基于nFLH的2017—2021年間福建海域赤潮的時空分布特征分析

胡日查 王志威 姚馳 周寒

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.008

收稿日期：2023-05-08

摘? 要：赤潮發(fā)生時不僅會對海洋水體、海洋生物、漁業(yè)等造成嚴重的危害，還會通過食物鏈威脅人類的健康。通過MODIS遙感影像進行分析，在SeaDas中利用OCCSW組件計算nFLH進行赤潮監(jiān)測驗證，并對福建省沿海區(qū)域2017—2021年間發(fā)生的33起赤潮災害進行綜合分析，系統(tǒng)分析了福建沿海赤潮生物種類、時空分布特征和演變規(guī)律。結(jié)果表明，2017—2021年間赤潮持續(xù)時間為173天，影響總面積為307.74平方千米。福建省近五年的時空分布特征總結(jié)，可為赤潮監(jiān)測預警、防災減災提供參考。

關鍵詞：赤潮；nFLH；時空分布特征

中圖分類號：TP391.4? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）02-0032-06

Analysis of Spatiotemporal Distribution Characteristics of Red Tide in Fujian Sea Area from 2017 to 2021 Based on nFLH

HU Richa1， WANG Zhiwei1， YAO Chi2， ZHOU Han3

（1.Inner Mongolia Autonomous Region Surveying and Mapping Geographic Information Center， Hohhot? 010050， China; 2.School of Geosciences，Yangtze University， Wuhan? 430100， China; 3.School of Earth Science and Surveying Engineering， China University of Mining & Technology-Beijing， Beijing? 100083， China）

Abstract： When red tides occur， they not only cause serious harm to marine water bodies， marine organisms， fisheries， etc.， but also threaten human health through the food chain. An analysis is conductedthrough MODIS remote sensing images， the OCCSW component is used to calculate nFLH for red tide monitoring and verification in SeaDas. A comprehensive analysis is conducted on 33 red tide disasters that occurred in the coastal areas of Fujian Province from 2017 to 2021. The species， spatiotemporal distribution characteristics， and evolution patterns of red tide organisms in the coastal areas of Fujian Province are systematically analyzed. The results indicate that the duration of red tide from 2017 to 2021 is 173 days， affecting a total area of 307.74 square kilometers. The summary of the spatiotemporal distribution characteristics of Fujian Province in the past five years can provide reference for red tide monitoring and warning， disaster prevention and mitigation.

Keywords： red tide; nFLH; spatiotemporal distribution characteristics

0? 引? 言

赤潮是指在一定的環(huán)境條件下，水體中的微生物、藻類浮游植物呈爆炸性增長，使水體發(fā)生變色的一種異?，F(xiàn)象。海洋在受到污染后，其中的營養(yǎng)鹽變得更加豐富，當氣溫、光照、降水等達到適宜值時，就會形成赤潮。發(fā)生赤潮時，海洋生態(tài)的平衡就會遭到破壞，并給浮游植物的多樣性帶來嚴重影響[1，2]。赤潮的頻繁發(fā)生將會制約中國沿海區(qū)域經(jīng)濟的長遠發(fā)展。福建省位于我國的東南沿海地區(qū)，海岸線蜿蜒曲折，適宜的溫度、大量的污染物導致水體富營養(yǎng)化，加之天氣穩(wěn)定等種種條件，促使福建省赤潮災害頻發(fā)[3]。因此，開展近五年長時序赤潮時空分布特征研究對赤潮監(jiān)測預警和防災減災具有重要意義。

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，SEAWIFS、MODIS、TM、AVHRR等傳感器得到了廣泛的應用。由于赤潮的持續(xù)時間較短，基于高時效的要求，在赤潮研究中，MODIS可在較短時間內(nèi)獲得能夠切實反映實際環(huán)境的資料，其數(shù)據(jù)傳輸速度較快，最常使用[4，5]。常用的赤潮檢測技術(shù)有多波段遙感技術(shù)及數(shù)值模擬技術(shù)。多波段遙感技術(shù)通過對影像中兩個或更多紅外波段進行處理后，提取具有赤潮特征的水體。較為常用的多波段組合方法主要有三種，分別為多波段差值比值法、雙波段比值法和多波段組合法。韋安娜[6]利用高分五號衛(wèi)星，采用窮舉法針對鄱陽湖的渾濁水體建立了三波段葉綠素a濃度反演模型。數(shù)值模擬遙感技術(shù)是指在充分分析測量得到的數(shù)據(jù)后，建立以赤潮、葉綠素、懸浮泥沙和黃色物質(zhì)的離水輻射率為參數(shù)的輻射傳輸方程，通過傳輸方程來模擬衛(wèi)星對赤潮等海洋數(shù)據(jù)信息的接收過程。這種方法精度較高，結(jié)果可靠，適用性強，但計算量大，計算過程復雜[7]。卞明明[7]在研究秦皇島海域赤潮時，采用多波段差值比值法進行分析，隨后與單波段比值法進行對比。對比結(jié)果顯示，通過多波段差值比值法獲得的赤潮數(shù)據(jù)和信息更加準確和具體。赤潮檢測時常用的基于MODIS影像的檢測方法有MODIS葉綠素熒光高度法、葉綠素a濃度檢測法、彩色合成法、高光譜遙感監(jiān)測方法等[8-10]。使用上述方法能夠較為準確地表征一類水體的特征，從而對該水體進行研究。而上述方法卻不適用于對二類水體的研究，主要原因是二類水體中存在大量浮游植物、懸浮泥沙、黃色物質(zhì)等難以區(qū)分的雜質(zhì)，將上述方法運用于二類水體，往往會出現(xiàn)誤差。針對福建省沿海赤潮時空分布特征，許多學者針對福建海域研究了2000—2020年間赤潮的時空分布特征、生物生態(tài)分布特征，試圖為赤潮災害的預測與防治提供有效方案[11-13]。

為了提升應對赤潮的防控能力，更加有效地保障福建省的經(jīng)濟發(fā)展，保護沿海人民的切身利益，通過研究多年份MODIS遙感數(shù)據(jù)影像和MODIS的歸一化熒光基線方法nFLH數(shù)據(jù)，結(jié)合赤潮相關記載數(shù)據(jù)對比得出影響赤潮變化的多種影響因子和時空分布特征，采用驗證方法顯示赤潮的能力并總結(jié)近五年福建省沿海區(qū)域時空分布特征，使福建省地方政府在海洋生態(tài)環(huán)境治理、水產(chǎn)業(yè)治理以及沿海旅游業(yè)和可持續(xù)發(fā)展等諸多方面有據(jù)所依，科學規(guī)劃管理。

1? 赤潮監(jiān)測方法概述

1.1? 研究區(qū)域概括

福建省地理位置優(yōu)越，地處北緯23°33'至28°20'、東經(jīng)115°50'至120°40'之間，位于我國東南沿海地區(qū)，有很多著名的海灣和山脈，所以港口資源和植被資源十分豐富。河流支系繁多，流域面積龐大。福建省境內(nèi)有大小海灣125個，其海域生物資源非常豐富，是我國重要的漁區(qū)之一。然而，由于其特殊的海灣環(huán)境、氣候條件和沿海海洋環(huán)境污染的加劇，福建省也成為我國赤潮災害高發(fā)省份之一，赤潮災害嚴重威脅著福建省的漁業(yè)生產(chǎn)、濱海旅游乃至公眾健康。根據(jù)福建省海洋與漁業(yè)局在2022年4月22日發(fā)布的平潭綜合實驗區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局報告，平潭流水、白青、蘇澳等海域發(fā)現(xiàn)赤潮。赤潮呈現(xiàn)粉紅色，在海面上以條、帶狀分布，本次赤潮累計最大影響面積為120平方千米，其中占主導地位的第一優(yōu)勢種是無毒的夜光藻，一共持續(xù)5天。

1.2? 數(shù)據(jù)源簡介

研究數(shù)據(jù)來源于從美國宇航局的海洋水色網(wǎng)絡網(wǎng)站（https：//oceancolor.gsfc.nasa.gov/）下載的MODIS福建省沿海區(qū)域2017年至2021年近五年的影像數(shù)據(jù)，由于赤潮高發(fā)期在4至6月，所以選取這個時間段的數(shù)據(jù)進行比較。為了驗證nFLH的可行性，以使用SEADAS軟件針對2022年4月22日福建省平潭豐田村海域的MODIS原始影像生成的nFLH，與無人機影像進行對比驗證。基于nFLH圖像和2017年至2021年福建省海洋與漁業(yè)局和中國海洋災害公報官方信息的歸納總結(jié)，收集并整理近五年發(fā)生在福建海岸的33次赤潮災害數(shù)據(jù)。其中包括赤潮發(fā)生的時間、滅亡時間、水域位置、最大累積區(qū)域、第一優(yōu)勢種藻群種類和密度、形態(tài)特征等信息。MODIS021KM原始影像如圖1所示。

1.3? 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)主要來源于Ocean Color，這些影像數(shù)據(jù)已經(jīng)過系統(tǒng)的輻射定標、地面控制點幾何粗校正等相關預處理，在本論文的研究中，對遙感影像所做的處理工作主要包括以下幾點。

1.3.1? 重投影與重采樣

重投影是基于重用前一幀中計算的樣本的思想，盡可能在一個新的觀察位置和方向重用這些樣本。如圖2（a）所示，對MODIS L1B級數(shù)據(jù)進行預處理操作時選擇使用ENVI的MCTK擴展工具進行處理，該工具不僅可以在進行幾何校正的同時校正數(shù)據(jù)，還可以在校正后自動將中心波長信息添加到生成的圖像中。

重采樣是指在各相鄰原采樣點內(nèi)插出新采樣點的過程。在合成真彩色影像時，對不同分辨率的影像進行參數(shù)設置，使得影像可在投影坐標系下采用同一分辨率進行彩色融合。

1.3.2? 大氣校正

在太陽光透過大氣層到達目標表面再被反射到感應器的過程中，將會受到大氣氣溶膠、地形和鄰近物體的影響，為了排除外界因素對目標的影響，提高其成像的準確度，就需要將目標的反射信息與太陽、大氣的信息區(qū)分開來，并對其進行大氣修正。如圖2（b）所示，通過將MODIS L1b數(shù)據(jù)和MODIS GEO地理坐標數(shù)據(jù)相結(jié)合，并在ENVI平臺下進行FLAASH大氣校正，能夠有效地去除大氣的影響，并且可以將轉(zhuǎn)換后得到的輻射亮度值再次換算為真實的地表發(fā)射率。

1.3.3? nFLH生成

如圖3所示，通過OCCSW組件，利用Lgen2，選擇產(chǎn)品參數(shù)，選擇nFLH在Bands中生成。并在Seadas中將中國行政區(qū)SHP圖層導入，與生成的nFLH疊加。如圖4（a）所示，可在疊加圖層中發(fā)現(xiàn)福建省沿海區(qū)域有明顯的熒光反應，證實了nFLH指示赤潮的可行性。

1.3.4? 無人機平潭影像驗證

無人機遙感技術(shù)具有很多優(yōu)點，能夠快速獲取海洋區(qū)域的動態(tài)數(shù)據(jù)，在海洋監(jiān)測方面具有出色的功用。此外，無人機遙感技術(shù)還可以監(jiān)測某些赤潮發(fā)生的范圍、時間和地點等，并可根據(jù)相關的水文氣象資料進行赤潮的實時速報。如圖4所示，2022年4月22日的無人機影像可清晰地看出當日赤潮水體呈現(xiàn)粉紅色，以條狀分布，其影響面積大的特點與nFLH熒光反應地區(qū)相同。

2? 福建赤潮分布時空分析

選取2017年至2021年赤潮高發(fā)期的4—6月中一天的標準化熒光基線圖像來進行相互比較。如圖5所示，2017年—2021年近五年福建省沿海區(qū)域總共發(fā)生33次赤潮，最小赤潮面積為200平方米，最大赤潮面積為75平方千米。以每次赤潮的最大影響面積作為赤潮的面積，面積在0～10平方千米、10～20平方千米、20～30平方千米以及30平方千米以上的分別有25次、5次、1次、2次。分別占總次數(shù)的75.76%、15.15%、3.03%、6.06%。持續(xù)時間為0～2天、2～6天、6～10天、10天以上的赤潮過程分別發(fā)生了7次、18次、6次、2次，各占總次數(shù)的21.21%、54.55%、18.18%、6.06%。由此可以看出，大致有3/4的赤潮是0～6天的中、短程過程，持續(xù)時間最長的是2019年4月26日至5月13日發(fā)生在福州市羅源灣、被列為福州港的深水外港的近岸海域，最大異常水域影響面積為2平方千米，該次赤潮呈淺棕色、帶狀分布。

如圖6所示，2017年至2021年間，福建赤潮發(fā)生頻次分別為4次、7次、10次、5次、7次，年均赤潮發(fā)生次數(shù)6.6次，2021年發(fā)生次數(shù)低于平均值。2021年至2017年赤潮累計持續(xù)時間分別為15天、25天、56天、22天、55天，赤潮年累計時長為173天，赤潮年平均持續(xù)時長為34.6天。從累計發(fā)生面積上，2021年到2017年分別引發(fā)12.5平方千米、31.5平方千米、114.54平方千米、29平方千米、120.2平方千米。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，在2017年至2021年間，2019年赤潮發(fā)生頻次最多、年累計時長最長、累計影響面積最大。2021年發(fā)生頻次最少、年累計時長最短、累計影響面積最小。赤潮的年度變化與人類活動、全球氣候異常和海洋水動力等因素有關。赤潮區(qū)域的化學物質(zhì)變化明顯，氮磷污染和富營養(yǎng)化是導致赤潮現(xiàn)象的直接原因，同時，某些浮游生物的入侵也會迅速破壞該區(qū)域的生態(tài)穩(wěn)定性和物種多樣性，從而導致明顯的赤潮現(xiàn)象。

赤潮大多發(fā)生在上半年。2021年上半年，福建省近岸海域赤潮呈現(xiàn)出發(fā)生頻率低、面積范圍小、持續(xù)時間短的“三低”特點，導致赤潮爆發(fā)的赤潮生物均為無毒的藻群，對周圍的水產(chǎn)品未造成明顯的損害。2020年上半年，福建省沿海區(qū)域共發(fā)生赤潮7起，主要分布在寧德、福州、莆田和泉州等地，呈小面積、無毒害的特點，累計最大影響面積約32.5平方千米，遠低于歷年平均值。2019年上半年，福建省沿海區(qū)域共發(fā)生赤潮9起，發(fā)生次數(shù)、赤潮面積、持續(xù)時間都較高。福建沿海養(yǎng)殖漁排中也出現(xiàn)真鯛、包公魚等養(yǎng)殖魚類死亡現(xiàn)象。2018年，赤潮全部發(fā)生在上半年。所發(fā)生赤潮中的第一優(yōu)勢藻群包括有毒的鏈狀裸甲藻、有毒的米氏凱倫藻、無毒的東海原甲藻、無毒的中肋骨條藻，雖然出現(xiàn)有毒藻群，但在養(yǎng)殖漁排中未發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖魚類、貝類有超過指標的情況。2017年發(fā)生的7次赤潮中有4次發(fā)生在上半年，有毒的鏈狀裸甲藻出現(xiàn)頻次較高，該藻產(chǎn)生麻痹性貝毒，導致貝類中多次被檢測出毒素，形成災害性赤潮的可能性較大。

從季節(jié)變化特征上看，近五年福建沿海赤潮在各月份的發(fā)生起數(shù)如圖7所示，赤潮發(fā)生在3、4、5、6、

7、10月，其余月份均無赤潮發(fā)生。其中，5月赤潮發(fā)生次數(shù)最多，發(fā)生了14次，占赤潮總數(shù)的42.42%。3月和10月赤潮發(fā)生次數(shù)最少，均只發(fā)生一次赤潮。根據(jù)數(shù)據(jù)可得出，福建省近五年沿海赤潮災害主要發(fā)生在每年的4到7月，其中5至6月是赤潮發(fā)生的高峰期，占據(jù)赤潮總數(shù)的75.76%。

3? 結(jié)? 論

基于歸一化的熒光基線高度nFLH理論和2017年至2021年福建沿海赤潮官方記錄資料，對福建沿海區(qū)域進行赤潮監(jiān)測。在赤潮爆發(fā)期，以nFLH圖像和無人機影像進行對比驗證，用近五年的nFLH和官方記錄資料對福建省沿海區(qū)域做時空分布特征總結(jié)，結(jié)果表明，2017年至2021年共發(fā)生赤潮33次，累積影響面積為307.74平方千米，持續(xù)時間為173天。近五年中赤潮爆發(fā)頻次、時間、累積面積均在2019年達到高峰，呈現(xiàn)先增后減的跡象。赤潮普遍發(fā)生在3月至7月，5月至6月是赤潮的高發(fā)期，這期間也更易造成經(jīng)濟損失。在赤潮頻發(fā)的4至7月，危害嚴重的赤潮有周期性特點，一般間隔3至6年。要關注重點養(yǎng)殖區(qū)與赤潮多發(fā)區(qū)，歷史上曾經(jīng)發(fā)生赤潮的區(qū)域和預計可能發(fā)生赤潮的區(qū)域，需要特別關注。福建省沿海的6個市區(qū)中，福州和寧德市是赤潮頻發(fā)的地區(qū)，基本上每年都有赤潮發(fā)生，這兩個地區(qū)在赤潮高發(fā)期以多云和晴朗為主，在海面風浪較小、少雨、氣候變化不大的條件下，赤潮容易爆發(fā)。

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作者簡介：胡日查（1982—），男，蒙古族，內(nèi)蒙古通遼人，中級工程師，碩士研究生，研究方向：遙感影像解譯；通訊作者：王志威（1987—），男，漢族，湖北赤壁人，副高級工程師，碩士研究生，研究方向：自然資源確權(quán)；姚馳（2002—），男，漢族，湖北天門人，本科在讀，研究方向：遙感信息處理應用；周寒（2000—），女，漢族，湖南寧鄉(xiāng)人，碩士研究生在讀，研究方向：遙感信息處理應用。