基于MODIS數(shù)據(jù)反演的渤海葉綠素濃度時(shí)空變化

錢(qián)莉，劉文嶺，鄭小慎

（天津科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院 天津市海洋資源和化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457）

基于MODIS數(shù)據(jù)反演的渤海葉綠素濃度時(shí)空變化

錢(qián)莉，劉文嶺，鄭小慎

（天津科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院 天津市海洋資源和化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457）

采用離散時(shí)間功率譜、距平、滑動(dòng)平均等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了MODIS反演得到的渤海海域2002－2009年葉綠素濃度的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明，葉綠素濃度多年月平均值的波峰出現(xiàn)在2－3月份，波谷在7月份。葉綠素多年平均值近海明顯高于外海，由近海往外遞降，最低值出現(xiàn)在渤海海峽和北黃?？诟浇?。通過(guò)對(duì)葉綠素濃度多年月距平值進(jìn)行離散時(shí)間功率譜的分析并進(jìn)行F檢驗(yàn)，能通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)有7.5年和2.5年兩個(gè)顯著性變化周期。2003－2009年間葉綠素濃度差值圖像的空間分布表明，2006年整個(gè)渤海海域葉綠素濃度高于7年均值。

渤海；葉綠素a；時(shí)空變化；MODIS

渤海位于37°－41°N，117°35′－121°10′E，是我國(guó)最大的深入大陸的近封閉型內(nèi)海，只有東面通過(guò)渤海海峽與黃海相通，主要分為渤海灣、遼東灣、萊州灣、渤海中央盆地和渤海海峽五部分。其水體交換能力差，自?xún)裟芰Φ?，每年都要接納大量的陸源污染物。

海洋葉綠素對(duì)海區(qū)的海洋－大氣系統(tǒng)中碳循環(huán)、赤潮監(jiān)測(cè)、環(huán)境評(píng)估等的研究及漁業(yè)管理等具有重要研究意義[1]，而傳統(tǒng)的取樣調(diào)查方法主要是靠船只走航，其無(wú)法滿(mǎn)足大范圍監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)取樣的要求。遙感以其覆蓋范圍廣、大尺度、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)海洋實(shí)現(xiàn)大范圍的觀測(cè)，從而彌補(bǔ)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分散的缺陷，更有利于對(duì)海洋現(xiàn)象進(jìn)行分析和研究[2]。近年來(lái)，高光譜技術(shù)發(fā)展迅速，MODIS以其分辨率高、重復(fù)訪(fǎng)問(wèn)周期短和快速獲取等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中[3]。

Nikolay[4]用SeaWiFS數(shù)據(jù)分析了里海葉綠素季節(jié)、年際變化模式以及其與溫度（SST）、北大西洋濤動(dòng)（NAO）指數(shù)等環(huán)境因子的動(dòng)態(tài)關(guān)系，鄒亞榮[5]基于2003年數(shù)據(jù)分析、鄒斌等[6]分別基于HY- 1/ COCTS和MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析了2003年渤海葉綠素的時(shí)空分布及其與海溫的關(guān)系，萬(wàn)小芳等[7]用SeaWiFS衛(wèi)星資料分析了臺(tái)灣海峽表層葉綠素的季節(jié)、年際變化及典型區(qū)域的分布特征。

縱觀以上研究結(jié)果，葉綠素的變化研究?jī)H停留在短時(shí)間上，因此很難對(duì)其變化規(guī)律做出客觀全面的描述。本文基于MODIS數(shù)據(jù)反演的葉綠素?cái)?shù)據(jù)，從MODIS-Aqua向地面返回?cái)?shù)據(jù)2002年7月到2009年12月共8年的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，分析其在渤海海域的時(shí)空分布特征，為渤海資源評(píng)估、環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 MODIS遙感數(shù)據(jù)

式中，Ca為葉綠素的濃度（mg/m3）,Rrs為衛(wèi)星測(cè)得的遙感反射率。

三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)地圖影像數(shù)據(jù)（L3 SMI）是一種等距柱面圓柱投影的柵格數(shù)據(jù)，對(duì)于MODIS-Aqua其分辨率大約為4.5 km。這種葉綠素算法是針對(duì)開(kāi)闊大洋水體開(kāi)發(fā)（一類(lèi)水體），用于二類(lèi)水體反演時(shí)，將高估葉綠素濃度值[13]，而渤海屬于典型的二類(lèi)水體，但是其變化趨勢(shì)是一致的，因此本文只用反演數(shù)據(jù)分析其變化趨勢(shì)而不與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

本文應(yīng)用衛(wèi)星反演的ρ(Chl?a)并裁剪出渤海海域（37°N-41°N, 117°E-122°E）為研究區(qū)域，時(shí)間跨度從2002年7月MODIS-Aqua發(fā)射到2009年12月，共90個(gè)月，分析其在渤海海域的時(shí)空變化趨勢(shì)。

1.2 方法

本文主要應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)渤海ρ(Chl?a)進(jìn)行分析。由于衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)受到大氣氣溶膠等干擾因素而影響觀測(cè)精度，本文引入多年平均的距平值而非絕對(duì)值分析其時(shí)空變化，以2003－2009全年同月平均值作為參考數(shù)據(jù)計(jì)算葉綠素距平值。

對(duì)于某一離散時(shí)間序列x，任意給定i時(shí)刻的距平值為：

采用統(tǒng)計(jì)方法中的滑動(dòng)平均分析長(zhǎng)時(shí)間序列的顯著性變化趨勢(shì)，滑動(dòng)平均序列的公式如下：

式中，n為樣本容量，K 為滑動(dòng)長(zhǎng)度，常取為基數(shù)。為了消除季節(jié)性的影響，本文選取滑動(dòng)長(zhǎng)度K=5。

采用統(tǒng)計(jì)方法中的離散功率譜方法分析渤海葉綠素濃度的顯著性變化周期。對(duì)于某個(gè)含有n個(gè)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)首先計(jì)算該數(shù)據(jù)在不同波數(shù)時(shí)的傅里葉系數(shù)[8]。

式中，ak和bk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)，Tk和sk分別表示不同波數(shù)k的變化周期和功率譜能。因此本篇中時(shí)間序列的長(zhǎng)度n=90，波數(shù)k=45。

最后，以1?α=0.95置信水平對(duì)離散功率譜方法獲得的振動(dòng)功率和周期進(jìn)行F檢驗(yàn)[9]。

式中，2和n?2? 1分別為分子和分母的自由度，s2為原時(shí)間序列的方差，當(dāng)認(rèn)為周期是顯著的，本文中置信水平

2 結(jié)果和討論

2.1 渤海海域葉綠素a的季節(jié)變化特點(diǎn)

剔除MODIS影像上的異常值像素點(diǎn)，對(duì)所有有效值點(diǎn)進(jìn)行平均（像素點(diǎn)數(shù)目≥10個(gè)），將渤海海域2003－2009年7年的ρ(Chl?a)按月平均，得到逐月變化曲線(xiàn)（圖1）。由圖1可知，月均值在3.8～5.2 mg/m3之間，多年平均值為4.5 mg/m3。該曲線(xiàn)波峰出現(xiàn)在2－3月份，之后下降，波谷在7月份。葉綠素濃度總體呈現(xiàn)為秋冬季相對(duì)較高，春夏季相對(duì)較低，該變化形式與鄒斌對(duì)渤海葉綠素季節(jié)分布特征相一致[6]。

海洋葉綠素的時(shí)空變化可顯示海區(qū)基本的生態(tài)信息，與光照、營(yíng)養(yǎng)鹽、鹽度、溫度、潮、流等因素密切相關(guān)。海洋中的環(huán)境因子（光照、營(yíng)養(yǎng)鹽、溫度、混合層深度和季風(fēng)等）以及浮游動(dòng)物的攝食對(duì)海洋中的浮游植物和葉綠素的時(shí)空變化影響很大。渤海因水淺，封閉性強(qiáng)，受大陸氣候影響顯著，冬季，渤海盛行偏北季風(fēng)，陸架淺海區(qū)對(duì)流混合可達(dá)到海底，渦動(dòng)混合也是全年最強(qiáng)，深層的營(yíng)養(yǎng)鹽和懸浮物質(zhì)被帶到表層[10]，從而使得遙感反演的ρ(Chl?a)較高。冬季到春季，表層海水溫度逐漸上升，由于海水垂直混合程度減弱和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少的影響而使大部分海域ρ(Chl?a)有所降低，但由于光照增強(qiáng)有利于浮游植物的光合作用，因此ρ(Chl?a)相對(duì)全年較高[6]。夏季光照充足，表層水溫為全年最高，垂直混合變淺，浮游動(dòng)物大量繁殖，消耗大量浮游植物[11]，ρ(Chl?a)降低，7月份葉綠素均值下降到全年最低值為3.8 mg/m3。秋季光照開(kāi)始減弱，表層水溫逐漸下降，對(duì)流混合開(kāi)始增強(qiáng)，因此表層營(yíng)養(yǎng)鹽重新得到補(bǔ)充，使得ρ(Chl?a)逐漸增加[12]。

圖 1 渤海海域2003－2008年葉綠素月均值變化曲線(xiàn)Fig.1 Variation of monthly-average of Chl-a in Bohai Sea during 2003-2008

2.2 渤海海域葉綠素a的年際變化特點(diǎn)

剔除MODIS影像上的異常值像素點(diǎn)，對(duì)所有有效值點(diǎn)進(jìn)行平均，得到渤海葉綠素濃度2002年7月－2009年12月的時(shí)間序列的變化曲線(xiàn)和為了消除季節(jié)影響進(jìn)行5個(gè)月平滑后的曲線(xiàn)（圖2）。從圖2可知，月均值為3.1～6.5 mg/m3，每年可能出現(xiàn)多個(gè)波峰與波谷，但波峰一般在2－3月份，波谷基本出現(xiàn)在每年的7月份。從2002年7月－2006年8月，葉綠素月均值呈緩慢的上升趨勢(shì)，這之后緩慢的下降，2006年ρ(Chl?a)最高。圖3為渤海葉綠素距平曲線(xiàn)和其5個(gè)月平滑后的曲線(xiàn)，可以看出，該曲線(xiàn)以2006年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，2006年前葉綠素月距平值為負(fù)，2006年－2007年8月葉綠素距平值為正，但波動(dòng)幅度都較小，說(shuō)明2006、2007年葉綠素相對(duì)較高。圖2 和圖3的平滑曲線(xiàn)也表明，ρ(Chl?a)總體呈上升趨勢(shì)，變化幅度相對(duì)較緩慢，以2006年上升最快。

圖2 2002年7月－2009年12月ρ(Chl?a)月均值及5個(gè)月平滑值變化曲線(xiàn)Fig.2 Monthly average of Chl-a concentration in Bohai Sea during July 2002 to December 2009

圖3 2002年7月-2009年12月ρ(Chl?a)距平值及5個(gè)月平滑值變化曲線(xiàn)Fig.3 Monthly anomalies of Chl-a concentration in Bohai Sea during July 2002 to December 2009

2.3 渤海葉綠素a的主要年際變化周期

應(yīng)用離散時(shí)間功率譜方法對(duì)2002－2009年ρ(Chl?a)月均距平的顯著性變化周期進(jìn)行分析，并對(duì)功率譜以1?α=0.95置信水平進(jìn)行F檢驗(yàn)（圖4）。從圖4可知，波峰位置分別位于85/1，85/3，85/10， 85/15，但是能通過(guò)0.95顯著性檢驗(yàn)的位于橫坐標(biāo)90/1和90/3，也就是ρ(Chl?a)月均距平大約有7.5年和2.5年兩個(gè)顯著性變化周期，即渤海海域葉綠素濃度每2.5年和7.5年的會(huì)出現(xiàn)高值或低值。

圖 4 2002年7月－2009年12月ρ(Chl?a)月均距平功率譜和0.95置信水平曲線(xiàn)Fig.4 Power spectral density and F-inspection line (the dashed line) of ρ(Chl?a) during July 2002 to December 2009

2.4 渤海葉綠素a空間分布特征

2003－2009年渤海ρ(Chl?a)7年均值的空間分布如圖5所示。ρ(Chl?a)主要集中到在4～5 mg/m3內(nèi)，主要分布在渤海中央盆地，渤海海峽和北黃海ρ(Chl?a)最低為2～3 mg/m3，高濃度的葉綠素主要位于沿岸近海，并且在萊州灣、渤海遼東灣頂端ρ(Chl?a)最大。2003－2009年ρ(Chl?a)均值總體呈現(xiàn)近海高，外海低，低值區(qū)分布范圍廣的趨勢(shì)。近海由于深度淺、混合強(qiáng)、陸源河流帶來(lái)豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽，為浮游植物的生長(zhǎng)提供了良好的棲息地，導(dǎo)致ρ(Chl?a)近海較外海高。

圖 5 2003－2009年渤海海域ρ(Chl?a)（mg/m3）均值的空間分布Fig.5 Average composite image of Chl-a distribution (mg/m3) during 2003-2009

以2003－2009年7年ρ(Chl?a)均值為基準(zhǔn)，圖6是各年年均ρ(Chl?a)與7年ρ(Chl?a)均值做差值運(yùn)算結(jié)果，高于7年ρ(Chl?a)均值的區(qū)域用紅色表示，低于7年ρ(Chl?a)均值的區(qū)域用綠色表示。

總體來(lái)看，2003－2009年ρ(Chl?a)的年際變化規(guī)律性不強(qiáng)，但變化顯著。其中2003，2004，2005年三年的ρ(Chl?a)相對(duì)于7年來(lái)說(shuō)不是很高，2003年僅在遼東灣高于7年均值，而2004，2005年分別為萊州灣和渤海灣；2006，2007兩年的ρ(Chl?a)相對(duì)于7年均值來(lái)說(shuō)較高，2006年全渤海海域ρ(Chl?a)都較高，這也與上述的2006全年ρ(Chl?a)距平值為正一致，2007年整個(gè)渤海中央和遼東灣ρ(Chl?a)較高；2008年ρ(Chl?a)高于7年均值的區(qū)域離散分布于整個(gè)渤海海域，其中渤海灣大部分濃度值較7年均值高；2009年的分布與2007年很類(lèi)似，也是渤海中央分散著大于7年均值的葉綠素濃度。

圖 6 2003-2009年均葉綠素濃度與6年均值葉綠素濃度差值運(yùn)算Fig.6 the difference of chlorophyll concentration beween 2003-2009 annual average and 6-year average value

3 結(jié) 論

本文分析了2002－2009共8年MODIS反演的渤海ρ(Chl?a)時(shí)間序列的變化特征。結(jié)果表明，ρ(Chl?a)月均最小值在7月份，最大值在2－3月份；其年際變化表現(xiàn)為總體呈緩慢的上升趨勢(shì)；其空間變化表現(xiàn)為從近海到外海快速遞降的趨勢(shì)；通過(guò)功率譜的分析，得到葉綠素距平值有2年和4年2個(gè)顯著性變化周期。標(biāo)準(zhǔn)的MODIS葉綠素算法是針對(duì)開(kāi)闊大洋水體開(kāi)發(fā)（一類(lèi)水體），其海面顏色主要由葉綠素來(lái)決定，這種算法用于二類(lèi)水體反演時(shí)，將高估葉綠素濃度值，是由于二類(lèi)水體其色素濃度由黃色物質(zhì)、懸浮泥沙和葉綠素共同作用[13]。渤海屬于典型的二類(lèi)水體，因此用MODIS經(jīng)驗(yàn)算法反演的葉綠素濃度相對(duì)實(shí)測(cè)值會(huì)有所偏高，發(fā)展更適合二類(lèi)水體葉綠素算法還有待更進(jìn)一步的研究。

致謝：本文所用的MODIS衛(wèi)星獲得的葉綠素濃度數(shù)據(jù)由http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/網(wǎng)站提供，感謝NASA水色處理中心提供的數(shù)據(jù)。

[1]趙輝, 齊義泉, 王東曉.南海葉綠素濃度季節(jié)變化及空間分布特征研究 [J].海洋學(xué)報(bào), 2005, 4 (27 ): 45-52.

[2]沙慧敏, 李小恕, 楊文波, 等.用MODIS遙感數(shù)據(jù)反演東海海表溫度、葉綠素a濃度年際變化的研究 [J].大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 2(24): 151-156.

[3]Min W, Wei Z H, Xuejun W.Application of MODIS satellite data in monitoring water quality parameters of Chaohu Lake in China [J].Environ Monit Assess, 2009, 148: 255-264.

[4]Nikolay P N.Patterns of Seasonal and Interannual Variability of Remotely Sensed Chlorophyll [J] .Hdb Env Chem Part Q, 2005, 5: 143–157.

[5]鄒亞榮.渤海葉綠素a時(shí)空分布特征分析 [J].遙感信息, 2004.(3): 30-32.

[6]鄒斌, 鄒亞榮, 金振剛.渤海海溫與葉綠素季節(jié)空間變化特征分析 [J].海洋科學(xué)進(jìn)展, 2005, 4 (23): 487-492.

[7]萬(wàn)小芳.臺(tái)灣海峽表層葉綠素含量的季節(jié)、年際變化特征研究[J].臺(tái)灣海峽, 2007, 26(1) : 36-45.

[8]魏鳳英.現(xiàn)代氣象統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)報(bào)技術(shù) [M].北京: 氣象出版社, 2007.

[9]黃嘉佑.氣象統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)報(bào)方法 [M].北京: 氣象出版社, 2000.

[10]孫湘平.中國(guó)近海區(qū)域海洋 [M].北京: 海洋出版社, 2006.

[11]沈國(guó)英, 施并章.海洋生態(tài)學(xué) [M].北京: 科學(xué)出版社, 2002.

[12]吳榮軍, 呂瑞華, 朱明遠(yuǎn).海水混合和層化對(duì)葉綠素a垂直分布的影響 [J].生態(tài)環(huán)境, 2004, 13 (4): 515-519.

[13]Nikolay P N.Seasonal and Interannual Variability of Remotely Sensed Chlorophyll [J].Hdb Env Chem Part Q, 2008, 5: 333-343.

Spatial-temporal variation of Chlorophyll-a concentration in Bohai Sea based on MODIS

QIAN Li, LIU Wen-ling, ZHENG Xiao-shen

(Tianjin Key Laboratory of Marine Resources and Chemistry, College of Marine Science and Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

Spatial-temporal variation of Chlorophyll-a concentration based on Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS-Auqa, aboard Auqa satellite) was analyzed since the starting of MODIS-Auqa mission in July 2002 till December 2009.Statistical methods including anomaly, sliding average, power spectral density were used to analyze the spatial-temporal variation of Chlorophyll-a concentration in the Bohai Sea.Seasonal variation of Chlorophyll-a concentration represented the maximum values in February-March, the minimum values in July.Spatial variation showed the high concentration of Chlorophyll-a in coastal shore and decreased to offshore and the minimum values lay in Bohai strait and northern Huanghai Sea.The monthly anomalies showed about 4-year and 2-year cycle.In 2006, the whole Bohai Sea showed high Chlorophyll-a concentration from 2003 to 2008.

Bohai Sea; Chlorophyll-a; spatial-temporal variation; MODIS

TP79

A

1001-6932(2011)06-0683-05

2010-03-28；

2010-11-01

天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (09JCZDJC25400，08JCYBJC10500 )。

錢(qián)莉 ( 1985－)，女，碩士研究生，主要從事海洋環(huán)境遙感。電子郵箱：qianli_0429@126.com。

劉文嶺，研究員。研究方向海洋遙感，電子郵箱：lwl@tust.edu.cn。