近海海洋水色遥感技术对赤潮的监测

马宁 母景琴 杜瑞庆

摘 要：我国近海区域海水水质由于水体富营养而呈现变坏的趋势，发生赤潮的次数越来越多，而赤潮与水体中叶绿素a、总悬浮物的浓度有关。通过遥感平台上搭载的探测器对海表水色信息进行收集与分析，可以高效地对大面积海域进行长时间连续地监测，从而为海洋防灾减灾工作提供科学参考依据。

关键词：海洋水色 遥感技术 水体富营养化 赤潮 叶绿素a 总悬浮物

中图分类号：P273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0007-02

我国近海区域海水水质随着沿海经济的发展呈现变坏的趋势，近几十年发生过多次赤潮，其主要原因就是水体富营养化。在渔业上，赤潮直接带来了巨大损失，有时候赤潮还威胁到人类与动物的生命。因此，找到发生赤潮的规律及赤潮产生的原因至关重要，这就需要对近海区域海水水质进行长时间的监测，除了现场采集海水样品进行分析研究之外，利用卫星遥感数据对海水水质的监测越来越受到人们的重视。

1 水体富营养化

富营养化是指水体在自然因素和（或）人类活动的影响下，大量营养盐（如氮、磷等）随着流水流入到湖泊、水库、河口、海湾等水体，使水体在比较短的时间内由贫营养状态向的富营养状态变化的一种现象。在不受人类干扰或很少受到人类干扰的自然条件下，湖泊这种从贫营养状态过渡到富营养状态的自然过程非常缓慢，一般需要上千年或更长时间；而人为排放的工业废水与生活污水中含有大量的使水体富营养化的营养物质，因此在短时间内可以使水体富营养化，且这种状态会持续较长时间。其最主要的表现是：藻类及其它浮游生物的繁殖速度变快，藻类等大量生物越来越多，使水体含氧量下降，水质逐渐恶化，因为缺少氧气而使得鱼类及其他生物大量死亡[1]。

水体出现富营养化现象时的最主要表现是：浮游藻类大量繁殖，即所谓的“水华”。由于占优势的浮游藻类因种类不同而拥有不同的颜色，水面往往呈现不一样的颜色：例如蓝色、红色、棕色、乳白色等。海洋中的“赤潮”就是海水中出现了这样的现象。

评价水体富营养化的方法主要有：营养状态指数法，营养度指数法和评分法。营养状态指数法中根据水体透明度制定的卡尔森指数是最常用的评价水体富营养化的方法之一。后来，日本的相崎守弘等人提出了修正的营养状态指数（TSIM），即以叶绿素a浓度为基准的营养状态指数。这也是近海水域海水水质监测使用最多的一个指数。

除了浮游植物对水色的影响，悬浮物和黄色物质对海洋水色也会产生一定的影响。因此，在研究近海海洋水色时，也要考虑到这些因素。

2 我国近海区域赤潮发生情况

赤潮是对近海区域海水水质影响最大的自然灾害之一。它是由于海水富营养化造成海洋浮游生物过度繁殖而致使海水变色的现象。大部分赤潮是有毒的，一般会造成渔业经济的损失，甚至会导致海洋生物的死亡，甚至会造成人畜死亡。因此，赤潮已经成为全球海洋的公害之一，如何减少赤潮的发生、如何监测赤潮从而得到它的发生规律等科研课题已经成为国际海洋环境研究的重要内容。

随着我国海洋开发和沿海地区经济的快速发展，我国赤潮灾害发生越来越频繁。如图1所示，在上个世纪90年代中期，我国沿海每年发生赤潮的平均次数不超过10次；进入21世纪以来，每年发生的赤潮次数逐年高速增加，2003是赤潮发生次数最多的年份，为119次；随后10年以来，赤潮发生次数尽管有所减少，但一直维持在60次以上的高位，只是在2011年和2013年发生次数稍低于60次。按此规律发展，我国沿海发生赤潮的次数将维持在40次以上的高位。赤潮灾害是我国海洋环境研究的重要内容之一，其监测与防治成了当今海洋环保的重大课题。

目前，我国对于赤潮灾害的监测手段主要有：船舶定点监测、岸站和浮标监测、卫星（航空）遥感监测等手段。海洋水色遥感技术是近几十年来发展起来的最新监测手段，它的优点是：可提供大面积、长期、定点连续的观测。利用多种监测手段对比研究，是了解赤潮发生时间、覆盖面积、发生的程度和扩散方向、发生规律等的重要手段[2]。

3 海洋水色遥感技术

海洋水色是指海水的颜色，从深蓝到碧绿，从微黄到棕红。大洋海水颜色多为蔚蓝，沿岸海水则多呈淡绿色。海洋水色遥感技术是近年兴起的海洋探测技术。它通过各种遥感平台上的探测器对海洋表面的水色进行探测，反演出海洋水体中的叶绿素浓度、泥沙含量及黄色物质浓度，进而得到关于海洋的各种信息。

随着航天技术的不断发展，水色遥感器也经历了几个阶段的发展。

（1）1978年，美国航空航天局成功发射了海岸带水色扫描仪CZCS（Coast zone color scanner）卫星，它是第一颗极轨水色卫星[3]。它被用来探测I类水体，它的水色波段有443nm、520nm、550nm共3个，可以对卫星下点39°进行扫描；由于当时硬件的限制，中数量化级别只有8bit，因此与后来的水色遥感器相比，它的光谱分辨率与辐射灵敏度都相对较低[4]。不过，CZCS第一次实现了从太空对海洋水色相关数据进行记录，为以后的水色遥感器的发展指明了方向。

（2）第二代海洋水色遥感器为海洋宽视场观测仪SeaWiFS（sea viewing wide field of view sensor），它搭载在水色卫星SeaStar上。此时，遥感器的硬件比上世纪70年代末有了长足的发展，它补充了CXCS的数据集，波段从3个增加到8个，数据量级数也从8bit提高到10bit，可在星下点53.8度进行扫描。与第一代水色遥感器相比，它的噪声较低、精度较高，且波段可以进行优化配置[5]。

（3）中等分辨率成像光谱仪MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）搭载在Terra与Aqua卫星上，它是第三代的海洋水色遥感器。它被认为是SeaWiFS的接替者，每天分别于上、下午从北向南穿越赤道。它于星下55度进行进行扫描，波段大大增加到36个，数量化级也提升到12bit。同期发展起来的还有中等分辨率遥感器如MERIS（16bit），它们在历史上都为监测海洋水色做出了一定的贡献[6]。

（4）地球静止水色图像仪GOCI（Geostationary ocean color imager）搭载在韩国于2009年发射的第一颗地球静止气象卫星COMS（communication ocean and meterological satellite）上的水色遥感器，它的波段设置与SeaWiFS、MODIS相似，但不获取从可见光到近红外共8个波段的遥感物理量，另外它的连续观测时间比较长，监测范围固定且较大[7]。它观测到的数据误差小、数据缺失率低，既可提供短期的观测，也可提供长期的观测，对海洋系统循环变化、海上突发事件实时监测及手续消除治理等工作都有很重要的作用，发展前景良好[8]。

GOCI的水质参数算法包括叶绿素算法、总悬浮物TSS（Total suspended solid）算法、有色可溶性有机物质CDOM（colored dissolved organic matter）算法、赤潮指数RI（redtide index）算法、植被指数算法等。收集到的数据经过大气校正，可对“赤潮”的发生进行监测、对水色物质、海上溢油、海上倾废处理进行长期大面积监测。

GOCI曾经对我国黄海及东海大面积飘浮绿藻进行了长时间的监测，掌握了这些绿藻的扩散方向及动态变化，为监测“赤潮”的发生提供了非常有价值的信息，也为当地渔业、养殖业部门提供了海上灾害预警，也为我国海洋监测提供了大量有用且可靠的海洋水色信息。

4 结语

从20世纪90年代以来，我们近海发生赤潮的次数呈现出不断增加并在高位徘徊的趋势，由于赤潮会给人类带来巨大的损失，对于赤潮的监测则显得非常重要。赤潮发生时，海洋水色会发生一定的变化，通过搭载在卫星上的海洋水色遥感器对海洋水色进行大范围、长时间的监测，并结合现场数据可掌握赤潮发生的情况，从而找到赤潮发生的规律，可以为将来找到赤潮发生原因并减少赤潮发生次数打下良好的基础。

参考文献

[1] 王明翠，刘雪芹，张建辉.湖泊富营养化评价方法及分级标准[J].中国环境监测，2002，18（5）：47-49.

[2] 张春桂，曾银东，张星，等.海洋叶绿素a 浓度反演及其在赤潮监测中的应用[J]. 应用气象学报，2007，18（6）：821-831.

[3] 陈淼.海洋水色卫星遥感算法综述[D].青岛：中国海洋大学，2005.