基于西沙群島虛擬站的珊瑚礁白化監(jiān)測分析

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(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590； 2.海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590)

近年來珊瑚礁的生存面臨嚴重威脅，大量珊瑚棲息地迅速減少[1]。珊瑚白化是導致珊瑚礁衰退的最主要原因[2]，健康的珊瑚五彩斑斕，這些顏色取決于其體內共生藻類的光合色素。然而，在周圍環(huán)境的脅迫下，珊瑚的共生藻類會被主體珊瑚排出體外，缺乏共生藻類的珊瑚通過半透明的珊瑚組織將其白色的碳酸鈣骨架顯露出來，使受影響的珊瑚群體變成白色，這種現(xiàn)象通常被稱為“珊瑚白化”[3-4]。嚴重的白化事件對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)具有長期顯著的生態(tài)影響，例如造礁珊瑚的衰減、底棲生境的變化以及某些魚類種群的變化等。即使在適宜珊瑚生長的條件下，嚴重白化的珊瑚可能需要多年才能恢復健康狀態(tài)[5]。因此，珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測與保護問題已引起越來越多專家學者的重視。研究顯示，引起珊瑚白化的原因主要是極端異常的氣候條件，尤其是諸如溫度、紫外線輻射和光合有效輻射等因素對珊瑚造成的影響頗為明顯，其中，海水溫度的升高作為影響珊瑚礁生長發(fā)育的關鍵因素，已逐步被專家學者所接受[6-7]。政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第五次評估報告[8]指出，過去130年全球升溫0.85 ℃。當環(huán)境水溫高出夏季平均溫度1～2 ℃時有可能發(fā)生珊瑚白化現(xiàn)象[9]。溫度過高不僅降低珊瑚的生長繁育能力[7-8]，還削弱珊瑚抵抗疾病的能力[10-12]。對于已經(jīng)白化的珊瑚，長期的熱脅迫會導致珊瑚死亡[12-13]。基于海表溫度的珊瑚礁白化監(jiān)測已被專家學者認可。

1997年，美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)的國家環(huán)境衛(wèi)星、數(shù)據(jù)和信息服務局(National Environmental Satellite, Data and Information Service，NESDIS)開始生產(chǎn)基于海水表面溫度(sea surface temperature, SST)的近實時熱脅迫監(jiān)測產(chǎn)品，用于監(jiān)測因溫度異常導致的大規(guī)模珊瑚白化區(qū)域并估測白化強度。2000年，NOAA成立珊瑚礁監(jiān)測計劃[14](Coral Reef Watch，CRW)，發(fā)布一系列基于50 km空間分辨率海表溫度的珊瑚礁白化監(jiān)測產(chǎn)品，如：海表溫度、海表溫度距平值、白化熱點、周熱度和虛擬站等來監(jiān)測并對珊瑚礁進行白化監(jiān)測預警。SST 1997年開始作為實驗產(chǎn)品，2002年9月正式升級為運營產(chǎn)品。盡管50 km產(chǎn)品成功運行并提供了實時的監(jiān)測服務，但在珊瑚礁監(jiān)管方面仍存在明顯缺點。首先，監(jiān)測海表溫度時只有完全被水覆蓋的像元才可以避免陸地像元的干擾，而每個像元代表50 km×50 km的地面范圍，所以使得海岸線邊界像元的估測誤差較大。其次，由于分辨率較低，小于50 km的珊瑚礁難以被發(fā)現(xiàn)，這意味著全球相當一部分的珊瑚礁將被忽略。因此， CRW于2013年3月發(fā)布了5 km分辨率的監(jiān)測產(chǎn)品，提高了產(chǎn)品的空間和時間分辨率。

隨著全球變暖以及人類活動的影響，南海中珊瑚白化程度越來越嚴重，監(jiān)測并保護珊瑚礁的行動刻不容緩。本研究基于CRW提供的5 km數(shù)據(jù)，以南海西沙群島虛擬站為例，分析了該區(qū)域2013—2016年西沙群島虛擬站的海表溫度異常，對西沙群島虛擬站周圍海域的珊瑚礁健康狀況進行白化監(jiān)測。

1 研究區(qū)域

西沙群島(Xisha Islands)位于南海西北部，距離海南島東南方180海里，主體部分位于北緯15°46′～ 17°08′，東經(jīng)111°11′～ 112°54′，位于北回歸線以南，屬熱帶海洋性季風氣候。本研究選擇西沙群島虛擬站(北緯16.450°，東經(jīng)112.025°)為中心的周邊區(qū)域作為研究區(qū)域，通過NOAA發(fā)布的珊瑚礁監(jiān)測產(chǎn)品，對西沙群島附近珊瑚進行白化監(jiān)測與預警。圖1為西沙群島虛擬站的地理位置。

2 實驗數(shù)據(jù)

CRW發(fā)布的5 km分辨率的SST監(jiān)測產(chǎn)品，是在美國NASA(National Aeronautics and Space Administration)和NOAA的支持下，應用4顆地球同步衛(wèi)星和2顆地球近極軌衛(wèi)星共同作用產(chǎn)生的(表1)[6]。地球同步衛(wèi)星每15 min提供一次SST數(shù)據(jù)，能覆蓋中低緯度大部分地區(qū)；近極軌衛(wèi)星低軌道運行保證了更高的空間分辨率，而且能覆蓋地球同步衛(wèi)星遺漏的區(qū)域。因此，地球同步衛(wèi)星與近極軌衛(wèi)星共同保證覆蓋全球范圍的實時監(jiān)測，采用同步-極軌衛(wèi)星混合監(jiān)測方法獲取SST能顯著提高產(chǎn)品的空間與時間分辨率，進而提高產(chǎn)品質量。文中數(shù)據(jù)產(chǎn)品均來自NOAA珊瑚礁監(jiān)測官方網(wǎng)站[15]。

3 珊瑚礁白化監(jiān)測方法與分析

珊瑚礁白化監(jiān)測的方法主要基于SST數(shù)據(jù)計算白化熱點[16-17]和周熱度[18]。白化熱點 (bleaching hotspots)是海表溫度與多年來最熱月平均溫度的差值，其描述了一個地區(qū)的海表溫度高出該地區(qū)長期以來的最熱月溫度的程度，只表示珊瑚在某個時間點的熱脅迫程度，無法表示持續(xù)的累積效果。周熱度(degree heating week, DHW)表示某區(qū)域最近12周(84天)的珊瑚白化熱點的累積值，實驗監(jiān)測顯示，溫度低于1 ℃的熱點值不足以對珊瑚產(chǎn)生明顯的熱脅迫，只有白化熱點大于(或等于)1 ℃時才累積[18]，因此，周熱度表示了一段時間內溫度對珊瑚的持續(xù)熱脅迫作用。

圖1 西沙群島虛擬站點位置圖

衛(wèi)星機構高度/km經(jīng)度/(°E)地球靜止衛(wèi)星系列GOES-W(GOES-15)NOAA～35 800-135GOES-E (GOES-13)NOAA～35 800-75MTSAT-2JMA～35 8000MSG-3EUMETSAT～35 800140極軌衛(wèi)星系列Suomi-NPPNOAA～824MetOp-BEUMETSAT～817

利用5 km分辨率的SST產(chǎn)品分別利用公式1和2求取白化熱點和周熱度。

(1)

其中，Thotspot為白化熱點，單位為℃；Tsst為海表溫度；Tmmm為最熱月平均溫度。

(2)

其中，HDHW為周熱度，單位為℃-weeks；Ti為最近84天熱點值。

以2016年6月18日為例介紹珊瑚礁白化監(jiān)測方法，圖2為該日西沙群島附近的海表溫度分布圖，顏色由淺至深代表海表溫度依次遞增。圖3是白化熱點分布圖，顏色由淺至深代表熱點值依次遞增，可以看出西沙群島大部分區(qū)域白化熱點在1～2 ℃之間，甚至有少部分海域熱點高于2 ℃。圖4是周熱度分布圖，顏色由淺及深代表周熱度數(shù)值依次增大，可以看出西沙群島的周熱度基本在2～4之間，附近海域有少部分區(qū)域周熱度高于4。

圖2 2016年6月18日海表溫度

為了更方便直接地監(jiān)測珊瑚礁白化程度，為用戶提供反饋信息，根據(jù)熱點值、周熱度的取值范圍以及實測珊瑚礁白化數(shù)據(jù)，CRW對珊瑚礁進行白化預警分級，將預警分為無危險、白化監(jiān)視、白化警示、白化警報一級和白化警報二級等5個預警級別[18-19]，判別標準如表2所示。

表2 珊瑚礁白化預警分級表

圖3 2016年6月18日珊瑚礁白化熱點圖

圖4 2016年6月18日珊瑚礁白化周熱度圖

根據(jù)上述分級，2016年6月18日監(jiān)測的西沙群島大部分區(qū)域已處于白化警示級別，有小部分區(qū)域甚至已處于白化警報一級。

區(qū)域虛擬站是CRW開發(fā)的珊瑚礁白化監(jiān)測系列產(chǎn)品之一，包括50 km與5 km兩種分辨率。其中，5 km虛擬站目前共有212座，綜合之前采集的白化監(jiān)測系列產(chǎn)品數(shù)據(jù)，包括區(qū)域熱應力計、時間序列表等，為研究人員提供長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)[6]。相對于其他位置，區(qū)域虛擬站可以利用更高分辨率的數(shù)據(jù)對整個管轄區(qū)進行快速近實時監(jiān)測，監(jiān)測效率更高。

根據(jù)西沙群島虛擬站采集的信息，得到該站點2013—2016年SST與DHW的時間變化序列圖(圖5(a)、5(b)分別為2013—2014年、2015—2016年的時間序列變化)，可以看出，2013—2016年5至10月份的大部分時間內，海表溫度達到白化閾值(bleaching threshold)、即比白化熱點高1 ℃的溫度值，尤其是2014年最為嚴重，該站點2014年4月中旬開始出現(xiàn)白化熱點。2013年最早出現(xiàn)白化熱點是在4月下旬，2015年與2016年則最早出現(xiàn)在5月上旬。與此同時，2013—2016年的SST高于白化閾值的時間均出現(xiàn)在5月份，從5月上旬開始熱點值出現(xiàn)累積，DHW出現(xiàn)正值，甚至出現(xiàn)DHW超過白化警報級別(DHW值高于4 ℃-weeks)的現(xiàn)象。從DHW趨勢變化可以看出，2013—2016年4年間DHW的峰值均出現(xiàn)在8月中下旬，其中2014年的DHW出現(xiàn)時間最早，并呈逐漸升高的趨勢，2014年8月中旬達到頂峰，然后逐漸減弱，到11月末消失，2014年及2016年都出現(xiàn)了大于8的DHW值，而2014年持續(xù)時間最長，7—8月份連續(xù)兩個月高于8 ℃-weeks，說明該年份的SST出現(xiàn)了長時間的異常高溫。根據(jù)白化預警標準，2013—2016年均出現(xiàn)達到白化警報一級的現(xiàn)象，個別年份持續(xù)時間較長，2014年及2016年均長時間達到白化警報二級，因此該海域周圍的珊瑚礁白化、致死的可能性很高。

圖5 西沙群島站的海表溫度及周熱度時間序列圖

4 結論

NOAA海表溫度產(chǎn)品清晰直觀地展示了全球海表溫度的分布狀況，它發(fā)布的5 km分辨率SST系列產(chǎn)品可以較為準確地監(jiān)測珊瑚礁白化。根據(jù)珊瑚發(fā)生白化的可能性大小可以作出白化預警級別圖，使公眾和環(huán)境管理工作者了解珊瑚礁的健康狀態(tài)。

通過對西沙群島虛擬站的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，其周圍的海水溫度異常狀況已持續(xù)很長一段時間，周圍珊瑚發(fā)生白化的可能性較大。由西沙群島2013—2016年SST和DHW時間序列圖可得出，西沙群島站周圍珊瑚礁白化一般出現(xiàn)在每年的7—9月份，其中2014年珊瑚礁白化發(fā)生較早，從6月份開始出現(xiàn)，而且2014年周熱度最高，持續(xù)時間最長，極大可能發(fā)生珊瑚礁白化。需要對該站周圍海域的珊瑚礁的白化程度進行持續(xù)監(jiān)測和預警。