基于哨兵2 号卫星遥感影像的2018 年苏北浅滩漂浮绿藻时空分布特征研究

袁超，张靖宇，肖洁，傅明珠，张学雷*，崔廷伟，王宗灵

( 1. 自然资源部第一海洋研究所 海洋生态环境科学与技术重点实验室，山东 青岛 266061；2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室，山东 青岛 266237)

1 引言

自2007 年以来，以浒苔（Ulva prolifera）为肇事种的黄海绿潮连年周期性暴发，对山东南岸的海洋生态环境、水产养殖和滨海旅游造成重大损失[1-2]。黄海绿潮在4-5 月份发生于苏北浅滩，随季风和海流向北漂移并快速生长，覆盖和分布面积逐渐扩大，在6 月份到达山东南岸堆积成灾。浒苔具有高生长率[3]、强漂浮力[4]和多样化的繁殖方式[5-6]，在适宜条件下会大规模增殖[1,7]。漂浮绿藻生物量在苏北浅滩仅为数千吨[8-9]，而到达山东南岸后可达数百万吨。在绿潮形成规模后打捞，防控成本和难度将大大增加。因此，应重视绿潮的早期防控工作。

现场调查、遥感追溯和数值模拟等手段均证实黄海绿潮发源于苏北浅滩[1,9-14]。苏北浅滩紫菜养殖筏架上的附生绿藻脱落入海是南黄海大规模绿潮的重要来源[12-13]。在早期发生过程中，漂浮绿藻由零星绿藻、小斑块逐渐发展为条带状的大斑块[1,7,13]。然而，由于苏北浅滩水文环境复杂且面积较大，船测调查手段难以实时和大范围地对漂浮绿藻进行监测。对于漂浮绿藻在苏北浅滩海域的分布、发生和发展过程仍缺乏精细的刻画，制约了绿潮早期防控工作的研究。

卫星遥感方法具有时效性好和覆盖范围广的优点，是绿潮动态观测的重要手段。目前，国内外学者基于多源卫星，发展出一系列的绿潮提取算法，开展了绿潮覆盖面积、影响面积和漂移路径的研究，并尝试进行绿潮生物量的估算[14-22]。由于漂浮绿藻与陆地植被具有相似的光谱特征，光学遥感的绿潮提取算法主要基于漂浮绿藻和海水在红光和近红外波段的光谱差异。常见的绿潮提取算法包括归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）、增强型植被指数（Enhanced Vegetation Index，EVI）、漂浮藻类指数（Floating Algae Index，FAI）和针对GOCI 卫星的漂浮绿藻指数（Index of Floating Green Algae for GOCI，IGAG）等。其中，NDVI 由于表现稳定可靠而被广泛采用[15-17]。在数据源方面，前期研究多基于中低分辨率卫星（MODIS、GOCI 等）进行绿潮的跟踪监测，研究区域集中于盐城以北海域[14,20]。由于苏北浅滩漂浮绿藻斑块面积较小[8]，中低空间分辨率卫星难以对其进行识别且可能会造成较大误差[17,22]。近年来，随着国内外高分辨率卫星，如哨兵2 号（Sentinel-2）、高分（GF）系列卫星等的运行，使研究漂浮绿藻在苏北浅滩时空分布规律成为可能。

本文利用高分辨率卫星（以哨兵2 号为主）数据，提取了2018 年黄海绿潮发生期间苏北浅滩的漂浮绿藻信息，研究了漂浮绿藻在苏北浅滩的时空分布特征，结合环境数据分析了地形、水温和风向对漂浮绿藻分布、发生和发展的影响，以期为黄海绿潮的早期防控提供参考。

2 数据与方法

2.1 研究海区

研究区域位于南黄海西部的苏北浅滩及其北部（32.4°～34.4°N，120°～122°E）。苏北浅滩具有似三角洲状的地形地貌—辐射沙洲（图1）。辐射沙洲以江苏东台弶港为中心，向东北和东南方向延伸出若干沙脊和潮沟。苏北浅滩的潮流受辐射沙洲影响显著。涨、落潮的主流向与潮沟走向一致，潮沟流速大于沙脊[23]。苏北浅滩是中国条斑紫菜筏式养殖的重要区域，而养殖筏架上的附生绿藻脱落入海被认为是黄海绿潮的重要来源[24]。

2.2 研究数据

哨兵2 号卫星是欧洲航天局哥白尼计划发射的多光谱对地观测卫星。哨兵2 号卫星的高度为786 km，幅宽为290 km，重访周期为5 d。在13 个光谱波段中，可见光（B2，B3，B4）和近红外（B8）波段的空间分辨率为10 m。哨兵2 号卫星的高时空分辨率特征为研究漂浮绿藻在苏北浅滩的分布、发生和发展规律提供了数据支撑。

图 1 苏北浅滩水深和地形概况Fig. 1 Bathymetric topography of the Subei Shoal

哨兵2 号影像为免费开放获取，下载于欧洲航天局网站（https://scihub.copernicus.eu/dhus/）。本文筛选了2018 年黄海绿潮暴发期的少云影像（5 月14 日、5 月24 日、6 月3 日、6 月8 日、6 月13 日、6 月23 日、7 月3 日和7 月13 日），研究漂浮绿藻在苏北浅滩的时空分布特征。哨兵2 号L1C 级影像是经过正射校正和亚像元级几何精校的大气表观反射率产品。L1C 级数据可基于欧洲航天局发布的Sen2cor 插件进行辐射定标和大气校正，得到各波段的大气底层反射率（即L2A 级产品）。5 月14 日，哨兵2 号影像未检测到漂浮绿藻。5 月24 日，漂浮绿藻条带在苏北浅滩南部可见，但该区域被厚云覆盖。因此，本研究还选取了2018 年5 月23 日的高分1 号WFV 影像，其空间分辨率为16 m。该数据来源于国家卫星海洋应用中心数据分发系统（dds.nsoas.org.cn/mainIndex.do）。

为了验证哨兵2 号影像提取漂浮绿藻信息的可靠性，本研究于2018 年6 月13 日在苏北浅滩南部海域开展了漂浮绿藻分布状态的现场观测。

利用美国Remote Sensing Systems（RSS）网站提供的微波+红外融合海表温度（Microwave+IR Signal Fusion SST， MISST） 数 据 和CCMP（ Cross Calibrated Multi-Platform）海面风场数据，研究影响漂浮绿藻时空分布的主要环境因子。MISST 和CCMP 海面风场数据的空间分辨率分别为9 km 和0.25°。

2.3 漂浮绿藻提取方法

利用NDVI 指数进行漂浮绿藻信息提取：

式中，NIR、R为近红外和红外波段的反射率。本研究中，NIR采 用哨兵2 号的B8 波 段（842 nm），R采 用B4 波段（665 nm）。

通过设定阈值T来确定漂浮绿藻的存在与否。本研究通过NDVI 阈值分割和假彩色合成图像进行目视解译来共同确定T值。阈值T的理论值为0，但受各种因素（浅滩、水深等）的影响而存在波动。本文中T值的范围为[-0.10，0.05]。

通过计算绿潮的覆盖面积（S）和漂浮绿藻分布区域的外包络面的面积（D）来表征绿潮的暴发规模和影响范围。S为NDVI＞T的像元数N与像元面积的乘积：

式中，r为卫星传感器的空间分辨率。

3 结果与讨论

3.1 哨兵2 号影像中漂浮绿藻信息的现场验证

通过现场同步调查，对2018 年6 月13 日哨兵2 号影像提取的漂浮绿藻信息进行验证（图2，表1）。结果表明，哨兵2 号提取的漂浮绿藻信息能够与现场数据相匹配。漂浮绿藻位于海水表面，在浑浊水体中可以与背景区分开。1 号站点存在微小的绿藻斑点，面积小于0.5 m2，哨兵2 号影像未探测到漂浮绿藻信息。2 号站点漂浮绿藻分布较为稀疏，覆盖度约为10%，影像检测到微弱漂浮绿藻信息。3 号和4 号站点存在显著的漂浮绿藻条带，可以清晰地从影像中看到。

图 2 2018 年6 月13 日哨兵2 号卫星影像中漂浮绿藻信号的现场验证Fig. 2 Field verification of floating green algae signal from Sentinel-2 images on June 13, 2 018

表 1 2018 年6 月13 日不同站位哨兵2 号影像中漂浮绿藻信号的现场验证Table 1 Field verification of floating green algae signal by Sentinel image at different stations on June 13, 2 018

3.2 漂浮绿藻在苏北浅滩的时空分布特征

本文采取NDVI 阈值分割与目视解译法相结合的方法，对2018 年苏北浅滩海域漂浮绿藻信息进行了提取（图3）；图4 反映了漂浮绿藻外包络面、覆盖面积和分布面积随时间的变化规律。

2018 年苏北浅滩漂浮绿藻的发展过程可大体划分为发生—发展—维持—消失4 个阶段。5 月23 日，零星漂浮绿藻在苏北浅滩南部的太阳岛附近首次被发现，覆盖面积为1.78 km2。6 月3 日，漂浮绿藻的分布范围迅速扩大至整个苏北浅滩，覆盖面积扩大了32 倍，分布面积达到17 830 km2。6 月中下旬，漂浮绿藻发展进入维持阶段。6 月13 日的漂浮绿藻的分布特征与6 月3 日相似，但在浅滩以北海域的分布面积显著增加。6 月23 日，漂浮绿藻在苏北浅滩以北的影响范围向东扩展到122°E，覆盖面积（199.28 km2）达到最大，比5 月23 日约高两个数量级（图4）。7 月3 日，苏北浅滩大部分区域被厚云覆盖，但在无云区仍然可观测到漂浮绿藻条带。7 月13 日，研究区域已无法检测到漂浮绿藻。整个过程持续约50 d，与历年黄海绿潮生消过程相一致[16,25]。

在苏北浅滩，漂浮绿藻聚集成条带状，自紫菜养殖筏架区向外沿各潮沟呈辐射状分布。如图3 所示，漂浮绿藻最早可追溯至浅滩中心筏架养殖区边缘，而后沿潮沟延伸扩展。绿藻条带的宽度在10～200 m之间，沿潮沟可断续绵延数十千米。出苏北浅滩后，漂浮绿藻仍呈条带状分布，生物量与覆盖面积显著增加，但其分布无明显规律，呈散布状（图3d，图3e，图3f）。6 月3 日，绿藻条带已覆盖整个北部浅滩，其中部分漂浮绿藻从浅滩西北沿岸和东部离岸潮沟漂移出浅滩。浅滩以北海域，漂浮绿藻在6 月3 日至6 月13 日明显向江苏近岸聚集，并在34°N 以北出现东西跨越半个经度的绿潮锋面；6 月23 日漂浮绿藻则向外海扩散，从近岸至122°E 连成高覆盖率、高生物量的大面积绿潮。

3.3 漂浮绿藻时空分布的环境驱动机制

适宜的环境条件是黄海绿潮暴发的必要条件。苏北浅滩及周边海域较高的营养盐水平是支撑浒苔快速生长和繁殖的重要物质基础[26-28]。图5 展示了研究期间苏北浅滩及周边海域的海表温度和海面风场的变化过程。温度是影响浒苔微观繁殖体萌发和附生绿藻群落演替的重要环境因子[1]。室内实验结果表明，浒苔的最适生长温度范围为14～26℃[3]，而其微观繁殖体在10～25℃萌发率较高[5,6,29]。本研究中，研究区域的海表温度在各时间的空间分布较为一致，自南至北、由近岸向外海逐渐降低。苏北浅滩的海表温度最高，通常比同纬度的黄海外海高2℃左右。本研究首次探测到漂浮绿藻时苏北浅滩的海表温度约为18℃，与往年船测调查中该区域大面积漂浮绿藻出现时的海表温度相一致[13]，也与历年卫星遥感首次探测到漂浮绿藻时的海表温度相符[18,21,25]。在维持阶段，海表温度虽然持续上升，但是仍处于浒苔的最适生长温度区间内[3]。

图 3 2018 年不同日期哨兵2 号影像的漂浮绿藻（红点）分布（白色区域为云掩膜）Fig. 3 Time-series distribution of the floating green algae (red dots) in the Subei Shoal in 2 018 based on the Sentinel-2 images (the thick clouds are marked by white dots)

在苏北浅滩，漂浮绿藻自紫菜养殖筏架区沿潮沟向外辐射分布。这表明苏北浅滩是黄海绿潮的源头。前期研究表明，苏北浅滩的紫菜养殖筏架为浒苔的微观繁殖体提供了附着基，是黄海绿潮的孕育场所[5-8]。附生绿藻在紫菜养殖筏架回收过程中脱落入海，由附生转变为漂浮状态，是黄海绿潮的重要来源[12-13,24]。苏北浅滩独特的潮流系统和辐射沙洲地貌特征有利于漂浮绿藻的带状聚集。该区域潮沟与沙脊相间，潮沟由外海向核心区变窄变浅。相同流量下，潮沟内海水流速大于沙脊，有利于漂浮绿藻聚集并向外输运[22-23]。漂浮绿藻在潮沟中汇聚还可能与谷物圈效应（Cheerios Effect）有关[30]。当两个能够产生液面变形的物体相互靠近时，由于系统重力势能和表面能倾向于最低，物体之间就会相互靠近聚集。

相关研究表明，绿潮漂移路径主要由风场驱动下的表层流场决定[11,18,21]。从对应日期的CCMP 海面风场图（图5）可以看出，漂浮绿藻条带在苏北浅滩以北的走向与盛行风向较为一致。5 月中旬，海表风场由北风向南风转变，有利于漂浮绿藻的向北漂移。6 月3-13 日研究区盛行东南风，漂浮绿藻主要在江苏近岸堆积。6 月23 日，当风向转变为西南风，绿藻条带则向外海扩展。在较小空间尺度上，漂浮绿藻仍呈带状分布。这可能与拉弥尔环流有关，小的拉弥尔环流逐步合并会引起浒苔或其他漂浮物的条带状聚集[11,31]。

图 4 2018 年苏北浅滩海域漂浮绿藻的外包络面（a）、覆盖面积和分布面积（b）变化Fig. 4 Temporal changes of envelops (a), coverage and distribution area (b) of the floating green algae in the Subei Shoal in 2 018

3.4 对黄海绿潮早期防控的启示

黄海绿潮具有异地起源、大规模和长距离漂移的特征，对山东半岛南岸造成重大的经济和社会损失[1]。对漂浮绿藻在苏北浅滩分布和发展过程的充分认识能够为制定和实施黄海绿潮早期防控措施提供科学依据。

减少绿藻附着和控制附生绿藻入海是控制黄海绿潮暴发规模的第一步。通过研发新型材料或对现有材料进行处理以减少绿藻附着的相关研究已有报道，但由于成本和操作等问题而难以得到大规模应用[28]。目前，将紫菜养殖网帘直接运回陆地处理可以减少附生绿藻入海。然而，仍有大量附着于梗绳上的绿藻通过机械作业去除入海，成为附生绿藻脱落入海的主要方式[12,24]。附生绿藻入海后，浒苔由于具有高比生长率[3]、强漂浮能力[4]和多样化的繁殖方式，迅速成为漂浮绿藻群落的单一优势种[1]。据估计，漂浮绿藻的初始入海生物量仅为几千吨，但到达山东沿岸时可达数百万吨[8-9,32]。因此，黄海绿潮的早期防控可以起到事半功倍的效果。

本研究中，哨兵2 号卫星影像首次探测到漂浮绿藻的时间为5 月23 日，比船测调查手段首次发现零星漂浮绿藻的时间（4 月25 日）晚了近1 个月[33]。这可能是由于早期零星漂浮绿藻面积较小，只有当汇聚成较大斑块才能够从卫星影像中解译出来[13]。因此，在漂浮绿藻的早期监测和预警过程中，高分辨率卫星遥感仍需与船舶和无人机等手段相结合。

高分辨率卫星（哨兵2 号和高分系列卫星等）能够提供准实时、精细的漂浮绿藻分布特征，为漂浮绿藻的前期防控提供数据支撑。本研究结果表明苏北浅滩的漂浮绿藻受辐射沙洲的约束而在潮沟中聚集成条带状，且可能对黄海绿潮有持续贡献。绿潮在潮沟内的带状聚集有利于开展船舶打捞工作。在出浅滩后，绿藻条带走向会随风和流的作用而发生改变，增加了打捞难度。在向北漂移的过程中，漂浮绿藻会进入快速生长期，增加了打捞的经济成本。因此，在苏北浅滩进行漂浮绿藻打捞可能是一种切实可行、经济且高效的黄海绿潮防控手段。

图 5 2018 年5 月到7 月南黄海西部海表温度（等值线，℃）和海面风场（矢量）Fig. 5 Sea surface temperature (contour) and wind field (vectors) in the southwestern Yellow Sea during May to July, 2 018

4 结论

本文主要采用空间分辨率为10 m×10 m 的哨兵2 号影像，通过NDVI 阈值分割和目视解译法相结合的方法提取2018 年苏北浅滩的漂浮绿藻信息，结合地形、MISST 海表温度和CCMP 海面风场数据分析影响漂浮绿藻时空变化的主要环境因子。结论如下：

（1）2018 年，漂浮绿藻最早于5 月23 日在浅滩南部被探测到，在6 月份逐渐向北扩大并维持，在7 月中旬消失。

（2）苏北浅滩的漂浮绿潮聚集成条带状，自紫菜养殖筏架区沿潮沟向外辐射分布，并在黄海绿藻发展过程中持续向北输出。出浅滩后，漂浮绿藻的分布和走向与盛行风向密切相关。

（3）漂浮绿藻在苏北浅滩的带状聚集有利于开展船舶打捞工作。