黃海海域滸苔災害和沿海城市氣溫的特征分析

吳昊

(山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590)

0 引言

滸苔屬綠藻門石蒓科，是海洋中比較豐富的大型浮游藻類，主要分布于浙江沿海海域。但是自2008年以來，黃海部分海域被大面積滸苔覆蓋，造成嚴重的滸苔災害，直接影響黃海海域的海洋環(huán)境和濱海風景。尤其是近岸海域滸苔，給沿海城市海上交通、觀光旅游等活動產(chǎn)生嚴重的不良影響，引起了全社會的廣泛關注[1]。

國內(nèi)外專家學者對滸苔進行了多方面的研究。在滸苔監(jiān)測方面，基于我國FY-3A衛(wèi)星的中分辨率光譜成像儀(medium resolution spectral imager，MERSI)、HJ_1A_1B衛(wèi)星電荷耦合傳感器(charge coupled device，CCD)和美國中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)、陸地衛(wèi)星(Landsat)等不同星載衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)[2-4]，運用歸一化植被指數(shù)法(normalized difference vegetation index，NDVI)、浮游藻類指數(shù)法(floating algae index，F(xiàn)AI)、灰度值分割法等進行了黃海、東海海域滸苔的解譯[2-5]，為滸苔災害的防治提供了重要依據(jù)。尤其是NDVI法可使植被從水和土中分離出來，是陸地植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子，廣泛用于滸苔遙感圖像解譯[2-3]。在滸苔生長方面，滸苔的生長與其所處環(huán)境的溫度、鹽度、光照等有關，其中溫度是影響滸苔生長的一個重要因子[6]，氣溫升高，能夠促進滸苔的生長[7]，黃海海域滸苔災害與溫度升高具有明顯相關性[8]。滸苔是一種廣溫性海藻，生態(tài)幅較寬，其中水溫為20～25 ℃時最適合其生長[9]。但是利用多種遙感資料全面系統(tǒng)地進行黃海海域滸苔分布解譯和沿海城市氣溫特征的研究還比較少見。因此本文欲利用2008—2016年黃海海域Landsat-7、Landsat-8和MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用NDVI法對滸苔的分布進行全面解譯，并利用統(tǒng)計分析的方法對沿海城市滸苔災害和城市氣溫特征進行分析，以期為黃海沿海城市滸苔災害治理提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)

黃海是太平洋西部的一個邊緣海，位于中國大陸與朝鮮半島之間。受季風影響，黃海冬季寒冷干燥，夏季溫暖潮濕。黃海沿海城市多是沿海中心城市和濱海度假旅游城市、國際性港口等，近岸海域海上交通、觀光旅游、海洋環(huán)境等對其經(jīng)濟的發(fā)展具有非常重要的作用。因此本文根據(jù)2008—2016年黃海海域滸苔災害情況，選取36°51′43″ N，123°27′51″ E；36°53′49″ N，118°39′08″ E；32°43′54″ N，118°31′53″ E；32°43′54″ N，123°43′01″ E大致140 000 km2的區(qū)域進行滸苔遙感信息解譯，自南向北選取受黃海海域滸苔災害影響明顯的鹽城市、連云港市、日照市、青島市的氣溫進行系統(tǒng)分析。

1.2 數(shù)據(jù)來源及方法

1)黃海海域滸苔分布遙感數(shù)據(jù)來源及解譯方法。Landsat-7、Landsat-8衛(wèi)星分別裝備有增強型專題制圖儀(enhanced thematic mapper，ETM+)、陸地成像儀(operational land imager，OLI)和熱紅外傳感器(thermal infrared sensor，TIRS)。其中ETM+和OLI均覆蓋了從紅外到可見光的不同波長范圍。尤其是TIRS是有史以來最先進，性能最好的熱紅外傳感器。MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有36個光學通道，實現(xiàn)了從0.4～14.4 μm(可見光到熱紅外)全光譜覆蓋，每天過境2次，每2天實現(xiàn)一次全球觀測[10]。

因此本文從地理空間數(shù)據(jù)云和美國地質勘探局網(wǎng)站選取2008—2012年Landsat-7、MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和2013—2016年Landsat-7、Landsat-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)同時進行黃海海域滸苔遙感信息解譯，盡量避免MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率較粗和Landsat-7、Landsat-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)較少的矛盾[4]。

覆有滸苔的海水在可見光的藍光波段和紅光波段形成反射谷，在綠光波段形成反射峰，而在近紅外波段出現(xiàn)類似于植被光譜曲線的高反射峰。而海水在可見光波段反射率很小，在近紅外波段反射率幾乎為 0[11-12]。因此本文用NDVI法進行黃海海域滸苔遙感信息解譯，其計算見公式(1)。

(1)

式中：NIR和R分別為近紅外波段和紅波段處的反射率值。MODIS遙感數(shù)據(jù)NIR、R分別用250 m 分辨率通道 2、1的數(shù)據(jù)；Landsat-7遙感數(shù)據(jù)NIR、R分別用Band4、Band3的數(shù)據(jù)；Landsat-8遙感數(shù)據(jù)NIR、R分別用Band5、Band4的數(shù)據(jù)。

2)沿海城市氣溫數(shù)據(jù)來源與方法。世界天氣網(wǎng)站有263個國家重點城市氣象站的氣溫、風、降雨等氣象資料，其中氣溫數(shù)據(jù)時間間隔多為3～6 h，能夠比較全面地反應城市氣溫的實際變化。因此黃海海域沿海城市鹽城市、連云港市、日照市、青島市2008—2016年滸苔爆發(fā)期間的氣溫從此網(wǎng)站下載，并運用統(tǒng)計分析的方法進行特征值的計算和利用SPSS軟件進行相關性的研究。

2 結果與討論

2.1 黃海海域滸苔分布特點

在遙感圖像處理平臺(the environment for visualizing images，ENVI)上，選取2008—2016年黃海海域滸苔發(fā)生、發(fā)展、爆發(fā)期間無云或少云的Landsat-7、Landsat-8和MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，運用NDVI法，進行滸苔遙感信息解譯，得到2008—2016年黃海海域滸苔分布圖(圖1)。

圖1 2008—2016年黃海海域滸苔分布圖

根據(jù)圖1可以看出，2008年黃海海域滸苔是5月中旬自連云港市遠岸海域爆發(fā)，然后北移，影響日照市、青島市近岸海域和連云港市遠岸海域，7月份鹽城市遠岸海域也分布部分滸苔。其中6月27日滸苔的影響最大，面積達23 879 km2，與吳孟泉的解譯結果一致[13]，說明本文的解譯方法和結果是準確的。

2009年黃海海域滸苔是5月底自鹽城市遠岸海域爆發(fā)，向鹽城市近岸海域和連云港市、日照市遠岸海域遷移。其中6月14日滸苔的影響最大，面積達20 563 km2。與2008年滸苔災害相比，滸苔最大影響面積差異不大，但是滸苔漂移路徑明顯不同，2009年滸苔漂移主要是遠離海岸線[8]，除鹽城市近岸海域爆發(fā)嚴重滸苔災害外，其他城市近岸海域均未爆發(fā)嚴重的滸苔災害，尤其是2008年近岸海域滸苔災害非常嚴重的青島市基本沒有滸苔。

2010年黃海海域滸苔分布比較零散，多呈斑點狀，未形成大面積的條帶狀，其中8月4日影響最大，面積為10 686 km2。與2008、2009年滸苔災害相比，滸苔最大影響面積明顯減少，滸苔災害整體相對較小，沿海城市近岸海域均未爆發(fā)嚴重的滸苔災害。

2011年黃海海域滸苔是5月中旬自鹽城市遠岸海域爆發(fā)，向北向南擴大，廣泛分布鹽城市、連云港市、日照市、青島市近岸海域。其中6月20日滸苔的影響最大，面積達19 830 km2，比2009年略小，但是滸苔漂移主要是平行海岸線，沿海城市近岸海域均爆發(fā)嚴重的滸苔災害。

2012年黃海海域滸苔是5月中旬自鹽城市、連云港市遠岸海域爆發(fā)，然后北移，主要分布在連云港市、日照市、青島市近岸海域。其中6月22日滸苔的影響最大，面積達20 545 km2，與2009年差異不大，但是沿海城市近岸海域滸苔災害差異明顯，除鹽城市不嚴重外，其他城市近岸海域則均爆發(fā)嚴重的滸苔災害。

2013年黃海海域滸苔是5月中旬則遍布連云港市、日照市、青島市近岸海域，然后北移，覆蓋日照市、青島市近岸海域。其中6月9日滸苔的影響最大，面積達18 020 km2，比2012年略小，只是鹽城市近岸海域滸苔分布更加不明顯，基本沒有滸苔。

2014年黃海海域滸苔是5月中旬自鹽城市遠岸海域爆發(fā)，向北向南擴大，廣泛分布鹽城市、連云港市、日照市、青島市近岸海域。其中6月18日滸苔的影響最大，面積達33 066 km2，是 2011年的1.7倍，滸苔災害非常嚴重，沿海城市近岸海域均爆發(fā)嚴重的滸苔災害。

2015年黃海海域滸苔是5月中旬自鹽城市遠岸海域爆發(fā)，向北向南擴大，廣泛分布鹽城市、連云港市、日照市、青島市近岸海域。其中6月22日滸苔的影響最大，面積達50 799 km2，是2008年以來黃海海域滸苔影響面積最大的一年，滸苔災害非常嚴重，沿海城市近岸海域均爆發(fā)嚴重的滸苔災害。

2016年黃海海域滸苔災害是5月中旬自鹽城市遠岸海域爆發(fā)，向北向南擴大，廣泛分布鹽城市、連云港市、日照市、青島市近岸海域，其中6月17日影響最大，面積達45 434 km2，僅比2015年小，也是黃海海域滸苔災害比較嚴重的一年，沿海城市近岸海域亦均爆發(fā)嚴重的滸苔災害。

2.2 黃海海域滸苔爆發(fā)期間沿海城市氣溫特征

根據(jù)2008—2016年黃海海域滸苔爆發(fā)期間鹽城市、連云港市、日照市、青島市相應的氣溫資料，得到其特征值(表1)。

表1 黃海海域滸苔爆發(fā)期間沿海城市氣溫情況

根據(jù)表1可以看出，黃海海域滸苔爆發(fā)期間鹽城市、連云港市、日照市、青島市2008—2016年平均氣溫在20.6～28.3 ℃之間，變異系數(shù)在7.8%～17.4%之間，整體來看，差異不大。其中鹽城市、連云港市、日照市、青島市近岸海域均爆發(fā)嚴重滸苔災害的2011、2014、2015、2016年平均氣溫在22.9～25.6 ℃之間。僅部分沿海城市近岸海域爆發(fā)滸苔災害的2008、2009、2012、2013年平均氣溫在20.6～27.6 ℃之間，其溫度范圍比沿海城市近岸海域均爆發(fā)嚴重滸苔災害的年份范圍大，尤其是2013年鹽城市最大值為27.6 ℃，其近岸海域基本沒有滸苔。而沿海城市近岸海域均未爆發(fā)嚴重滸苔災害的2010年平均氣溫為25.8～28.3 ℃，其最低氣溫25.8 ℃亦比沿海城市近岸海域均爆發(fā)嚴重滸苔災害的年份平均氣溫最大值25.6 ℃高。

2.3 黃海海域滸苔爆發(fā)期間沿海城市氣溫之間的關系

根據(jù)2008—2016年黃海海域滸苔爆發(fā)期間鹽城市、連云港市、日照市、青島市相應的氣溫資料，運用SPSS軟件對其皮爾森相關系數(shù)進行計算，如表2所示。

由表2可以看出，黃海海域沿海城市鹽城市、連云港市、日照市、青島市近岸海域均爆發(fā)嚴重滸苔災害的2011、2014、2015、2016年和僅鹽城市未爆發(fā)滸苔災害的2013年氣溫在顯著性水平為0.01時的相關系數(shù)為0.70～0.89、0.74～0.91、0.81～0.92、0.71～0.91和0.80～0.93，均大于0.70，各城市之間氣溫均具有較強的相關性。除2013年鹽城市可能因氣溫過高，影響近岸海域滸苔的生長，基本沒有滸苔外，其他沿海城市連云港市、日照市、青島市近岸海域均爆發(fā)嚴重的滸苔災害。

表2 黃海海域滸苔爆發(fā)期間沿海城市氣溫皮爾森相關系數(shù)

注：**表示在顯著性水平0.01時顯著相關(雙側)；*表示在顯著性水平0.05時顯著相關(雙側)。

而黃海海域僅有部分沿海城市近岸海域爆發(fā)滸苔災害的2008、2009、2012年和沿海城市近岸海域均未爆發(fā)嚴重滸苔災害的2010年氣溫之間在顯著性水平為0.01時的相關系數(shù)為0.69～0.82、0.45～0.85、0.65～0.86和0.66～0.86，各城市氣溫之間的相關性都較沿海城市近岸海域均爆發(fā)嚴重滸苔災害的2011、2014、2015、2016年差。尤其是2009年近岸海域基本沒有滸苔分布的青島市和滸苔災害非常嚴重的鹽城市氣溫之間相關系數(shù)為0.45，小于0.5，相關性非常差，其城市之間氣溫變化差異大，可能是導致青島市、鹽城市近岸海域滸苔災害差異非常明顯的原因。

3 結束語

2008—2016年黃海海域滸苔遷移路徑不同，滸苔時空分布具有明顯的差異性，沿海城市近岸海域滸苔災害年際變化大[14]。其中2011、2014、2015、2016年沿海城市近岸海域均爆發(fā)比較嚴重的滸苔災害；2008、2009、2012、2013年則僅有部分沿海城市近岸海域爆發(fā)嚴重的滸苔災害，特別是2009年青島市、2013年鹽城市近岸海域基本沒有滸苔；2010年黃海海域沿海城市近岸海域均未爆發(fā)嚴重滸苔災害。

2008—2016年黃海海域滸苔爆發(fā)期間，沿海城市鹽城市、連云港市、日照市、青島市氣溫與近岸海域滸苔災害之間具有較好的相關性，平均氣溫在22.9～25.6 ℃之間時，沿海城市近岸海域均比較容易爆發(fā)嚴重的滸苔災害；而氣溫過高，則可能會影響近岸海域滸苔的生長，沿海城市近岸海域不易行成嚴重的滸苔災害。

2008—2016年黃海海域滸苔爆發(fā)期間，黃海海域沿海城市鹽城市、連云港市、日照市、青島市氣溫之間的相關性較強，除氣溫過高外，其近岸海域均易于爆發(fā)嚴重的滸苔災害；而它們的相關性較差，則其近岸海域不易于全面爆發(fā)嚴重的滸苔災害。

致謝：衷心感謝山東科技大學蔡玉林老師在黃海海域滸苔遙感資料收集、解譯等方面給予的指導和幫助。