黃海綠潮分布年際變化分析＊

黃 娟，吳玲娟*，高 松，李 杰

(1．國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東 青島266061;2．山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061)

綠潮指海洋大型藻類在一定環(huán)境條件下暴發(fā)性增殖或聚集形成大面積漂浮的海洋生態(tài)異?，F(xiàn)象。綠潮在全球沿岸海域暴發(fā)并造成嚴(yán)重危害的現(xiàn)象變得越來(lái)越頻繁，發(fā)生地理范圍也日趨增大，已經(jīng)成為一種世界性的海洋災(zāi)害。從1980年美國(guó)、加拿大、荷蘭、法國(guó)、日本和韓國(guó)等國(guó)家均暴發(fā)過綠潮災(zāi)害，法國(guó)沿岸海域尤為嚴(yán)重。我國(guó)黃海也連續(xù)7年暴發(fā)大規(guī)模綠潮，對(duì)2008年青島奧運(yùn)會(huì)帆船/板賽和2012年的海陽(yáng)亞洲沙灘運(yùn)動(dòng)會(huì)等諸多海上賽事造成了困難，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖、濱海旅游、海上交通運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的影響尤為嚴(yán)重。雖然綠潮連年暴發(fā)，但是每年分布特征都不盡相同，例如，2009年綠潮發(fā)生比2008年晚約半個(gè)多月;2009年綠潮的規(guī)模比其他年份都大，但是僅停留在大公島附近海域，只有零星綠潮登陸青島沿岸;其他年份都在青島沿岸登陸，特別2008年大量綠潮逼近青島影響奧帆賽場(chǎng)［1，2］，在岸灘產(chǎn)生大量堆積。

目前的研究大部分聚焦于黃海綠潮的分布特征和成因以及追溯其來(lái)源，但關(guān)于綠潮覆蓋和分布面積、漂移路徑的年際變化方面的研究鮮有報(bào)道?；谛l(wèi)星遙感的黃海綠潮的分布特征研究方面:李大秋等［3］從MODIS衛(wèi)星圖像發(fā)現(xiàn)綠潮在黃海多呈條帶狀分布;Thorpe［4］從合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像中發(fā)現(xiàn)，滸苔條帶之間距離大部分為1～1．5 km，并認(rèn)為是小的拉彌爾環(huán)流條帶逐步合并的結(jié)果。Qiao［5］指出滸苔條帶基本消除了風(fēng)場(chǎng)下游海浪中的小尺度波動(dòng)，風(fēng)場(chǎng)下游區(qū)域水體而不是滸苔本身使得海洋遙感圖像出現(xiàn)異常。在綠潮溯源研究方面，相關(guān)學(xué)者基于MODIS衛(wèi)星圖像［6，7］、分子系統(tǒng)學(xué)和脂肪酸組成的GCMS分析［8］和滸苔樣品遺傳多樣性分析［9］研究結(jié)果表明，青島近海漂浮滸苔是從外海漂移過來(lái)的。范士亮等［10］通過分析2009～2010年海上連續(xù)跟蹤觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)2009和2010年黃海漂浮綠潮藻最早發(fā)現(xiàn)于江蘇南通小洋口外的太陽(yáng)島附近，其發(fā)生發(fā)展過程比較相似，但發(fā)生時(shí)間、規(guī)模和漂移路徑有所差異;還有學(xué)者利用海洋數(shù)值模擬方法［11］，發(fā)現(xiàn)2008年綠潮主要來(lái)源于黃海南部江蘇連云港和鹽城近海海域。此外，還有研究認(rèn)為2008年黃海綠潮的形成種來(lái)源于江蘇省紫菜栽培筏架，綠潮的暴發(fā)與江蘇省紫菜栽培面積的擴(kuò)大密切相關(guān)［12］，也有學(xué)者認(rèn)為二者之間并沒有關(guān)系［13］。上述大部分研究是追溯某些年份黃海綠潮的源頭，但利用多年監(jiān)測(cè)資料追溯綠潮源頭和早期分布的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

因此，本文利用2008～2013年綜合監(jiān)測(cè)資料分析綠潮分布的年際變化，并利用綠潮溯源模式和衛(wèi)星首次發(fā)現(xiàn)的綠潮位置追溯近6年綠潮早期分布。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2008～2013年綠潮發(fā)生期間，國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心每天利用可見光/微波遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、航空、船舶、陸岸巡視等多源、多時(shí)相監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行綠潮信息處理，并基于多源、多時(shí)窗數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)所提取的綠潮信息進(jìn)行融合［14］，為綠潮漂移預(yù)測(cè)和溯源模式提供初始場(chǎng)，同時(shí)為研究綠潮分布、發(fā)生發(fā)展和漂移機(jī)理等提供依據(jù)?？梢姽夂臀⒉ㄐl(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是綠潮業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)的主要手段，其他數(shù)據(jù)為輔。

1．1 可見光數(shù)據(jù)

可見光數(shù)據(jù)主要包括美國(guó)NASA TERRA/AQUAMODIS和中國(guó)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)衛(wèi)星(HJ-1A、B)等免費(fèi)光學(xué)數(shù)據(jù)。MODIS是新一代“圖譜合一”的光學(xué)遙感儀器，具有36個(gè)光學(xué)通道，分布在0．4～14μm的電磁波譜范圍內(nèi)。MODIS的地面分辨率分別為250 m、500 m和1 000 m，能夠覆蓋整個(gè)黃海。MODIS每天兩次過境，是一種可確保連續(xù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)源?！碍h(huán)境減災(zāi)-1”衛(wèi)星(HJ-1A、B)是我國(guó)自主研發(fā)的首顆專門用于環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星，空間分辨率優(yōu)于30 m，可實(shí)現(xiàn)2天一次的重復(fù)觀測(cè)?？梢姽膺b感數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括幾何糾正、云檢測(cè)、裁切(MODIS)或拼接(HJ-lA、B)，信息提取包括植被指數(shù)計(jì)算和閾值分割［15］。

1．2 微波數(shù)據(jù)

微波遙感具有不受天氣條件影響、全天時(shí)、全天候的監(jiān)測(cè)能力，是監(jiān)測(cè)綠潮的重要手段。綠潮業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)采用的是COSMO SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)。該衛(wèi)星是意大利發(fā)射的，具有響應(yīng)時(shí)間短、影像分辨率高、成像帶寬大、定位精度高等特點(diǎn)，工作在L波段，空間分辨率為25～100 m，極化方式VV，幅寬200 km，入射角在20到35°之間。其數(shù)據(jù)預(yù)處理包括SAR衛(wèi)星影像幾何糾正、裁切和增強(qiáng)Lee濾波處理;信息提取包括綠潮識(shí)別、閾值分割和亮區(qū)提取。

1．3 其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)綠潮發(fā)生發(fā)展情況，利用航空遙感、船舶、陸岸巡視等方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。綠潮的航空遙感監(jiān)測(cè)基于同步獲取的高光譜、多光譜掃描儀和DSS數(shù)碼相機(jī)綠潮監(jiān)測(cè)影像，利用成像光譜儀提供的綠潮區(qū)域連續(xù)光譜信息，優(yōu)化多光譜掃描儀和DSS綠潮信息提取算法，提取綠潮航空遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 綠潮分布和漂移路徑年際變化特征

2．1 衛(wèi)星首次發(fā)現(xiàn)時(shí)的綠潮分布信息

統(tǒng)計(jì)2008～2013年衛(wèi)星遙感首次發(fā)現(xiàn)的綠潮分布情況(圖1和表1)，可以看出，首次發(fā)現(xiàn)綠潮的時(shí)間在5月中旬至6月初，其中2013年最早，2009年最晚。綠潮主要發(fā)生在黃海南部江蘇鹽城外海(120．5～122．5°E，33．0～34．7°N)，或集中或分散。覆蓋面積在3．5～16 km2之間，分布面積在330～1 414 km2之間。

圖1 2008～2013首次被衛(wèi)星遙感發(fā)現(xiàn)時(shí)的綠潮分布(其中2010-6-2代表2010年6月2日)Fig．1 The distribution of green tide when it is recognized by satellite images for the first time from 2008 to 2013(where 2010-6-2 represents June 2，2010)

2．2 綠潮最大覆蓋及分布面積

2008～2013年，綠潮每年出現(xiàn)最大覆蓋及分布面積時(shí)間和規(guī)模不同。出現(xiàn)最大覆蓋面積和最大分布面積的時(shí)間基本上一致。從表1看出，2012和2011年分別是綠潮最大分布面積出現(xiàn)時(shí)間最早和最晚年份，分別出現(xiàn)在6月13日和7月19日，相差1個(gè)多月。2012年和2013年綠潮最大覆蓋和分布面積出現(xiàn)在6月，其他年份則出現(xiàn)在7月。2009年是綠潮面積最大年份，最大覆蓋面積達(dá)到了2 100 km2，分布面積58 000 km2;2012年為綠潮面積最小年份，最大覆蓋面積僅為267 km2，最大分布面積為19 610 km2;其他各年的最大覆蓋面積在530～790 km2之間，最大分布面積范圍25 000～29 800 km2。

一般情況下，較大的覆蓋面積對(duì)應(yīng)著較大的分布面積，但這兩個(gè)面積的年際變化趨勢(shì)并不完全一致。比如，2010和2013年綠潮最大分布面積相當(dāng)(29 800 km2和29 733 km2)，但前者的綠潮最大覆蓋面積明顯小于后者。因此，綠潮分布密度也是衡量綠潮規(guī)模的一個(gè)重要指標(biāo)，其計(jì)算公式為:綠潮分布密度(%)=綠潮覆蓋面積/分布面積×100%。2009年為綠潮分布密度最大的一年，達(dá)到3．62%;2013年次之，為2．66%;2012年的分布密度最小，僅為1．36%;其余3年都在2%左右。

2．3 綠潮同期覆蓋及分布面積年際變化

6～7月是綠潮發(fā)生發(fā)展最為重要的月份。綜合綠潮出現(xiàn)時(shí)間以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋范圍等情況，分別選取不同年份6月初和7月初綠潮的分布情況進(jìn)行綠潮同期比較分析。從圖2a看出，6月初綠潮不同年份分布位置和規(guī)模有比較明顯的差異。2009年綠潮主要位于江蘇鹽城外海，而2008年綠潮已位于青島朝連島海域;2008年6月初綠潮的覆蓋和分布面積是近6年中最大的，2010年6月初是衛(wèi)星剛發(fā)現(xiàn)綠潮，均位于其發(fā)現(xiàn)位置，其覆蓋和分布面積都很小。從圖2b看出，7月1日前后綠潮主要分布在34°～37°N之間，位置和分布范圍相對(duì)一致，除2009年外都不同程度地影響到青島近岸海域。

表1 2008～2013年綠潮發(fā)生發(fā)展情況Tab．1 the development of green tide from 2008 to 2013

圖2 2008～2013年6月初(a)、7月初(6月底)(b)綠潮同期分布情況Fig．2 The distribution of green tide during early June and early July(late June)from 2008 to 2013

2．4 綠潮漂移路徑年際變化

2008～2013年綠潮總體都向偏北方向移動(dòng)，大部分年份影響日照、青島、乳山、威海、煙臺(tái)等近岸海域，但是漂移路徑在方向和時(shí)間上具有明顯的年際變化(圖3)。2008年綠潮向西北方向漂移，并在青島登陸;2009年和2010年先向西北方向漂移，然后向東北方向漂移，但是2009年未在青島登陸;2011年和2012年先向偏北方向漂移，再向西北方向漂移，2011年比2012年整體偏西。2013年先向偏西北方向漂移，再向偏北方向漂移，最后向西北方向運(yùn)動(dòng)，5月22日后漂移趨勢(shì)與2011年相似，整體更偏西，對(duì)近岸影響大。近6年綠潮除了2009年外都在青島登陸，2008年對(duì)青島影響最嚴(yán)重，因此著重分析2008年和2009年綠潮移動(dòng)路徑的差異。

2008年和2009年綠潮的漂移趨勢(shì)明顯不同。綜合監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示2008年5月中旬，在鹽城外海域發(fā)現(xiàn)稀疏綠潮分布;5月底至6月下旬，江蘇如東、連云港海域出現(xiàn)大面積漂浮綠潮，并向北偏西方向漂移，在青島及周邊海域聚集、發(fā)展，6月25日前后，漂浮綠潮先后大量登陸青島、日照、煙臺(tái)、海陽(yáng)等市沿岸，6月29日前后，綠潮分布面積達(dá)到最大。其后，一直維持對(duì)該海域的影響，直至7月中下旬，綠潮分布面積明顯減小;8月上旬聚集綠潮基本消失(圖4a)。2009年黃海綠潮發(fā)生比2008年晚約15天。6月初在黃海中部鹽城外海域發(fā)現(xiàn)明顯漂浮綠潮;6月中下旬黃海中部海域出現(xiàn)大面積漂浮綠潮，最近距青島附近的大公島68 km;此后緩慢的向北偏東方向漂移，至7月中旬分布面積最大;7月下旬綠潮分布在青島、煙臺(tái)、海陽(yáng)等市近岸海域，之后逐漸消亡(圖4b)。2009年綠潮的規(guī)模比2008年更大，但綠潮影響停留在青島、煙臺(tái)、海陽(yáng)等市近海域，僅有零星綠潮登陸青島沿岸;這與2008年大量綠潮登陸青島的情況明顯不同。

3 綠潮早期分布特征

由于缺乏綠潮早期發(fā)生發(fā)展的監(jiān)測(cè)資料，所以我們利用2008～2013年最早通過衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的綠潮所在位置和綠潮溯源模型，獲取綠潮早期分布。

3．1 綠潮溯源模型

綠潮溯源采用三維全動(dòng)力ROMS海洋模式，該模式由Rutger University與UCLA共同研究開發(fā)完成。與其他模式相比有許多值得關(guān)注的特點(diǎn)，比如:其使用的S坐標(biāo)系使得在溫躍層和底邊界層等這些讓人更感興趣的層面上有更高的解析度;在水平對(duì)流、垂向混合等問題的處理上，也有更多的方案可供選擇等。Ezer等［16］發(fā)現(xiàn)ROMS可減少計(jì)算誤差，提高計(jì)算效率。同時(shí)，有強(qiáng)大的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，不斷更新ROMS模塊。該模式作為主要的海洋業(yè)務(wù)化模式之一，在COOPS已經(jīng)開始大量使用［17，18］，并將其列為今后5年業(yè)務(wù)化海洋模式重要模式之一。

根據(jù)綠潮所在位置，采用兩重嵌套技術(shù)，建立2個(gè)區(qū)域模式:大區(qū)域是西北太平洋海域(99°～148°E，9°S～44°N)，水平分辨率0．1°，垂向25層;小區(qū)域是東中國(guó)海(117．5°～135°E，24°～41°N)，水平分辨率1/30°，垂向16層。模式地形來(lái)源于GEBCO(General bathymetric Chart of Oceans)分辨率為1'×1'的數(shù)據(jù)，并采用海圖水深和Google Earth進(jìn)行水深和岸線訂正。大區(qū)域模式采用全球海洋模式(HYCOM+NCODA Global 1/12°Analysis)模式的水位、流場(chǎng)、溫鹽場(chǎng)等輸出結(jié)果作為初值和邊值場(chǎng)，采用北海預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)化WRF大氣模式的風(fēng)場(chǎng)和熱通量場(chǎng)作為大氣強(qiáng)迫場(chǎng)。小區(qū)域模型采用業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)東中國(guó)海WRF風(fēng)場(chǎng)和熱通量場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模式;采用大區(qū)域每天業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)的結(jié)果作為小區(qū)的初值和邊值場(chǎng)，同時(shí)考慮長(zhǎng)江、黃河、遼河等主要河流的作用;邊界上采用M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1等8個(gè)分潮和小區(qū)預(yù)報(bào)結(jié)果驅(qū)動(dòng)，為溯源模型提供海洋環(huán)境動(dòng)力場(chǎng)。

在不考慮綠潮自身生態(tài)特征的情況下，其在海水中的移動(dòng)可以看作是質(zhì)點(diǎn)跟隨海流的物理運(yùn)動(dòng)，所以采用拉格朗日粒子反向追蹤方法建立綠潮溯源模型。粒子追蹤方法采用粒子隨機(jī)走動(dòng)模式來(lái)模擬粒子的運(yùn)動(dòng)。每個(gè)粒子的位移變量都可以由Lagrange方程來(lái)確定;粒子群的運(yùn)動(dòng)特性是一個(gè)隨機(jī)過程，它的條件概率密度函數(shù)可以由相應(yīng)的Fokker-Planck方程決定。將對(duì)流擴(kuò)散方程轉(zhuǎn)化為Fokker-Planck形式，數(shù)值求解粒子的Lagrange方程，確定每個(gè)粒子的位移，從而實(shí)現(xiàn)粒子的動(dòng)態(tài)追蹤，達(dá)到粒子運(yùn)動(dòng)過程數(shù)值模擬的目的［19］。Lagrange粒子反向追蹤法就是通過該方法在時(shí)間上反向積分，計(jì)算出上一時(shí)刻粒子所在的位置。該方法已廣泛應(yīng)用到溢油、綠潮和水母等漂移和溯源研究中［20～22］。

圖3 2008年～2013年綠潮漂移路徑趨勢(shì)圖Fig．3 The drift trend of green tide during early June and early July(late June)from 2008 to 2013

3．2 2008～2013年綠潮早期分布情況

從圖5可以看出，2012～2013年綠潮早期分布位置和形狀雖然不一致，漂移路徑有所不同，但總體都是由南向北漂移;回溯到各年4月中旬至5月初時(shí)，雖然綠潮回溯的時(shí)間和位置每年各異，但是基本都分布于蘇北淺灘的東沙、竹根沙和蔣家沙附近海域(圖5中紅圈范圍)。這與早期監(jiān)測(cè)的結(jié)果比較一致。

4 討論和結(jié)論

通過分析近6年黃海綠潮綜合監(jiān)測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)首次通過衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的綠潮分布、綠潮最大覆蓋及分布面積、同期覆蓋及分布面積以及漂移路徑等分布特征具有明顯的年際變化。1)通過衛(wèi)星首次發(fā)現(xiàn)綠潮的時(shí)間一般在5月中旬～6月初，一般分布于在黃海南部江蘇鹽城外海;2)綠潮每年最大分布和覆蓋面積之間、出現(xiàn)時(shí)間差異都加大。2009年是綠潮面積最大年份，最大覆蓋(分布)面積達(dá)到了2 100(58 000)km2，約為最小年份(2012年)的8(3)倍，出現(xiàn)時(shí)間最多相差約35天。3)近6年綠潮總體都向偏北方向移動(dòng)，不同程度影響日照、青島、乳山、威海、煙臺(tái)等近岸海域，但漂移路徑存在向東北或西北偏轉(zhuǎn)的具有明顯年際變化。4)基于數(shù)值模擬的研究發(fā)現(xiàn)，回溯到每年4月中旬至5月初時(shí)，綠潮基本上都分布于蘇北淺灘東沙、竹根沙和蔣家沙附近海域。

綜上所述，綠潮分布和漂移路徑存在明顯的年際變化特征。關(guān)于其成因，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要認(rèn)為綠潮所在海域的海面風(fēng)與表層環(huán)流的年際變化是綠潮漂移路徑年際變化的因素之一［1］。但由于綠潮海藻具有較高的營(yíng)養(yǎng)鹽吸收能力和多種多樣的繁殖方式［，］，綠潮自身獨(dú)特的生物學(xué)特點(diǎn)、海水富營(yíng)養(yǎng)化以及環(huán)境因子等因素在其中所起的作用，尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。

圖4 2008年(a)和2009年(b)黃海綠潮分布和漂移趨勢(shì)圖Fig．4 The distribution and drift trend of green tide during 2008(a)and 2009(b)

圖5 2008年～2013年綠潮早期溯源和分布(圖中藍(lán)色線代表首次通過衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的綠潮，黑色線代表綠潮漂移軌跡，紅圈所包含的范圍指回溯到各年4月中旬至5月初綠潮的范圍)Fig．5 The origin and distribution of green tide from 2008 to 2013(blue lines represent the green tide recognized by satellite images，black lines represent its drift trajectory，red circles contains the possible origin of green tide)

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