呼倫湖藍藻水華時空分布特征及適宜氣象條件分析

林 聰，王雅瑩，董越，趙岳冀，曲學(xué)斌

（呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008）

藍藻水華暴發(fā)是在一定的營養(yǎng)、氣象、水文和生態(tài)環(huán)境條件下形成的藻類過度繁殖和聚集現(xiàn)象，是水環(huán)境因子和氣象因子綜合作用的結(jié)果[1]。藍藻水華暴發(fā)時不僅會破壞水體景觀，還會在其生長和死亡過程中消耗大量溶解氧，釋放毒素，引起水中生物死亡，嚴(yán)重時還會威脅湖泊周邊的飲水安全，破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡[2]。因此快速準(zhǔn)確掌握湖泊藍藻水華暴發(fā)的時空規(guī)律及所需的氣象條件，可以較好地為政府部門提供科學(xué)決策依據(jù)，做好藍藻水華的應(yīng)急處置工作。由于藍藻水華暴發(fā)時，水中的葉綠素a 會顯著增加，導(dǎo)致藍藻覆蓋湖面和無藻湖面的光譜特征發(fā)生明顯差異，而利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以快速、有效地捕捉到這種差異，因此遙感監(jiān)測已成為目前監(jiān)測藍藻水華暴發(fā)的主要手段之一[3]。劉曉艷等[4]基于MODIS 影像和歸一化植被指數(shù)（NDVI）揭示了太湖藍藻水華暴發(fā)的時空規(guī)律。袁俊等[5]利用MODIS 和Landsat 影像聯(lián)合開展巢湖藍藻水華空間分布規(guī)律研究，獲得巢湖藍藻水華暴發(fā)的長時間序列數(shù)據(jù)。李加龍等[6]結(jié)合遙感及氣象水文數(shù)據(jù)開展滇池藍藻水華暴發(fā)特征及驅(qū)動因子研究，表明風(fēng)速、溫度和日照長度對水華暴發(fā)均起到了主要作用。杭鑫等[7]在太湖藍藻水華遙感解譯的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣象臺站觀測數(shù)據(jù)對藍藻水華暴發(fā)的適宜氣象指數(shù)進行分析，并建立了預(yù)測太湖藍藻水華的氣象指數(shù)模型。

呼倫湖是我國第五大湖，地處呼倫貝爾大草原腹地，在區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護中具有特殊地位[8]。目前國內(nèi)開展的藍藻水華衛(wèi)星遙感監(jiān)測研究主要集中在太湖、巢湖、滇池等南方水體[9]，呼倫湖的藍藻水華研究極少，但由于氣候變化等因素影響，2022 年呼倫湖出現(xiàn)了較大面積和較長時間的藍藻水華暴發(fā)，藍藻水華問題開始備受關(guān)注[10]。結(jié)合遙感技術(shù)開展藍藻水華暴發(fā)時空特征及適宜氣象指標(biāo)研究，可以為呼倫湖藍藻水華的監(jiān)測、預(yù)警和應(yīng)急處置提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼倫湖位于內(nèi)蒙古東北部，新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗和扎賚諾爾區(qū)交界處（117°00′～117°41′E、48°30′～49°20′E），湖面呈不規(guī)則長方形，面積在2 100 km2以上，最大水深為8 m，平均水深為5.7 m[11]，GF-1 號衛(wèi)星的呼倫湖遙感影像如圖1 所示。該地區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，總體呈現(xiàn)出冬季寒冷漫長、夏季溫涼短促、春季干燥風(fēng)大、秋季氣溫驟降的氣候特點。呼倫湖的年平均氣溫為9.6 ℃，年平均降水量為256.7 mm，年平均蒸發(fā)量為1 634.1 mm，年平均風(fēng)速為3.3 m/s，冬季湖水的封凍期達170～180 d，而藍藻水華的暴發(fā)均出現(xiàn)在6—9 月。

圖1 呼倫湖高分衛(wèi)星遙感影像

1.2 藍藻水華遙感解析方法及數(shù)據(jù)源

藍藻水華的解析方式采用目前應(yīng)用最為廣泛的NDVI 方式，該方法具有計算簡便、解析范圍準(zhǔn)確等優(yōu)點[12]，其計算公式為

式中：ρnir為近紅外波段反射率，ρred為紅光波段反射率。結(jié)合呼倫湖藍藻水華發(fā)生時的INDVI監(jiān)測數(shù)值，設(shè)定湖面0.2≤INDVI＜0.5 的區(qū)域為輕度藍藻水華暴發(fā)區(qū)，INDVI≥0.5 的區(qū)域為重度藍藻水華暴發(fā)區(qū)，湖面出現(xiàn)輕度（或重度）藍藻水華面積超過50 km2即為有輕度（或重度）藍藻水華暴發(fā)。

遙感影像數(shù)據(jù)源采用TERRA 衛(wèi)星（MODIS 傳感器）的2013—2022 年呼倫湖6—8 月逐日遙感影像，分辨率為250 m，每天過境1 景，去除湖面云系覆蓋超過20%的影像后，共獲得354 景影像。氣象數(shù)據(jù)采用呼倫湖周邊滿洲里市、新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗3 個國家級氣象站的平均日觀測數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 藍藻水華暴發(fā)時間特點

本研究使用的影像數(shù)據(jù)及藍藻水華的解析情況如圖2 所示，MODIS 影像的有效監(jiān)測天數(shù)占研究期總天數(shù)的38.4%。在有效監(jiān)測的354 景影像中，共有67 景存在藍藻水華，每年都有藍藻水華出現(xiàn)，其中23 景存在重度藍藻水華，僅2014、2016 和2019 年沒有重度藍藻水華暴發(fā)。從藍藻水華暴發(fā)的時間來看，大部分年份集中在每年7 月中旬至8 月中旬，其中2014 年和2022 年初始暴發(fā)最早（6 月下旬）；2018、2019 年初始暴發(fā)最晚（8 月上旬）；2014 年結(jié)束暴發(fā)最早（7 月中旬）；2018、2020 和2021 年結(jié)束暴發(fā)最晚（8 月下旬）。

圖2 呼倫湖遙感影像數(shù)據(jù)解析情況

2.2 藍藻水華暴發(fā)的空間分布特點

將每年輕度以上藍藻水華的暴發(fā)按發(fā)生次數(shù)累加后的空間分布如圖3 所示?？梢?，2022 年是呼倫湖藍藻水華暴發(fā)最為嚴(yán)重的一年，已有影像中湖面藍藻水華的平均暴發(fā)次數(shù)為5.3 次，出現(xiàn)過藍藻水華的湖面占全部湖面的99.8%，暴發(fā)5 次以上的區(qū)域占全部湖面的67.9%。暴發(fā)次重的年份為2013 年和2021 年，湖面藍藻水華的平均暴發(fā)次數(shù)分別為1.0 次和0.7 次，出現(xiàn)過藍藻水華的湖面占全部湖面的59.1%和41.3%，均遠(yuǎn)低于2022 年。暴發(fā)范圍最少的年份為2016 年，出現(xiàn)過藍藻水華的湖面僅占全部湖面的6.7%。從藍藻水華的易暴發(fā)區(qū)域來看，呼倫湖的南部湖灣區(qū)和北部沿岸區(qū)是藍藻水華最多發(fā)的區(qū)域，藍藻水華在西北部湖岸的暴發(fā)情況明顯重于東南部湖岸。由于遙感影像在云系影響下常監(jiān)測時間呈離散性，因此難以準(zhǔn)確描述每次湖面藍藻水華暴發(fā)區(qū)的連續(xù)演變過程。

圖3 2013—2022 年呼倫湖藍藻水華暴發(fā)次數(shù)空間分布

2.3 藍藻水華暴發(fā)的適宜氣象條件

統(tǒng)計有效監(jiān)測影像對應(yīng)日期的日最高氣溫、日最低氣溫、日平均風(fēng)速和日最大風(fēng)速，并以1 ℃和1 m/s為區(qū)間，統(tǒng)計總藍藻水華和重度藍藻水華的暴發(fā)次數(shù)，同時將暴發(fā)次數(shù)與各區(qū)間的有效監(jiān)測總次數(shù)相除，得到各區(qū)間的藍藻水華暴發(fā)概率。如圖4 所示。在日最高氣溫小于23 ℃、日最低氣溫小于9 ℃且大于20 ℃、日平均風(fēng)速大于6 m/s、日最大風(fēng)速大于10 m/s 這4 種氣象條件時，沒有藍藻水華暴發(fā)。在重藍藻水華發(fā)生的日最高氣溫、日最低氣溫、日平均風(fēng)速、日最大風(fēng)速區(qū)間對應(yīng)的總藍藻水華暴發(fā)占比分別為88.1%、88.1%、94.0%和98.6%，可見重度藍藻水華暴發(fā)時的氣象條件也是主要藍藻水華暴發(fā)時普遍需要的氣象條件。

圖4 不同氣溫和風(fēng)速條件下藍藻水華的出現(xiàn)次數(shù)和概率

從各氣溫區(qū)間暴發(fā)概率看，日最高氣溫為33 ℃和37 ℃時總的藍藻水華暴發(fā)概率最高（50%），日最高氣溫在31 ℃時重藍藻水華暴發(fā)概率最高（18.2%），日最低氣溫為17 ℃時總藍藻水華暴發(fā)概率最高（33.3%），日最低氣溫為15 ℃時重度藍藻水華暴發(fā)的概率最高（16.7%），可見藍藻水華在氣溫達到一定條件時才會暴發(fā)，之后隨著氣溫繼續(xù)升高出現(xiàn)概率也會增加，但當(dāng)氣溫達到一定數(shù)值后繼續(xù)升高又會對藍藻水華的暴發(fā)起到一定抑制。從各風(fēng)速區(qū)間暴發(fā)概率看，總體和重度藍藻水華的出現(xiàn)概率均呈現(xiàn)隨日平均風(fēng)速增加而減少的趨勢，在風(fēng)速為1 m/s 時出現(xiàn)概率最高?？偹{藻水華暴發(fā)概率在日最大風(fēng)速5 m/s 時最高（20.6%），重藍藻水華暴發(fā)概率在日最大風(fēng)速4 m/s 時最高（15.6%），大體也呈現(xiàn)出隨日最大風(fēng)速增加而減少的趨勢。

使用相同的統(tǒng)計方式，對藍藻水華暴發(fā)時的日平均相對濕度、日最小相對濕度、日最高氣壓、日平均氣壓進行分析，未發(fā)現(xiàn)藍藻水華暴發(fā)概率的明顯分布規(guī)律，說明氣溫和風(fēng)速是藍藻水華暴發(fā)的主要氣象影響因子，其他氣象因子影響不明顯，這與李亞春等[13]的研究基本一致?？紤]有效觀測湖面為無云或少云條件，而云量會影響日照時數(shù)、輻射和降水，因此未對這3 類氣象因子與藍藻水華暴發(fā)情況進行分析。

以研究期內(nèi)呼倫湖藍藻水華暴發(fā)時氣溫、風(fēng)速條件作為較適宜氣象條件，以呼倫湖重藍藻水華暴發(fā)時的氣象條件作為適宜氣象條件，確定呼倫湖藍藻水華暴發(fā)適宜氣象條件見表1，其中T表示氣溫、R表示風(fēng)速。

表1 呼倫湖藍藻水華的適宜氣象條件

3 結(jié)論與討論

1）呼倫湖的藍藻水華暴發(fā)最早出現(xiàn)在6 月下旬，最晚可以持續(xù)到8 月下旬，大部分年份出現(xiàn)在7 月中旬至8 月中旬。從持續(xù)時間和影響面積來看，2022 年的藍藻水華暴發(fā)最為嚴(yán)重，其次為2013 年和2021 年。

2）呼倫湖藍藻水華的主要易發(fā)區(qū)位于南部的湖灣區(qū)和北部沿岸區(qū)，藍藻水華在西北部湖岸的暴發(fā)情況明顯重于東南部湖岸。

3）結(jié)合各氣象要素條件下藍藻水華的暴發(fā)概率，以全部和重藍藻水華暴發(fā)時的氣象條件作為較適宜和適宜條件。其中適宜氣象條件為日最高氣溫在25～33 ℃，日最低氣溫在10～17 ℃，日平均風(fēng)速小于等于4 m/s，日最大風(fēng)速小于等于9 m/s。

目前呼倫湖藍藻水華暴發(fā)機理及適宜氣象條件研究尚處于起步階段，衛(wèi)星遙感監(jiān)測受云系等因素影響存在嚴(yán)重的數(shù)據(jù)不連續(xù)問題，同時又缺乏其他呼倫湖藍藻水華監(jiān)測的有效手段，一定程度上影響了適宜氣象條件的確定，造成了本研究結(jié)論精細(xì)程度不足。隨著呼倫湖藍藻水華關(guān)注程度的增加，有必要進一步提升藍藻水華及氣象監(jiān)測能力，為呼倫湖藍藻水華暴發(fā)問題的深入研究奠定良好的基礎(chǔ)。