(bǔ)充少量資料缺損地點(diǎn)的數(shù)值.引入距平參數(shù)分析ρ(葉綠素a)與多年平均值的偏差,該距平是以1998—2006年的同月平均值作為基本參考點(diǎn).采用離散功率譜方法分析東海ρ(葉綠素a)的顯著性變化周期.該方法的基本思想是對(duì)于某個(gè)含有n個(gè)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)xt(t=1,2,…,n),首先,計(jì)算該數(shù)據(jù)在不同波數(shù)k時(shí)的傅里葉系數(shù):ak=2nn∑t=1xtcos2πkn(t-1)bk=2nn∑t=1xtsin2πkn(t-1)(3)ak=2n∑t=1nxtcos2πkn(t?1)bk=2n∑t=1nxtsin2πkn(t?1)(3)式中,ak和bk分別是第k個(gè)波數(shù)對(duì)應(yīng)的余弦和正弦函數(shù)的系數(shù);t表示時(shí)間序列.k的取值為1,2,…,[n/2](表示取整數(shù)部分).a0=ˉxa0=xˉ,是常數(shù).然后,計(jì)算不同波數(shù)k的功率譜(sk):sk2=12(ak2+bk2)(4)sk2=12(ak2+bk2)(4)通過計(jì)算各個(gè)波數(shù)模的平方,表示功率在不同波數(shù)上的分布概率.再求得各波數(shù)的變化周期(Tk):Τk=n/k(5)Tk=n/k(5)最后,對(duì)離散功率譜方法獲得的主要振動(dòng)功率譜及周期進(jìn)行F檢驗(yàn),超過95%的置信限才有效.2結(jié)果與討論2.1浮游動(dòng)物的季節(jié)動(dòng)態(tài)對(duì)東海海區(qū)9年ρ(葉綠素a)進(jìn)行平均得到逐月變化曲線(見圖1),月均值為0.5~0.9mg/m3,多年平均值為0.67mg/m3.由圖1可知,該變化曲線與正弦曲線相似,具有明顯的波峰和波谷.ρ(葉綠素a)波峰出現(xiàn)在春季3—4月[ρ(葉綠素a)>0.8mg/m3],之后劇烈下降.波谷出現(xiàn)在8—9月間[ρ(葉綠素a)<0.6mg/m3],之后有所增加.該變化形態(tài)與叢丕福等對(duì)中國陸架海ρ(葉綠素a)的分析基本一致.海區(qū)的營養(yǎng)鹽、光照、海水溫度、混合層深度和季風(fēng)等環(huán)境因子,及浮游動(dòng)物的攝食對(duì)海區(qū)的浮游植物和ρ(葉綠素a)的時(shí)空變化影響很大.冬季(12月—翌年2月),東海以偏北大風(fēng)為主,海表溫度降低,對(duì)流混合和風(fēng)混合強(qiáng)烈,深層的營養(yǎng)鹽被帶到表層,但水溫低,光照不足,影響浮游植物的光合作用,因此ρ(葉綠素a)不高.春季,東海海區(qū)光照增加,海水變暖,表層平均溫度基本從12℃增加到18℃,水體出現(xiàn)分層而趨于穩(wěn)定,表層海水的營養(yǎng)鹽因冬季的對(duì)流混合而得到大量補(bǔ)充,浮游植物大量繁殖,到4月,ρ(葉綠素a)平均值達(dá)到0.86mg/m3,為全年中的最高值.前期積累的高濃度葉綠素a容易導(dǎo)致東海赤潮發(fā)生,這也是我國東海赤潮高發(fā)期多出現(xiàn)在5月左右的原因之一.此后,浮游動(dòng)物數(shù)量也逐漸增加,迅速消耗營養(yǎng)鹽,浮游植物數(shù)量減少,ρ(葉綠素a)降低.夏季的光照很強(qiáng),表層水溫升高,但由于營養(yǎng)鹽在春季被大量消耗,垂直混合層深度變淺,深層富營養(yǎng)水難以上升;同時(shí),浮游動(dòng)物的生物量很高,消耗大量浮游植物,ρ(葉綠素a)降低,在8—9月的ρ(葉綠素a)均值下降到約0.55mg/m3,為全年的最低值.秋季東海光照減弱,表層水溫下降,對(duì)流混合增強(qiáng),表層營養(yǎng)鹽重新得到補(bǔ)充,ρ(葉綠素a)逐漸增加.1997—2007年東海ρ(葉綠素a)平均值的空間分布如圖2所示.由圖2可知,ρ(葉綠素a)平均值表現(xiàn)為近海高,外海低.從石臼所到三沙一帶的ρ(葉綠素a)平均值約為5.0mg/m3;從近海往外,ρ(葉綠素a)變化非常劇烈,等值線分布規(guī)律性強(qiáng),其中長江口附近的值最高;從長江口往外呈羽狀鋒分布,高值范圍分布非常廣,ρ(葉綠素a)>1.0mg/m3的區(qū)域一直分布到鴨礁.近岸的ρ(葉綠素a)等值線與海岸線基本平行.近岸ρ(葉綠素a)很大程度上受到陸地徑流帶來的營養(yǎng)鹽和懸浮物的影響,如長江徑流帶來大量營養(yǎng)鹽和懸浮物,致使長江口近岸營養(yǎng)鹽濃度很高.王保棟等在對(duì)長江口懸浮顆粒物濃度的春季調(diào)查中發(fā)現(xiàn),懸浮顆粒物濃度由近岸向遠(yuǎn)岸快速遞減,等值線幾乎與海岸線平行.韓秀榮等對(duì)東海近海的營養(yǎng)鹽(NO3--N,PO43--P,PO43--Si等)調(diào)查表明,營養(yǎng)鹽濃度由近岸往外海迅速遞減.因此,長江口及其海域的ρ(葉綠素a)主要是受到陸地徑流帶來的營養(yǎng)鹽和懸浮物的影響,其分布也表現(xiàn)為近岸高、外海低的分布特征.2.2波谷出現(xiàn)的年階段性變化對(duì)東海ρ(葉綠素a)的所有有效值點(diǎn)進(jìn)行平均,得到1997年10月—2007年5月的變化曲線(見圖3),月均值為0.3~1.2mg/m3,每年可能出現(xiàn)多個(gè)波谷與波峰,但比較穩(wěn)定及明顯的波峰基本出現(xiàn)在每年的3—4月,波谷出現(xiàn)在7—8月,東海ρ(葉綠素a)的變化呈現(xiàn)出較明顯的年周期性.在1997年10月—2007年5月,ρ(葉綠素a)月均值呈下降趨勢(shì).1999—2001年ρ(葉綠素a)最高,2002年后其極大和極小值下降明顯.距平變化曲線基本以2003作為轉(zhuǎn)折點(diǎn),2003年前絕大多數(shù)距平值為正,波動(dòng)劇烈;2003年后距平值以負(fù)值為主,且波動(dòng)幅度較小.連續(xù)5個(gè)月的依次平滑結(jié)果顯示,ρ(葉綠素a)距平總體呈明顯下降趨勢(shì).ρ(葉綠素a)月均值及其距平值的變化曲線均表明,1998—2007年該海區(qū)的ρ(葉綠素a)總體呈明顯下降趨勢(shì),2003年是變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn).2.3綠水勢(shì)相對(duì)健全的海域葉綠素a的季節(jié)和生長過程考慮到東海海區(qū)ρ(葉綠素a)受地理位置影響較大,結(jié)合中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所于1997—2000年的浮游動(dòng)物采樣調(diào)查結(jié)果,筆者按經(jīng)緯度及離岸的遠(yuǎn)近程度,將東海分為東海北部近海(122°30′E~125°00′E,29°30′N~33°00′N),東海北部外海(125°00′E~128°00′E,29°30′N~33°00′N),東海南部近海(120°30′E~125°00′E,25°30′N~29°30′N),東海南部外海(125°00′E~128°00′E,25°30′N~29°30′N)和臺(tái)灣海峽(117°00′E~122°00′E,23°30′N~25°30′N)等5個(gè)海區(qū),分別計(jì)算了各海區(qū)多年的ρ(葉綠素a)逐月均值(見圖4).由圖4可知,東海北部近海的ρ(葉綠素a)常年最高,月均值均在2mg/m3以上;其次是東海南部近海和臺(tái)灣海峽,ρ(葉綠素a)約為0.8~2.0mg/m3;東海北部和南部外海的ρ(葉綠素a)常年均小于1mg/m3,尤其是南部外海的最低,都在0.5mg/m3以下.5個(gè)分海區(qū)ρ(葉綠素a)出現(xiàn)最大值和最小值的月份均不相同,東海北部近海的最大值出現(xiàn)在4,7月,5—6月和9—10月較小;東海南部近海ρ(葉綠素a)最大值出現(xiàn)在4月,8月最低;臺(tái)灣海峽在5—9月ρ(葉綠素a)比較低,10月—翌年3月較高.陸地徑流對(duì)近海的作用明顯,近海ρ(葉綠素a)均高于外海,東海沿岸的陸地徑流如長江、靈江和甌江等均給近海帶來大量營養(yǎng)鹽,有利于藻類的生長,故近海ρ(葉綠素a)高;東海外海受到陸地徑流影響較小,受大洋水體影響大,營養(yǎng)鹽濃度低,限制了浮游植物生長,故該海區(qū)ρ(葉綠素a)低;臺(tái)灣海峽冬春季偏北風(fēng)盛行,低溫高營養(yǎng)鹽的閩浙沿岸水南下進(jìn)入臺(tái)灣海峽,該時(shí)期臺(tái)灣海峽的ρ(葉綠素a)較高.2.4功率譜的周期利用功率譜分析了1997—2007年東海ρ(葉綠素a)月均距平的顯著性變化周期,并對(duì)前5個(gè)較大的功率譜進(jìn)行F檢驗(yàn).通過95%顯著性檢驗(yàn)的有2~5年和0.5年2個(gè)顯著性變化周期(見圖5).5個(gè)分海區(qū)的功率譜按主要變化周期的不同可劃分為長、短周期2類(見圖6).東海北部與南部近海的功率譜在周期2.6及0.5年處出現(xiàn)2個(gè)峰值,但能通過95%顯著性檢驗(yàn)的只有0.5年處的,故屬于短周期變化類型.臺(tái)灣海峽、東海北部及南部外海的主要變化周期基本相近,均在長周期的時(shí)候出現(xiàn)了顯著性波峰.東海南部外海、北部外海及臺(tái)灣海峽的變化周期分別為5,3~5和2~3年,屬于長周期變化類型.東海近海ρ(葉綠素a)距平值存在半年的主要變化周期,這與從丕福等得到的長江徑流流量存在半年變化周期一致,這可能是近海ρ(葉綠素a)對(duì)陸地徑流變化的響應(yīng);外海及臺(tái)灣海峽的ρ(葉綠素a)以長周期變化為主,這是由于受到穩(wěn)定的大洋水體影響較大所致.2.5年生時(shí)間尺度及與長江徑流、流量、營養(yǎng)鹽的特征在崇明島附近長江入海口處的海區(qū),ρ(葉綠素a)等值線表現(xiàn)為先向東北上揚(yáng),然后再南下的分布形式,這與該地區(qū)的陸地徑流流入大海與海水混合后的混合水分布形式基本吻合.長江徑流量在20世紀(jì)90年代期間除了長周期變化之外,還含有較明顯的半年變化周期,譜分析得到的近海ρ(葉綠素a)距平值的半年變化周期與長江徑流的短周期在時(shí)間尺度上達(dá)到一致.長江口的調(diào)查分析結(jié)果顯示,硝酸鹽濃度具有在近岸高,等值線基本與海岸線平行,近岸往外下降劇烈,在長江口東北部往東南部出現(xiàn)舌狀的高值區(qū)等特征.硝酸鹽分布的特點(diǎn)與筆者得到的近岸ρ(葉綠素a)分布基本相似.通過對(duì)近岸ρ(葉綠素a)的分布、周期及與長江徑流流量、營養(yǎng)鹽的對(duì)比,筆者認(rèn)為,東海近海ρ(葉綠素a)的變化很大程度上受到長江徑流的流量、營養(yǎng)鹽及該海區(qū)混合水運(yùn)動(dòng)的影響.3中日東海沿海地區(qū)葉綠素a的變化a.1998—2007年ρ(葉綠素a)逐月均值呈明顯的年周期變化,波峰出現(xiàn)在春季3—4月,波谷出現(xiàn)在8—9月.在1997年10月—2007年5月東海海區(qū)的ρ(葉綠素a)下降趨勢(shì)明顯,基本以2003年為轉(zhuǎn)折點(diǎn),2003年前絕大部分距平值為正,波動(dòng)劇烈,2003年后距平值以負(fù)值為主,波動(dòng)較小,下降最顯著的區(qū)域是東海近海海區(qū).b.東海5個(gè)分海區(qū)ρ(葉綠素a)在時(shí)間和空間上的變化差異較大,具有明顯的區(qū)域性,表現(xiàn)為近海高,外海低的特征.這也表明東海海區(qū)海況比較復(fù)雜,各區(qū)域ρ(葉綠素a)的主要影響因子不同,近海海域主要受到來自陸地徑流的影響,ρ(葉