基于衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的2011—2016年黃海綠潮變化特征分析

楊 靜，張 思，劉桂梅

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

基于衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的2011—2016年黃海綠潮變化特征分析

楊 靜，張 思，劉桂梅

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

基于多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)黃東海海域進(jìn)行的綠潮遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，研究了2011—2016年綠潮高發(fā)季節(jié)的變化規(guī)律和分布特征，結(jié)果表明：綠潮災(zāi)害每年爆發(fā)的特點(diǎn)是一般在5月份開(kāi)始爆發(fā)，6—7月為綠潮的發(fā)展持續(xù)期，其主體的漂移生長(zhǎng)方向是偏北和偏西方向，8月份逐漸消亡。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)綠潮的最大分布面積呈逐年增加的趨勢(shì)，這可能與全球氣候變化等環(huán)境因素密切相關(guān)。

綠潮；衛(wèi)星遙感；黃海；最大分布面積；特征分析；全球變化

1 引言

綠潮是世界沿海各國(guó)普遍發(fā)生的海洋生態(tài)異?，F(xiàn)象，多數(shù)以石莼屬（Ulva）大型綠藻種類(lèi)脫離固著基，形成漂浮增殖群體所致，可以對(duì)沿海環(huán)境造成嚴(yán)重的危害[1]。石莼屬的滸苔（Ulva prolifera）是引起大規(guī)模綠潮爆發(fā)的致因種之一。滸苔生長(zhǎng)對(duì)海洋環(huán)境條件要求不高，海水溫度、鹽度、pH值和光強(qiáng)強(qiáng)度適應(yīng)范圍很廣，分別在10～30°C，7.2～35，6～9，1 000～10 000 lx[2，3]。2008年6—7月，在黃海局部海域爆發(fā)的惡性繁衍、趁風(fēng)盛行、隨波逐流、大面積擴(kuò)展的大型綠藻，涉及到山東沿岸海域，特別是青島近岸海域出現(xiàn)大量滸苔，對(duì)水體環(huán)境和第29屆奧運(yùn)會(huì)帆船賽事構(gòu)成較大威脅[4]。此后，每年在黃海海域均發(fā)現(xiàn)有綠潮發(fā)生，不同學(xué)者也從不同角度對(duì)綠潮開(kāi)展系列研究。如王婷等根據(jù)黃海綠潮滸苔爆發(fā)區(qū)兩個(gè)航次的調(diào)查數(shù)據(jù)，研究了調(diào)查海域營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度變化和分布特征[5]。衣立等分析了2009年綠潮滸苔期間的水文氣象條件、滸苔聚集和定向移動(dòng)的原因，并與2008年的情況進(jìn)行了對(duì)比[6]。葉乃好等對(duì)綠潮滸苔的生活史進(jìn)行了研究[7]；喬方利等利用中國(guó)近海海浪-潮流-環(huán)流耦合數(shù)值模式研究了在風(fēng)場(chǎng)和表層海流場(chǎng)的共同作用下滸苔的漂移路徑[8]。以上研究不同程度揭示了綠潮滸苔自身獨(dú)特的生物學(xué)特點(diǎn)、海水富營(yíng)養(yǎng)化以及環(huán)境因子等因素的影響，而近幾年來(lái)綠潮呈現(xiàn)出什么樣的變化趨勢(shì)，分布特點(diǎn)又有何變化卻鮮有報(bào)道。

國(guó)家海洋局開(kāi)展的滸苔衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)工作，在歷年滸苔遙感監(jiān)測(cè)工作中都發(fā)揮了重要作用[1,6,9]。本文收集了2011—2016年《國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心綠潮遙感監(jiān)測(cè)通報(bào)》中發(fā)布的利用HY-1B、Aqua和Terra等多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)黃東海海域進(jìn)行的業(yè)務(wù)化綠潮遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，數(shù)據(jù)包括綠潮發(fā)生的時(shí)間、位置、分布面積、覆蓋面積和影響范圍等相關(guān)信息，對(duì)近6 a來(lái)綠潮高發(fā)季節(jié)的時(shí)空變化規(guī)律和分布特征進(jìn)行分析研究，以期為綠潮的監(jiān)測(cè)預(yù)警報(bào)工作提供參考。

2 黃海綠潮發(fā)生發(fā)展演變規(guī)律

近年來(lái)我國(guó)綠潮大面積發(fā)生發(fā)展演變過(guò)程類(lèi)似，根據(jù)2011—2016年每年國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心綠潮遙感監(jiān)測(cè)通報(bào)的業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)結(jié)果，按照第一次監(jiān)測(cè)到發(fā)現(xiàn)有綠潮發(fā)生的日期、第一次監(jiān)測(cè)到有綠潮登陸上岸的時(shí)間、綠潮大面積生長(zhǎng)存在的時(shí)間段和連續(xù)7 d以上沒(méi)有監(jiān)測(cè)到綠潮信息的時(shí)間分別表示綠潮的爆發(fā)時(shí)間、登陸時(shí)間、最盛期和結(jié)束時(shí)間，統(tǒng)計(jì)近6 a綠潮發(fā)生演變情況（見(jiàn)表1），可將綠潮的演變過(guò)程分為綠潮爆發(fā)期、持續(xù)期和消亡期。

2.1 綠潮爆發(fā)期

近年來(lái)綠潮大面積爆發(fā)的時(shí)間基本相似，進(jìn)入5月份，隨著江蘇附近海域表層海溫升高，達(dá)到綠潮藻種生長(zhǎng)繁殖的適宜溫度，綠潮滸苔在適宜的條件下生長(zhǎng)速度加快，最初在鹽城附近海域衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)顯示有小面積綠潮發(fā)生，綠潮覆蓋面積和分布面積呈波動(dòng)增大變化趨勢(shì)，在海流和風(fēng)的作用下向偏北方向漂移。至5月中下旬，綠潮大規(guī)模爆發(fā)。

2.2 綠潮持續(xù)期

綠潮藻體在水文氣象條件適宜的情況下持續(xù)生長(zhǎng)，隨著風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)的共同作用處于動(dòng)態(tài)的分布變化中，也會(huì)不斷的生長(zhǎng)聚集從而形成不同規(guī)模的滸苔斑塊。6月份開(kāi)始，黃海海面維持偏南風(fēng)流場(chǎng)，在風(fēng)應(yīng)力作用下產(chǎn)生了西北向表層海流，大量滸苔順著海流邊生長(zhǎng)邊漂移至江蘇北部海州灣海岸附近，并在連云港、青島、煙臺(tái)等地大規(guī)模登陸。7月份繼續(xù)向偏北方向漂移至山東半島近海處，并有部分登陸。

2.3 綠潮消亡期

進(jìn)入8月份，因海水溫度上升、營(yíng)養(yǎng)鹽含量降低以及其它環(huán)境因子的改變，漂浮綠潮藻體逐漸衰老，同時(shí)光合作用速率降低，促使藻體浮力發(fā)生改變，由海面漂浮變成懸浮或沉降到海底。隨著海域環(huán)境逐漸不適宜綠潮生長(zhǎng)，藻體生物量不斷下降，一般到8月中上旬，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)顯示已監(jiān)測(cè)不到大面積綠潮。

3 綠潮最大覆蓋面積和分布面積特征分析

3.1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的綠潮面積分布

根據(jù)多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)黃東海海域進(jìn)行的綠潮遙感監(jiān)測(cè)，綠潮發(fā)生初期滸苔聚集密度、面積范圍較小，5月中下旬，綠潮主體持續(xù)向偏北方向漂移和生長(zhǎng)，隨著溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度升高等因素影響，覆蓋面積和分布面積不斷擴(kuò)大。經(jīng)過(guò)6—7月份的持續(xù)生長(zhǎng)期，有部分綠潮登陸，之后覆蓋面積和分布面積不斷減小，8月逐漸進(jìn)入消亡期。

2011—2016年每年衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)綠潮的最大分布面積和最大覆蓋面積出現(xiàn)的時(shí)間不同，其中2012年綠潮最大覆蓋面積出現(xiàn)在6月19日，2013年最大覆蓋面積出現(xiàn)在6月12日，2014年和2015年綠潮最大覆蓋面積分別出現(xiàn)在7月8日和7月4日，2012—2014年綠潮的最大覆蓋面積呈增加趨勢(shì)，2014年的最大覆蓋面積最大，達(dá)到2 330 km2，2015年的綠潮的最大覆蓋面積最小，只有654 km2。2011—2016年衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)綠潮的最大分布面積分別出現(xiàn)在7月19日、6月4日、7月8日、6月28日和7月4日、6月25日，且從2012—2016年呈逐年增大的趨勢(shì)（見(jiàn)圖1）。由此可見(jiàn)，每年綠潮的最大分布面積和最大覆蓋面積出現(xiàn)的時(shí)間和變化趨勢(shì)不完全一致。由于受天氣原因影響，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)有部分被云覆蓋，造成監(jiān)測(cè)綠潮的面積數(shù)據(jù)不連續(xù)，由2011—2016年綠潮覆蓋面積和分布面積同期對(duì)比圖（見(jiàn)圖2、3）可看出，有云條件下光學(xué)遙感無(wú)法獲得有效信息，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的綠潮面積日變化較大。為研究分析綠潮分布的年變化特征，以下選取衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的綠潮分布面積作為主要分析因子。

表1 近6a綠潮發(fā)展統(tǒng)計(jì)表

圖1 2011—2016年綠潮最大覆蓋面積和分布面積圖

圖2 2011—2016年綠潮覆蓋面積同期對(duì)比圖（空白日期為無(wú)數(shù)據(jù)日）

圖3 2011—2016年綠潮分布面積同期對(duì)比圖（空白日期為無(wú)數(shù)據(jù)日）

3.2 綠潮分布面積的年際變化特征

從衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)綠潮的月平均分布面積（見(jiàn)圖4）分析,每年綠潮的發(fā)生演變過(guò)程基本相同,5月份為爆發(fā)期，6—7月為綠潮的發(fā)展持續(xù)期，8月份為消亡期。雖然綠潮月平均分布面積在每年不同時(shí)期存在一定差別，但其總體的年變化特征是在綠潮發(fā)展最盛期的月平均分布面積呈逐年增加趨勢(shì)，這與綠潮最大分布面積的年變化趨勢(shì)一致。

圖4 2011—2016年綠潮月平均分布面積

每年海溫的變化在一定程度上會(huì)影響綠潮的分布范圍，為進(jìn)一步研究綠潮的年際變化特征，本文引用中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心在業(yè)務(wù)上主要使用的Ni?o3.4區(qū)的海溫距平指數(shù)（其作為判定厄爾尼諾或拉尼娜事件的指標(biāo)依據(jù)）[10]，將每年綠潮高發(fā)季的最大分布面積與一季度平均的Ni?o3.4區(qū)海溫距平指數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析（見(jiàn)圖5），結(jié)果顯示，在厄爾尼諾事件的影響下，中國(guó)黃海爆發(fā)綠潮的年最大分布面積呈增大趨勢(shì)，而在Ni?o3.4指數(shù)變化不明顯的情況下，綠潮的年最大分布面積變化也不顯著，這說(shuō)明綠潮的分布范圍與全球氣候變化之間存在一定的相關(guān)性。綠潮的發(fā)生受溫度、光照、降水量、營(yíng)養(yǎng)鹽等多種環(huán)境因素影響，全球氣侯變化引起海洋生態(tài)系統(tǒng)的異常變化，導(dǎo)致滸苔等種群異常增殖[1]。冬季厄爾尼諾達(dá)到強(qiáng)盛后對(duì)次年?yáng)|亞初夏的環(huán)流有明顯的影響，與中國(guó)降水量變化有密切關(guān)系[11]，而降水量增加會(huì)導(dǎo)致徑流量上升，從而引起近海水域富營(yíng)養(yǎng)化，有利于綠潮發(fā)生[12]。何進(jìn)等從滸苔生理生態(tài)學(xué)角度通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，滸苔在溫度和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高時(shí)表現(xiàn)出較高的相對(duì)生長(zhǎng)率[13]，從自身的生物適應(yīng)策略上來(lái)看，滸苔對(duì)于多變環(huán)境條件的響應(yīng)更為敏感[14],全球氣候變化引起的環(huán)境變化，導(dǎo)致海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能也隨之發(fā)生改變，有關(guān)綠潮自身的生態(tài)學(xué)特點(diǎn)、人類(lèi)活動(dòng)及其他環(huán)境因素所起的作用具體如何，還有待于積累更多綠潮監(jiān)測(cè)做進(jìn)一步分析研究。

3.3 綠潮漂移過(guò)程分析

圖5 每年綠潮的最大分布面積與一季度平均的Ni?o3.4區(qū)海溫距平指數(shù)對(duì)比圖

基于國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心的滸苔漂移軌跡預(yù)報(bào)系統(tǒng)，圖6—7給出了2011—2016年各年綠潮最大分布面積及24 h漂移預(yù)測(cè)示意圖，該系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模塊分別采用國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)化的風(fēng)場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)和海流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)果[15]。圖片顯示綠潮各年份達(dá)到最大分布面積時(shí)的分布范圍和區(qū)域不同，短期預(yù)測(cè)的綠潮漂移方向和速度也有所差別，2011年綠潮24 h漂移預(yù)測(cè)方向是西南，2012和2016年是偏北方向，2013和2014年是偏東方向，而2015年是偏西方向。這除了與系統(tǒng)起算時(shí)的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)綠潮初始位置有關(guān)以外，還受局地海域的風(fēng)和海流的變化影響而呈現(xiàn)出不同的路徑。由于衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)受有云的影響，這種短期預(yù)測(cè)方法有助于及時(shí)掌握綠潮動(dòng)態(tài)，有效彌補(bǔ)綠潮衛(wèi)星監(jiān)測(cè)時(shí)間上不連續(xù)的不足。

從綠潮漂移的長(zhǎng)期變化來(lái)看，根據(jù)每年衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的結(jié)果分析，在綠潮發(fā)展期間,雖然每日綠潮的漂移速度和方向不同，但其主體總是持續(xù)向偏北和偏西方向漂移和生長(zhǎng)的。每年的綠潮分布和漂移路徑存在不同的變化，這可能同全球變暖跟海水酸化等環(huán)境因素密切相關(guān)[16],根據(jù)圖5分析結(jié)果，分別選取2012年和2016年綠潮高發(fā)期的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，2012年5—7月綠潮的最大分布面積比2016年整體偏北，且2012年每月出現(xiàn)最大分布面積的時(shí)間比2016年偏早。在厄爾尼諾事件的影響下，2016年黃海爆發(fā)綠潮的年最大分布面積比往年有所增大，說(shuō)明海洋環(huán)境等外強(qiáng)迫的改變對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響，溫度的變化在一定程度上改變了海洋藻類(lèi)的分布范圍[16]，從而改變綠潮的分布范圍、生長(zhǎng)繁殖的速度和發(fā)展規(guī)模，但其發(fā)展期間總體向偏北和偏西方向漂移生長(zhǎng)的路徑與往年是一致的。

圖6 綠潮高發(fā)期每月監(jiān)測(cè)的最大分布面積對(duì)比圖

圖7 綠潮24 h漂移預(yù)測(cè)圖

4 結(jié)果與討論

通過(guò)近6a以來(lái)綠潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)黃海綠潮災(zāi)害的年變化特征：（1）綠潮發(fā)生發(fā)展的演變過(guò)程是一般發(fā)生在春夏兩季，在夏季高溫期結(jié)束，高發(fā)期集中在5—7月；（2）2011—2016年每年衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)綠潮的最大分布面積和最大覆蓋面積出現(xiàn)的時(shí)間不同，且最大分布面積呈逐年增加的趨勢(shì)；（3）2016年綠潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)到了近6a以來(lái)最大分布面積的綠潮，這可能與全球氣候變化等環(huán)境因素密切相關(guān)；（4）每年的綠潮分布和漂移路徑存在不同的變化，在綠潮發(fā)展期間（5—7月）,其主體的漂移生長(zhǎng)方向是偏北和偏西方向。全球氣候變化在一定程度上改變了綠潮的分布范圍和發(fā)展規(guī)模，但對(duì)綠潮主體的年漂移生長(zhǎng)方向影響不顯著。

綜上所述，綠潮分布的時(shí)空變化具有明顯的年變化特征，這除了與我國(guó)近海海洋環(huán)境要素變化,如海表升溫、海平面變動(dòng)等全球和區(qū)域氣候變化有著密切的關(guān)系外[17]，還與綠潮自身的生物學(xué)生長(zhǎng)特性以及由于天氣原因造成衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)反映整個(gè)海面綠潮變化的不確定性有關(guān)，還有待于做進(jìn)一步研究。

綠潮的發(fā)生發(fā)展過(guò)程消耗水中溶解氧、降低生物多樣性、產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)及帶來(lái)次生環(huán)境危害[1]，對(duì)當(dāng)?shù)貪O業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海域環(huán)境、生態(tài)服務(wù)功能造成一定影響。要應(yīng)對(duì)綠潮災(zāi)害的發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)綠潮災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)能力建設(shè)，調(diào)研了解綠潮增殖爆發(fā)與沿岸海洋氣候環(huán)境的關(guān)系，建立漂浮綠藻出現(xiàn)區(qū)域與水溫、溶解氧、營(yíng)養(yǎng)鹽分布關(guān)聯(lián)模式，利用衛(wèi)星遙感的海面風(fēng)場(chǎng)、降水、云中液態(tài)水含量、海表面溫度、海流等資料，研究綠潮爆發(fā)期間的水文氣象條件、滸苔聚集以及定向移動(dòng)的原因，豐富拓展?jié)G苔漂移軌跡和滸苔影響區(qū)域等預(yù)報(bào)產(chǎn)品，為滸苔的應(yīng)急響應(yīng)提供技術(shù)支持,并且加強(qiáng)海域環(huán)境管理，及時(shí)做好綠潮應(yīng)急準(zhǔn)備。

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Variability analysis of the Green Tide based on satellite remote sensing monitoring data from 2011 to 2016 in the Yellow Sea

YANG Jing，ZHANG Si，LIU Gui-mei

（National Marine Environmental Forecasting Center,Key Laboratory of Research on Marine Hazards forecasting,State Oceanic Administration，People's Republic of China,Beijing 100081 China）

Based on the multi-source satellite data on the Yellow sea and the East China sea,the seasonal variation and distribution characteristics of Green Tide are analyzed from 2011 to 2016.The result shows that the outbreak of Green Tide is generally in May and displays a long duration from June to July.With the wide influence,the main drift and growth direction of green tide is northward and westward.After achieving the maximum distribution area and coverage area,Green Tide decreases gradually in August.The trend of Green Tide maximum distribution area monitored from satellite remote sensing is increasing,it may be closely related to the global climate change and other environmental factors.

green tide;satellite remote sensing;yellow sea;the maximum distribution area;feature analysis；global climate change

X55

A

1003-0239（2017）03-0056-06

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.03.007

2016-09-09；

2016-10-20。

國(guó)家自然科學(xué)基金（41222038）。

楊靜（1982-），女，助理研究員，碩士，主要從事海洋生態(tài)環(huán)境預(yù)報(bào)與數(shù)值模型研究。E-mail：yangj@nmefc.gov.cn