浮游植物是海洋环境中初级生产力的重要组成部分, 在海洋生态系统中扮演着极为重要的角色。叶绿素浓度是衡量海洋浮游植物生物量和初级生产力的重要参数, 也是反映水体富营养化程度和赤潮发生的重要指标之一。目前, 叶绿素浓度的获取手段一般为野外观测和遥感反演。野外观测的叶绿素浓度数据相对较为准确, 但耗时长、成本高, 而且时空分辨率较低, 难以应用到较大尺度的研究^[1]。卫星遥感数据(如MODIS、SeaWiFS、GOCI、MERIS等)具有较高的时空分辨率^[2], 而且能够进行大面积的同步观测, 因此其在海洋叶绿素浓度估算、时空动态分析及其赤潮监测研究中得到了较为广泛的应用^[1-3]。

渤海是我国北方的主要渔场, 也是我国海洋渔业资源增殖基地。近年来受人类活动的强烈影响, 渤海近岸海域水环境质量恶化, 水体富营养化严重, 赤潮灾害频繁发生。其中, 秦皇岛附近海域多次发生全国单次面积最大、持续时间最长的赤潮灾害, 不仅给海洋生态环境带来严重危害, 而且给海洋经济造成巨大损失。例如, 2010年秦皇岛附近海域发生的赤潮灾害, 造成的直接经济损失达2.05亿元^[4]。因此, 研究渤海叶绿素浓度时空特征并对赤潮进行监测具有重要意义。

渤海叶绿素浓度偏高及有害赤潮问题已引起政府及科学界的高度关注, 诸多学者对此也开展了许多研究。例如, Fu等^[1]、Zhang等^[5]、许士国等^[6]、Liu等^[7]对渤海叶绿素浓度的时空特征及发展趋势进行了研究, 刘丽雪等^[8]、周慧敏等^[3]分析了渤海中部叶绿素浓度与环境因子的关系, 王其茂等^[9]对渤海辽东湾和黄河口2002年6月和2004年5月发生的赤潮进行了遥感监测, 李大鸣等^[10]通过建立二维赤潮生态数学模型模拟了渤海2004年6月份赤潮的生消过程, Zhang等^[11]对渤海2014年的赤潮发生及动态进行了遥感监测, 匡翠萍等^[12]基于FBM法追踪了2012年秦皇岛海域的赤潮迁移扩散过程。综上, 目前大多研究对渤海叶绿素浓度或赤潮仅开展了单一对象的研究, 而且有的研究时期相对较早, 不能反映最新动态。为此, 本文将基于MODIS数据对渤海叶绿素浓度时空特征进行研究, 在此基础上遥感监测赤潮的发生及分布。研究结果将为渤海赤潮的预测和防治提供科学依据和技术支持。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

渤海是典型的半封闭陆架浅海, 仅在东部以狭窄的渤海海峡与北黄海相通(图 1), 海域面积为7.7×10⁴ km², 平均深度为18 m, 水交换能力弱, 纳污能力差。共有黄河、海河、辽河和滦河等40余条河流流入渤海, 每年平均径流量约792亿m³, 其中, 黄河是渤海最大的入海河流。受环渤海地区人类活动的影响, 包括工业污水大量排放、人口及生活污水增加、农业化肥大量施用、入海径流量大幅下降等, 渤海生态与环境遭到严重破坏。据《北海区海洋环境公报》和《中国海洋环境质量公报》显示, 近年来, 渤海近岸海域海水环境污染严重, 水质劣于第四类海水水质标准, 主要超标物质为无机氮和活性磷酸盐。其中, 辽东湾、渤海湾和莱州湾近岸海域水体富营养化严重, 赤潮灾害频繁发生。

1.2 数据

本文应用的MODIS数据来自NASA Oceancolor网站(http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/)提供的Aqua星二级产品, 数据下载时间为2014—2015年渤海赤潮频发的5—10月, 该产品已经过大气校正, 几何校正采用SNAP软件完成。该数据含有叶绿素浓度(Chl, mg/m³)、荧光基线高度(nFLH, W/(m²·μm·sr))、10个波段的反射率(Rrs, sr⁻¹)等信息, 其时间和空间分辨率分别为1 d和1 km。其中, 本研究所用的叶绿素浓度数据为OC3算法的估算结果。

赤潮历史数据(表 1)主要来自2014—2015年国家海洋局发布的《中国海洋灾害公报》和北海分局发布的《北海区海洋环境公报》。

2 结果与分析 2.1 叶绿素浓度的时间分布

图 2是基于MODIS数据的2014年5—10月渤海表层水体叶绿素浓度分布图, 由图可见, 5月12日, 渤海表层叶绿素浓度总体较低, 但自5月下旬以来, 叶绿素浓度升高, 并在秦皇岛海域达到峰值。到8月份, 叶绿素浓度在渤海整体最高, 大部分海域叶绿素浓度值在6 mg/m³以上, 然后随着时间的推移, 叶绿素浓度开始降低, 到10月份(10月16日), 叶绿素浓度值降至4 mg/m³以下。对照而言, 渤海表层水体叶绿素浓度在2015年的季节变化特征(图 3)与2014年基本相似, 但浓度值总体偏低。

2.2 叶绿素浓度的空间分布

从空间分布(图 2和图 3)来看, 秦皇岛近岸海域、渤海湾、辽东湾、莱州湾的叶绿素浓度相对较高, 尤其是秦皇岛近岸海域, 不仅数值高、覆盖面积大, 而且持续时间也长, 例如, 2014年5月26日, 秦皇岛附近大范围海域的叶绿素浓度值达20 mg/m³以上。其次是渤海湾或其东部海域, 叶绿素浓度也相对较高。对照而言, 渤海中部的叶绿素浓度相对较低。

2.3 叶绿素浓度阈值法提取赤潮

赤潮, 也叫有害藻类水华(Harmful algal blooms, HABs), 是由海水中某些浮游植物、原生动物或细菌在一定环境条件下, 爆发性增值或聚集而引起水色变化的生态异常现象^{[9, 13]}。叶绿素浓度是最主要的赤潮特征参数, 其变化超过一定的阈值时, 可能是赤潮发生的一个标志^[14-15]。早期许多研究应用叶绿素浓度阈值法判断赤潮的发生, 例如, 陈芸芝等^[16]选取14 mg/m³作为赤潮发生的叶绿素浓度阈值, 有效提取了浙江东海的赤潮区域, 陈曦等^[15]对比了叶绿素浓度、海水表面温度、Rrs比值、nLw比值等方法对福建厦门海域赤潮信息的提取效果, 认为叶绿素浓度阈值法(10 mg/m³)的效果最好。总的来说, 不同海域赤潮发生时的叶绿素浓度值有所不同, 因此, 在判断不同研究区域赤潮发生时需选取合适的叶绿素浓度阈值。另外, 在Ⅱ类水体中, 由于受总悬浮泥沙(TSS)和有色可溶性有机物(CDOM)等成分的影响, 遥感估算的叶绿素浓度值通常过高^[17-20], 因此采用叶绿素浓度的单一指标进行赤潮监测存在不确定性和假象^[18]。早期研究认为应用由多波段(547、488和443 nm, MODIS)反射率或(归一化)离水辐亮度合成的ERGB影像区分赤潮水体和其他水体具有较好的可行性^{[18, 20-21]}。因此, 本文结合叶绿素浓度阈值和ERGB影像对渤海赤潮进行目视判别。

根据渤海叶绿素浓度的时空分布特征和ERGB影像, 并参考赤潮实际发生的时间和空间分布信息(表 1), 本文选取16 mg/m³作为渤海海域赤潮发生的叶绿素浓度阈值。图 4为2014年9月3日(在渤海赤潮发生的主要区域中, 影像质量相对较好、缺失数据相对较少)基于MODIS的天津滨海新区附近海域的叶绿素浓度、赤潮信息提取结果和ERGB影像, 由图可见, 提取的赤潮的空间分布与ERGB影像的深色区域相对应。而且, 赤潮的提取面积约280 km², 实际发生的赤潮范围为300 km²。因此, 总的来说, 基于16 mg/m³的叶绿素浓度阈值提取的赤潮与实际现场监测报道相符, 说明结合叶绿素浓度阈值法和ERGB影像对渤海赤潮的监测比较合理。

根据16 mg/m³的叶绿素浓度阈值, 对渤海2014年发生的单次最大面积的赤潮过程(发生时间: 2014年5月15日—8月7日, 发生地点:秦皇岛附近海域)进行了提取, 如图 5所示。虽然部分影像的数据存在较多缺失, 但由图 5仍可以看出秦皇岛附近海域赤潮的发生和消散过程。赤潮发生于5月份, 而且其分布范围在5月下旬达到最大, 然后逐渐消散, 这与以往研究和调查发现秦皇岛附近海域5—6月是叶绿素浓度峰值及赤潮频发期相一致^{[1, 4-5]}。

3 讨论 3.1 渤海叶绿素浓度分布

通过对渤海表层水体叶绿素浓度时空特征的分析表明, Chl-a浓度在5—10月总体较高, 其中, 由5月份开始升高并达到峰值, 然后逐渐降低, 空间上, Chl-a浓度由近岸向渤海中部递减, 该结果与早期的研究是一致的(如Fu等^[1]、周慧敏等^[3]、邹斌等^[22]、Zhang等^[5])。Chl-a浓度的这种季节和空间分布特征可能主要受温度、陆源输入、风速、潮汐等因素的影响。5月份气温上升, 渤海海表温度和光照强度也由此升高, 有助于海洋生物的生长和繁殖^{[3, 22]}, 因此导致Chl-a含量增加。11月份, 气温逐渐降低, 海洋浮游植物的密度也随之下降, Chl-a含量减少, 直到冬季达到最低^[1]。另外, 海表温度的季节性变化会引起水体层化或混合, 进而对叶绿素浓度的季节分布也产生一定影响^[5]。

营养盐是海洋浮游植物生长的重要限制因子, 是海洋初级生产力和食物链的基础^[23]。早期研究表明, 陆源输入是近岸海域营养盐的主要来源, 特别是河流在营养盐由陆地到海洋的输送过程中发挥了重要作用^[24]。渤海是我国最大的内陆海, 共有40多条河流汇入, 入海径流携带大量营养盐进入河口-近岸海域^{[1, 6, 8, 22]}, 加剧了水体富营养化状况, 沿海特别是秦皇岛近岸海域、渤海湾、莱州湾等水域的Chl-a浓度较高, 而向渤海中部则有所降低。另外, Zhang等^[11]的研究表明, 2000—2012年河流输入的营养盐增加使渤海Chl-a浓度表现出上升趋势。

风对Chl-a浓度的时空分布也有一定影响。渤海处于我国温带大陆性季风气候区, 夏季盛行西南风, 冬季盛行东北风, 尤其是冬季季风频繁且风速较大, 促进海水表层与底层之间的充分交换, 并将营养盐带至表层, 影响了浮游植物的生长、繁殖及Chl-a浓度分布^[1]。此外, 波浪、潮汐、沿岸流等对Chl-a浓度在水平方向的迁移或扩散有一定影响^[12]。

3.2 渤海赤潮的发生及分布

由表 1显示, 河北秦皇岛近岸海域、辽东湾部分海域以及天津近岸海域是渤海赤潮发生的主要区域。其中, 秦皇岛近岸海域在2014和2015年均发生了全国单次持续时间最长、面积最大的赤潮过程, 起始于5月中下旬, 结束于8月上中旬, 持续时间近3个月, 而且均由抑食金球藻引发; 尤其是2014年, 赤潮面积最大, 达2 000 km²。翟伟康等^[4]的统计分析表明, 秦皇岛海域近年来发生的赤潮灾害达45次, 累积影响面积1.5万余km², 是渤海赤潮灾害频发海域。相对而言, 天津近岸海域及辽东湾部分海域发生的赤潮, 时间较短、面积较小、影响较弱。

叶绿素浓度是浮游生物量变化的重要指标, 赤潮的发生及发展必然导致叶绿素浓度值发生巨大的变化。其中, 径流为赤潮的发生提供了N和P营养物质^[25-27], 因此, 近岸海域的叶绿素浓度通常偏高, 而近岸通常也是赤潮的多发区。例如, Fu等^[1]的研究认为, 河流输入对秦皇岛附近海域较高的叶绿素浓度以及赤潮的发生有着显著的贡献, 而且, 秦皇岛海域属于半日潮, 潮差最小、流速低、水交换能力弱, 也为浮游植物的生长提供了有利条件。本文对秦皇岛附近海域赤潮过程的分析表明, 2014年秦皇岛附近海域发生的赤潮在5月中下旬最为严重, 然后逐渐消散(图 5), 这可能是因为冬季强风将底层营养盐带至表层, 为春季浮游植物的生长和繁殖提供了丰富的营养补给。PNAS的最新研究发现, 海洋温度是有害藻华(HABs)发生的重要影响因素之一, 全球变暖导致海表温度持续升高, 进而使得HABs发生频率呈上升趋势^[28]。由此推测, 未来渤海赤潮灾害可能将持续发生, 而且可能有加剧的趋势。

赤潮爆发可能是渤海底部季节性低氧现象发生的重要原因之一, 张华等^[29]和Zhai等^[30]的研究均认为, 渤海赤潮的发生与底部低氧区的形成存在密切关系, 但他们未针对此推断开展深入的研究。本文对赤潮的研究发现, 秦皇岛附近海域2014的赤潮分布与张华等^[29]研究发现的渤海北部低氧区位置相吻合, 说明秦皇岛附近海域5—8月发生的赤潮特别是春季赤潮的爆发为低氧区的生成创造了条件。另外, 张华等^[29]研究还发现, 渤海湾东部也存在一个低氧区, 渤海低氧区呈现南北“双核”结构。为此, 本文也对渤海湾东部低氧区的对应位置是否发生赤潮进行了分析。由图 6可见, 2014年8月底至9月中旬在渤海湾东部监测到赤潮分布, 而且《中国海洋灾害公报》也显示该区域9月中旬有赤潮发生(表 1), 由此说明赤潮爆发可能对低氧区的生成和发展起重要作用。赤潮发生时浮游植物大量繁殖, 之后衰亡沉降到海底并进行矿化分解消耗大量氧气, 同时夏季温盐跃层的出现限制了表层溶解氧向底层的扩展, 由此导致底部缺氧进而形成低氧区^[31]。Le等^[2]对北墨西哥湾的研究发现, 7月份大陆架Chl-a与缺氧区的面积及体积呈正相关, 而6月份河流羽流面积与仲夏的缺氧面积及体积呈负相关, 并基于它们之间的关系建立多元回归模型, 解释了缺氧区面积和体积的变化。在未来研究中, 我们将进一步收集渤海低氧区的时间序列资料, 以期建立赤潮等相关要素与低氧区面积或体积之间的关系, 进而深入分析赤潮发生对低氧区形成的贡献。

4 结论

基于2014—2015年渤海赤潮频发期(5—10月)的MODIS数据对渤海表层水体叶绿素浓度时空特征进行了分析, 在此基础上, 有效提取了赤潮的分布与发生过程。取得的主要结论如下:

1) 5–10月, 渤海表层水体叶绿素浓度总体较高, 其中, 在5月份达到峰值。

2) 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, 尤其是秦皇岛附近海域, 不仅数值高、范围大, 而且持续时间长。

3) 结合叶绿素浓度阈值(16 mg/m³)和ERGB影像, 成功提取了渤海赤潮信息。其中, 对渤海赤潮频发区和重灾区——秦皇岛附近海域赤潮过程的监测发现, 赤潮发生于5月份, 其分布范围在5月下旬达到最大, 然后逐渐消散。

4) 赤潮分布与渤海底部两个低氧区位置(秦皇岛附近海域和渤海湾东部)相吻合, 说明赤潮爆发可能对渤海低氧区的形成和发展起重要作用。