南海珊瑚礁白化遙感熱應(yīng)力檢測改進(jìn)方法研究

劉白露， 管 磊,2

(1.中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)部海洋技術(shù)學(xué)院/三亞海洋研究院，青島/三亞 266100/572022；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室區(qū)域海洋動力學(xué)與數(shù)值模擬功能實驗室，青島 266237)

0 引言

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)作為古老的海洋生態(tài)系統(tǒng)，總面積僅占全球海域面積約0.5%，生物種類卻占到了海洋物種總數(shù)的約30%[1]，生產(chǎn)力水平與生物多樣性極高。珊瑚對環(huán)境變化極為敏感，當(dāng)環(huán)境發(fā)生劇烈變化時，惡劣的生存條件會使得珊瑚體內(nèi)蟲黃藻被排出或(和)失去體內(nèi)色素，最終會裸露出底層的白色碳酸鈣珊瑚骨架，這一過程被稱為珊瑚礁白化[2]。據(jù)研究，最適宜珊瑚生長的溫度為25～29 ℃[3]，且大部分熱帶珊瑚生活在它們能忍受的海溫上限邊緣約1～2 ℃[2]，這使得珊瑚很難適應(yīng)短時間內(nèi)劇烈的海溫變化。伴隨著全球氣候變暖，海水溫度的異常升高已經(jīng)成為珊瑚礁白化的主要原因之一。1980—1997 年，全球共報道約 370 次珊瑚白化事件； 而在1998—2010 年期間，全球白化報道達(dá)到了3 700多次[4]，珊瑚白化發(fā)生的頻率和嚴(yán)重程度不斷增加。2015—2017年連續(xù)3 a記錄到了19世紀(jì)以來的全球最高年平均海溫[5]，與之相對應(yīng)的是有史以來最嚴(yán)重、持續(xù)時間最長的全球性珊瑚白化事件[6]。

中國南海分布著眾多珊瑚礁，主要包括西沙群島、中沙群島、南沙群島、東沙群島、臺灣島、海南島以及大陸沿岸共128 個礁區(qū)，總面積約為30 000 km2[7]。受人類活動與氣候變暖等因素的共同影響，南海珊瑚礁從20世紀(jì)60年代至今經(jīng)歷了嚴(yán)重的退化，活珊瑚覆蓋度下降了約80%[8]，亟需在南海建立完善的珊瑚礁白化監(jiān)測與管理系統(tǒng)。

早在1990年，Glynn等[9]就通過在造礁珊瑚上進(jìn)行耐高溫實驗，證實當(dāng)環(huán)境溫度升高1～2 ℃時，就會發(fā)生珊瑚白化現(xiàn)象，活珊瑚表面積顯著減少。并且因熱異常導(dǎo)致的珊瑚礁白化存在一定的滯后性，在急性熱應(yīng)力消退后，白化程度會隨著熱應(yīng)力的累積繼續(xù)加重[10]。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展和對珊瑚礁熱白化的進(jìn)一步研究，美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)從2000年起開始實施珊瑚礁監(jiān)測計劃(Coral Reef Watch，CRW) ，并證實了基于遙感海表面溫度(sea surface temperature，SST)數(shù)據(jù)集開發(fā)的熱應(yīng)力檢測產(chǎn)品： 熱點(Hotspot)與周熱度(degree heating week, DHW)，能對大規(guī)模珊瑚礁白化的發(fā)生與發(fā)展進(jìn)行有效監(jiān)測[11-12]。

作為業(yè)務(wù)化的全球珊瑚礁白化監(jiān)測產(chǎn)品，Hotspot與DHW已經(jīng)得到了全世界珊瑚礁研究與管理人員的廣泛使用，但其白化監(jiān)測的準(zhǔn)確度卻一直存在爭議。通過對全球1985—2005年的珊瑚礁白化事件進(jìn)行評估，Donner[13]發(fā)現(xiàn)在全球使用DHW平均能檢測到的珊瑚白化事件僅占40%，這種低預(yù)測性能可能是因為使用了全球固定的高于長期最熱月海溫1 ℃的熱閾值; 而根據(jù)Kleypas等[14]的報告，赤道西太平洋的珊瑚礁對小幅度的溫度升高更敏感，在月海溫異常低至0.4 ℃而不是1 ℃時，珊瑚就有可能會發(fā)生白化; Kumagai等[15]基于668例發(fā)生在日本西南部琉球群島海域的白化事件，對包括DHW在內(nèi)的指數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，得到了更適合該區(qū)域的臨界閾值0.68 ℃與白化警報閾值2.07 ℃-周; 李淑等[16]在2007年6月航次的南沙群島調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)在熱異常指數(shù)Hotspot低于1 ℃時，調(diào)查區(qū)域就已經(jīng)發(fā)生了珊瑚礁白化，因此認(rèn)為NOAA的白化熱應(yīng)力監(jiān)測指數(shù)在南海的實際應(yīng)用結(jié)果可能會存在低估的現(xiàn)象。

針對南海的白化熱應(yīng)力可能被低估，進(jìn)而產(chǎn)生白化事件漏檢的問題，為了提高南海珊瑚礁白化遙感監(jiān)測的準(zhǔn)確度，本文對珊瑚礁白化遙感熱應(yīng)力檢測指數(shù)進(jìn)行了評估與改進(jìn)。并在2007年6月的南沙群島珊瑚礁白化事件中，使用改進(jìn)前后的閾值結(jié)果分別進(jìn)行了DHW與白化警報區(qū)域的計算。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)源

南海位于太平洋西部、亞洲大陸南部，北至華南大陸沿岸，東至菲律賓群島，西部與南部分別至越南與馬來半島，是中國的三大邊緣海之一。本文的研究區(qū)域為南海及其周邊海域，處在珊瑚三角區(qū)(coral triangle)的西北部，是全球珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。地理位置(E105°～125°，N0°～25°)與主要的珊瑚礁分布情況如圖1。本文使用的SST數(shù)據(jù)集來自NOAA的國家環(huán)境衛(wèi)星信息資料中心(National Environmental Satellite, Data, and Information Service，NESDIS)，下載地址： ftp: //ftp.star.nesdis.noaa.gov/pub/sod/mecb/crw/data/coraltemp/v3.1/nc/。為了滿足NOAA CRW在檢測珊瑚礁白化熱應(yīng)力時對長期穩(wěn)定的SST數(shù)據(jù)的需求，NESDIS開發(fā)了這套分辨率為5 km的，靜止衛(wèi)星與極軌衛(wèi)星融合的全球夜間再分析遙感SST數(shù)據(jù)集[17]。數(shù)據(jù)集的時間跨度為1985年1月1日至今，本文采用的是3.1版本。

圖1 研究區(qū)主要珊瑚礁分布示意圖[17]Fig.1 Sketch map of main coral reefs in the study area[17]

Reefbase[18]是全球珊瑚礁監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(Global Coral Reef Monitoring Network，GCRMN)以及國際珊瑚礁行動網(wǎng)絡(luò)(International Coral Reef Action Network，ICRAN)的官方數(shù)據(jù)庫，記載了大量的珊瑚礁現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，但其中的觀測有主要集中在熱點研究海域的特點。Donner等[19]認(rèn)為ReefBase的白化事件數(shù)據(jù)庫遺漏了部分?jǐn)?shù)據(jù)，特別是缺乏太平洋地區(qū)的數(shù)據(jù)，因此他們在ReefBase的基礎(chǔ)上，通過有針對性地與國際珊瑚礁監(jiān)測領(lǐng)域的研究人員進(jìn)行交流，以及對報道和文獻(xiàn)資料的檢索補(bǔ)充，開發(fā)了一個全新的、高分辨率的全球大型珊瑚礁白化數(shù)據(jù)庫“Coral Bleaching Database V1”，時間范圍為1985—2010年，可在http: //www.simondonner.com/bleachingdatabase網(wǎng)站上獲得。上述兩個數(shù)據(jù)庫是本文珊瑚礁白化觀測報道的主要來源，此外還有從GCRMN歷年報告[20-22]以及文獻(xiàn)[23-26]中得到的白化事件記錄。通過對1985年起至今，研究范圍(E105°～125°，N0°～25°)內(nèi)的事件進(jìn)行檢索，篩除重復(fù)報道事件與非熱異常引起的白化事件，共得到180例事件報道，其中白化事件157例，未白化事件23例。

2 評價指標(biāo)

2.1 氣候?qū)W與熱應(yīng)力指標(biāo)

評價一個地區(qū)的熱異常，首先需要確定當(dāng)?shù)氐臍夂驅(qū)W基準(zhǔn)。檢測珊瑚礁白化熱應(yīng)力的氣候?qū)W基準(zhǔn)需要代表當(dāng)?shù)亻L期最熱月的平均海溫，所以通常使用最大月平均(maximum monthly mean, MMM)海溫。計算方法是先求出當(dāng)?shù)?2個月的長期月平均海溫，然后從中取最大值。

對氣候?qū)W基準(zhǔn)進(jìn)行了改進(jìn)，使用1985—2019年共35 a的再分析SST數(shù)據(jù)計算氣候?qū)W基準(zhǔn)。遵循NOAA CRW第3版的氣候?qū)W協(xié)議[27]，為了更好地確定珊瑚礁的熱應(yīng)力閾值，應(yīng)用文獻(xiàn)[28]中提供的方法對氣候?qū)W基準(zhǔn)進(jìn)行時間上的再中心化處理，計算公式為：

T85-19=T85-93-slope×(t85-19-t85-93) ，

(1)

式中：T為氣候?qū)W基準(zhǔn)；t為時間中心；slope為每個單元格內(nèi)的月平均SST長期變化率； 85-19指1985—2019年，85-93指1985—1990加1993年，代表再中心化前后的兩個時間段。

熱點(Hotspot)與周熱度(DHW)是NOAA CRW開發(fā)的珊瑚礁白化遙感熱應(yīng)力監(jiān)測產(chǎn)品，其中熱點Hotspot是基于MMM氣候?qū)W基準(zhǔn)計算的正異常值，用來表征每日海溫?zé)岙惓５拇笮。瑔挝粸椤?，計算公式為[27]：

(2)

珊瑚礁的熱白化是一個長期的過程，除了短期的熱應(yīng)激，研究證明長期的熱量累積也是重要的白化指標(biāo)，并且能更有效地監(jiān)測大規(guī)模珊瑚白化[9]。周熱度DHW是最近12周(84 d)熱應(yīng)力強(qiáng)度(Hotspot)的累積量，單位為℃-周。連續(xù)一周的2 ℃ Hotspot與連續(xù)兩周的1 ℃ Hotspot所對應(yīng)的DHW值是相同的，都是2 ℃-周[27]。在計算DHW時，為了避免長期低熱量累積導(dǎo)致指數(shù)虛高，并不會將所有的Hotspot進(jìn)行累加。設(shè)置一個臨界閾值(critical threshold，CT)來對熱量累積進(jìn)行限制，即把每個單元格的MMM+CT設(shè)置為當(dāng)?shù)責(zé)釕?yīng)力積累的高通濾波值。通常CT為1 ℃，在本文研究中會對CT進(jìn)行改進(jìn)。DHW計算公式[27]為： 。

(3)

根據(jù)熱應(yīng)力指數(shù)的大小可以判斷一個區(qū)域是否應(yīng)該發(fā)出珊瑚礁白化警報。NOAA CRW將4 ℃-周DHW作為判斷白化發(fā)生可能性的重要閾值，當(dāng)珊瑚礁附近的數(shù)值達(dá)到DHW≥4 ℃-周時，NOAA會向當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門發(fā)出白化警報[29]。本文將這個判斷是否達(dá)到白化警報級別的DHW值稱為警報閾值(alert threshold，AT)，AT也將是本文的改進(jìn)對象。

得到區(qū)域的Hotspot值與DHW值后，根據(jù)大小可以進(jìn)行白化熱應(yīng)力級別的劃分。參考NOAA CRW的白化級別劃分[27]，本文將按表1確定熱應(yīng)力檢測指數(shù)對應(yīng)的白化級別。

表1 白化熱應(yīng)力級別劃分Tab.1 Coral bleaching thermal stress levels

2.2 白化閾值的評價指標(biāo)

為了得到適合南海珊瑚礁的CT與AT，本文將不同閾值組合應(yīng)用到收集的白化調(diào)查事件中，將得到的漏檢率(false negative rate，F(xiàn)NR)、誤檢率(false positive rate，F(xiàn)PR)與準(zhǔn)確率(accuracy，ACC)作為檢驗白化閾值的標(biāo)準(zhǔn)。

對于珊瑚礁白化來說，報道中的白化事件可能被熱應(yīng)力指數(shù)成功檢測(true positive，TP)，也可能未被成功檢測(false negative，F(xiàn)N)。未被成功檢測的事件在所有白化事件中的占比即為漏檢率FNR，公式為：

FNR=FN/(TP+FN)

(4)

如果情況相反，報道中是未發(fā)生白化事件，其熱應(yīng)力指數(shù)或者未達(dá)到白化警報級別(true negative，TN)，或者達(dá)到了白化警報級別發(fā)生虛警(false positive，F(xiàn)P)。發(fā)生虛警的事件在所有未白化事件中的占比即為誤檢率FPR，公式為：

FPR=FP/(FP+TN)

(5)

最佳的白化閾值，需要兼顧FNR與FPR的大小。因為如果FNR太高，會導(dǎo)致白化事件的漏報； 而FPR太高，則會發(fā)生白化虛警。所以選擇準(zhǔn)確率ACC，它表示所有檢測結(jié)果中正確的事件占全部事件的比率，其公式為：

ACC=(TP+TN)/(TP+TN+FN+FP)

(6)

以上3個評價指標(biāo)： FNR,FPR和ACC，將是本文對白化熱應(yīng)力檢測閾值改進(jìn)的主要依據(jù)。改進(jìn)后將得到研究區(qū)域的最佳閾值組合，進(jìn)而獲得更準(zhǔn)確的珊瑚白化檢測結(jié)果。

3 結(jié)果與討論

3.1 白化閾值的分析

對白化閾值組合進(jìn)行研究評價，將CT設(shè)為0～1.5 ℃，AT設(shè)為0～8 ℃-周，取值間隔為0.01個單位，得到151×801的閾值矩陣，其中的每個點對應(yīng)一種閾值組合。由于白化事件報道的時間精度不一，在每種閾值組合下取對應(yīng)的157例白化事件發(fā)生當(dāng)年的DHW最大值。未白化事件均為現(xiàn)場調(diào)查記錄，所以在每種閾值組合下取23例未白化事件調(diào)查當(dāng)月的DHW最大值。依據(jù)式(4)和式(5)，求得不同閾值組合對應(yīng)的漏檢率與誤檢率如圖2所示。

(a) FNR(b) FPR圖2 不同閾值組合的漏檢率與誤檢率Fig.2 FNR and FPR with different threshold combinations

圖2(a)可以看到FNR隨CT與AT的增加逐漸增加，即越高的CT與AT越不利于白化事件檢出。紅圈(1.0 ℃，4.0 ℃-周)處為NOAA CRW的閾值組合，對應(yīng)的FNR為70.70%。這意味著在南海及其周邊海域，NOAA CRW閾值下熱應(yīng)力指數(shù)僅能成功檢出約30%的白化事件，小于全球平均的40%白化事件檢出率[13]。與FNR相反，圖2(b)的FPR值隨CT與AT的增加逐漸減小，即越高的CT與AT越不易發(fā)生白化虛警。黑圈處的誤檢率值為13.04%，意味著NOAA CRW閾值下判斷未白化事件的成功率較高。過高的FNR與低FPR，說明NOAA CRW的閾值設(shè)置對南海珊瑚白化情況會產(chǎn)生低估。

綜合考慮檢測白化事件與未白化事件的正確率，根據(jù)式(6)，不加任何限制條件，求得不同閾值組合對應(yīng)的ACC如圖3(a)，黑圈(1.0 ℃，4.0 ℃-周)處的ACC為58.13%，而藍(lán)圈(0.72 ℃，0.86 ℃-周)處可取得圖3(a)中準(zhǔn)確率的最大值75.66%。使用FNR與FPR對閾值的取值范圍加以限制，從圖3(b)和(c)的變化中可以看出，藍(lán)圈處所對應(yīng)的FNR與FPR小于40%但大于35%。而根據(jù)圖3(c)與(d)，F(xiàn)NR與FPR小于35%后，ACC最大值73.90%出現(xiàn)在紅圈(0.68 ℃，2.87 ℃-周)處，且此處FNR與FPR都小于30%，優(yōu)于(0.72 ℃，0.86 ℃-周)處的結(jié)果。結(jié)合圖2可以看出，(0.72 ℃，0.86 ℃-周)處的高ACC是FNR與FPR的相對差異大導(dǎo)致的虛高。綜合考慮FNR、FPR與ACC，最佳白化閾值組合為臨界閾值=0.68 ℃、警報閾值=2.87 ℃-周。

(a) 無限制 (b) FNR與FPR<40% (c) FNR與FPR<35% (d) FNR與FPR<30%圖3 不同閾值組合的ACCFig.3 ACC with different threshold combinations

3.2 改進(jìn)閾值在白化事件檢測中的應(yīng)用

2007年，李淑等[16]在南沙群島進(jìn)行了實地生態(tài)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在6 月19日時有部分珊瑚已經(jīng)或正在發(fā)生白化，可能處在熱白化事件的初始階段，然而采樣期間的DHW均小于3 ℃-周，并不能達(dá)到NOAA CRW認(rèn)為的足以發(fā)生顯著性白化事件的警報閾值(至少4 ℃-周)，所以認(rèn)為在南沙群島的珊瑚白化熱應(yīng)力監(jiān)測可能存在低估現(xiàn)象。 應(yīng)用NOAA CRW的臨界閾值(1 ℃)與改進(jìn)后的臨界閾值(0.68 ℃)，分別在研究區(qū)域計算2007年6月19日、22日與25日的DHW值(圖4)。兩種計算閾值下得到的DHW在6月19—25日這一周都有逐漸增加的趨勢，表明調(diào)查時正處于升溫狀態(tài)，很可能是熱應(yīng)力導(dǎo)致珊瑚礁白化的初期階段。通過圖4(a)—(c)與(d)—(f)的對比可以看到，臨界閾值的改進(jìn)能在反映區(qū)域升溫特征的同時，顯著提高DHW值。

圖4 南海DHW分布Fig.4 DHW in the South China Sea

按1 ℃與0.68 ℃兩種計算閾值，分別計算得到2007年6月19—25日一周的Hotspot與DHW。再按照4 ℃-周與2.87 ℃-周的警告閾值，用表1的標(biāo)準(zhǔn)劃分白化區(qū)域級別。為了更直觀地比較兩種閾值組合產(chǎn)生的白化區(qū)域級別的范圍差異，分別求取2007年6月19—25日最大白化區(qū)域級別(圖5)。

(a) NOAA CRW閾值 (b) 改進(jìn)閾值圖5 2007年6月19一25日最大白化區(qū)域級別[16]Fig.5 Maximum bleaching area level in seven days from June 19, 2007 to June 25, 2007 [16]

綠色框內(nèi)為此次南沙群島白化事件的大致調(diào)查區(qū)域[16]，通過區(qū)域內(nèi)7 d最大白化級別的對比發(fā)現(xiàn)： NOAA CRW產(chǎn)品在7 d內(nèi)未發(fā)出白化警報，僅認(rèn)為有可能發(fā)生白化，對實際白化情況產(chǎn)生了低估(圖5(a))； 而在閾值改進(jìn)后，調(diào)查區(qū)域內(nèi)同時段有大范圍的白化警報區(qū)域，與現(xiàn)場調(diào)查得到的結(jié)果相吻合，白化警報會有助于珊瑚礁管理人員掌握更真實的情況(圖5(b))。通過兩種結(jié)果的對比，證明經(jīng)過改進(jìn)后的白化熱應(yīng)力指數(shù)會更適合在南海的珊瑚礁白化監(jiān)測。

4 結(jié)論

本文基于遙感海溫數(shù)據(jù)集與白化指數(shù)Hotspot與DHW，依據(jù)180例南海及周邊海域珊瑚礁白化報道事件，使用漏檢率FNR、誤檢率FPR與準(zhǔn)確率ACC等評價指標(biāo)，對珊瑚礁白化熱應(yīng)力檢測中的兩個關(guān)鍵閾值進(jìn)行了評估與確定，從而實現(xiàn)了對白化熱應(yīng)力檢測的改進(jìn)。

1)經(jīng)改進(jìn)后的白化指數(shù)在熱應(yīng)力檢測能力上有大幅提升，白化監(jiān)測的準(zhǔn)確率由58.13%提升至73.90%，且漏檢率和誤檢率都在30%以下，更能準(zhǔn)確反映南海海域珊瑚礁白化的實際情況；

2)結(jié)合2007年6月在南沙群島調(diào)查得到的珊瑚礁白化事件，對比了閾值改進(jìn)前后白化指數(shù)的應(yīng)用效果，改進(jìn)后的檢測結(jié)果有顯著改善；

3)本文提到的熱應(yīng)力檢測閾值的評估與改進(jìn)方法有很高的通用性，可根據(jù)情況繼續(xù)縮小研究范圍，提高地區(qū)白化熱應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度。此外，海溫異常并不是珊瑚發(fā)生白化的唯一因素，太陽輻射、海水污染等也是導(dǎo)致珊瑚白化的重要原因，建立熱應(yīng)力指數(shù)主導(dǎo)的多參數(shù)模型會使珊瑚礁遙感白化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，從而更好地對珊瑚礁進(jìn)行白化監(jiān)測與管理保護(hù)。