基于nFLH的2017—2021年间福建海域赤潮的时空分布特征分析

胡日查 王志威 姚驰 周寒

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.008

收稿日期：2023-05-08

摘  要：赤潮发生时不仅会对海洋水体、海洋生物、渔业等造成严重的危害，还会通过食物链威胁人类的健康。通过MODIS遥感影像进行分析，在SeaDas中利用OCCSW组件计算nFLH进行赤潮监测验证，并对福建省沿海区域2017—2021年间发生的33起赤潮灾害进行综合分析，系统分析了福建沿海赤潮生物种类、时空分布特征和演变规律。结果表明，2017—2021年间赤潮持续时间为173天，影响总面积为307.74平方千米。福建省近五年的时空分布特征总结，可为赤潮监测预警、防灾减灾提供参考。

关键词：赤潮；nFLH；时空分布特征

中图分类号：TP391.4  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）02-0032-06

Analysis of Spatiotemporal Distribution Characteristics of Red Tide in Fujian Sea Area from 2017 to 2021 Based on nFLH

HU Richa1， WANG Zhiwei1， YAO Chi2， ZHOU Han3

（1.Inner Mongolia Autonomous Region Surveying and Mapping Geographic Information Center， Hohhot  010050， China; 2.School of Geosciences，Yangtze University， Wuhan  430100， China; 3.School of Earth Science and Surveying Engineering， China University of Mining & Technology-Beijing， Beijing  100083， China）

Abstract： When red tides occur， they not only cause serious harm to marine water bodies， marine organisms， fisheries， etc.， but also threaten human health through the food chain. An analysis is conductedthrough MODIS remote sensing images， the OCCSW component is used to calculate nFLH for red tide monitoring and verification in SeaDas. A comprehensive analysis is conducted on 33 red tide disasters that occurred in the coastal areas of Fujian Province from 2017 to 2021. The species， spatiotemporal distribution characteristics， and evolution patterns of red tide organisms in the coastal areas of Fujian Province are systematically analyzed. The results indicate that the duration of red tide from 2017 to 2021 is 173 days， affecting a total area of 307.74 square kilometers. The summary of the spatiotemporal distribution characteristics of Fujian Province in the past five years can provide reference for red tide monitoring and warning， disaster prevention and mitigation.

Keywords： red tide; nFLH; spatiotemporal distribution characteristics

0  引  言

赤潮是指在一定的環境条件下，水体中的微生物、藻类浮游植物呈爆炸性增长，使水体发生变色的一种异常现象。海洋在受到污染后，其中的营养盐变得更加丰富，当气温、光照、降水等达到适宜值时，就会形成赤潮。发生赤潮时，海洋生态的平衡就会遭到破坏，并给浮游植物的多样性带来严重影响[1，2]。赤潮的频繁发生将会制约中国沿海区域经济的长远发展。福建省位于我国的东南沿海地区，海岸线蜿蜒曲折，适宜的温度、大量的污染物导致水体富营养化，加之天气稳定等种种条件，促使福建省赤潮灾害频发[3]。因此，开展近五年长时序赤潮时空分布特征研究对赤潮监测预警和防灾减灾具有重要意义。

随着遥感技术的快速发展，SEAWIFS、MODIS、TM、AVHRR等传感器得到了广泛的应用。由于赤潮的持续时间较短，基于高时效的要求，在赤潮研究中，MODIS可在较短时间内获得能够切实反映实际环境的资料，其数据传输速度较快，最常使用[4，5]。常用的赤潮检测技术有多波段遥感技术及数值模拟技术。多波段遥感技术通过对影像中两个或更多红外波段进行处理后，提取具有赤潮特征的水体。较为常用的多波段组合方法主要有三种，分别为多波段差值比值法、双波段比值法和多波段组合法。韦安娜[6]利用高分五号卫星，采用穷举法针对鄱阳湖的浑浊水体建立了三波段叶绿素a浓度反演模型。数值模拟遥感技术是指在充分分析测量得到的数据后，建立以赤潮、叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质的离水辐射率为参数的辐射传输方程，通过传输方程来模拟卫星对赤潮等海洋数据信息的接收过程。这种方法精度较高，结果可靠，适用性强，但计算量大，计算过程复杂[7]。卞明明[7]在研究秦皇岛海域赤潮时，采用多波段差值比值法进行分析，随后与单波段比值法进行对比。对比结果显示，通过多波段差值比值法获得的赤潮数据和信息更加准确和具体。赤潮检测时常用的基于MODIS影像的检测方法有MODIS叶绿素荧光高度法、叶绿素a浓度检测法、彩色合成法、高光谱遥感监测方法等[8-10]。使用上述方法能够较为准确地表征一类水体的特征，从而对该水体进行研究。而上述方法却不适用于对二类水体的研究，主要原因是二类水体中存在大量浮游植物、悬浮泥沙、黄色物质等难以区分的杂质，将上述方法运用于二类水体，往往会出现误差。针对福建省沿海赤潮时空分布特征，许多学者针对福建海域研究了2000—2020年间赤潮的时空分布特征、生物生态分布特征，试图为赤潮灾害的预测与防治提供有效方案[11-13]。

为了提升应对赤潮的防控能力，更加有效地保障福建省的经济发展，保护沿海人民的切身利益，通过研究多年份MODIS遥感数据影像和MODIS的归一化荧光基线方法nFLH数据，结合赤潮相关记载数据对比得出影响赤潮变化的多种影响因子和时空分布特征，采用验证方法显示赤潮的能力并总结近五年福建省沿海区域时空分布特征，使福建省地方政府在海洋生態环境治理、水产业治理以及沿海旅游业和可持续发展等诸多方面有据所依，科学规划管理。

1  赤潮监测方法概述

1.1  研究区域概括

福建省地理位置优越，地处北纬23°33'至28°20'、东经115°50'至120°40'之间，位于我国东南沿海地区，有很多著名的海湾和山脉，所以港口资源和植被资源十分丰富。河流支系繁多，流域面积庞大。福建省境内有大小海湾125个，其海域生物资源非常丰富，是我国重要的渔区之一。然而，由于其特殊的海湾环境、气候条件和沿海海洋环境污染的加剧，福建省也成为我国赤潮灾害高发省份之一，赤潮灾害严重威胁着福建省的渔业生产、滨海旅游乃至公众健康。根据福建省海洋与渔业局在2022年4月22日发布的平潭综合实验区农业农村局报告，平潭流水、白青、苏澳等海域发现赤潮。赤潮呈现粉红色，在海面上以条、带状分布，本次赤潮累计最大影响面积为120平方千米，其中占主导地位的第一优势种是无毒的夜光藻，一共持续5天。

1.2  数据源简介

研究数据来源于从美国宇航局的海洋水色网络网站（https：//oceancolor.gsfc.nasa.gov/）下载的MODIS福建省沿海区域2017年至2021年近五年的影像数据，由于赤潮高发期在4至6月，所以选取这个时间段的数据进行比较。为了验证nFLH的可行性，以使用SEADAS软件针对2022年4月22日福建省平潭丰田村海域的MODIS原始影像生成的nFLH，与无人机影像进行对比验证。基于nFLH图像和2017年至2021年福建省海洋与渔业局和中国海洋灾害公报官方信息的归纳总结，收集并整理近五年发生在福建海岸的33次赤潮灾害数据。其中包括赤潮发生的时间、灭亡时间、水域位置、最大累积区域、第一优势种藻群种类和密度、形态特征等信息。MODIS021KM原始影像如图1所示。

1.3  数据处理方法

数据主要来源于Ocean Color，这些影像数据已经过系统的辐射定标、地面控制点几何粗校正等相关预处理，在本论文的研究中，对遥感影像所做的处理工作主要包括以下几点。

1.3.1  重投影与重采样

重投影是基于重用前一帧中计算的样本的思想，尽可能在一个新的观察位置和方向重用这些样本。如图2（a）所示，对MODIS L1B级数据进行预处理操作时选择使用ENVI的MCTK扩展工具进行处理，该工具不仅可以在进行几何校正的同时校正数据，还可以在校正后自动将中心波长信息添加到生成的图像中。

重采样是指在各相邻原采样点内插出新采样点的过程。在合成真彩色影像时，对不同分辨率的影像进行参数设置，使得影像可在投影坐标系下采用同一分辨率进行彩色融合。

1.3.2  大气校正

在太阳光透过大气层到达目标表面再被反射到感应器的过程中，将会受到大气气溶胶、地形和邻近物体的影响，为了排除外界因素对目标的影响，提高其成像的准确度，就需要将目标的反射信息与太阳、大气的信息区分开来，并对其进行大气修正。如图2（b）所示，通过将MODIS L1b数据和MODIS GEO地理坐标数据相结合，并在ENVI平台下进行FLAASH大气校正，能够有效地去除大气的影响，并且可以将转换后得到的辐射亮度值再次换算为真实的地表发射率。

1.3.3  nFLH生成

如图3所示，通过OCCSW组件，利用Lgen2，选择产品参数，选择nFLH在Bands中生成。并在Seadas中将中国行政区SHP图层导入，与生成的nFLH叠加。如图4（a）所示，可在叠加图层中发现福建省沿海区域有明显的荧光反应，证实了nFLH指示赤潮的可行性。

1.3.4  无人机平潭影像验证

无人机遥感技术具有很多优点，能够快速获取海洋区域的动态数据，在海洋监测方面具有出色的功用。此外，无人机遥感技术还可以监测某些赤潮发生的范围、时间和地点等，并可根据相关的水文气象资料进行赤潮的实时速报。如图4所示，2022年4月22日的无人机影像可清晰地看出当日赤潮水体呈现粉红色，以条状分布，其影响面积大的特点与nFLH荧光反应地区相同。

2  福建赤潮分布时空分析

选取2017年至2021年赤潮高发期的4—6月中一天的标准化荧光基线图像来进行相互比较。如图5所示，2017年—2021年近五年福建省沿海区域总共发生33次赤潮，最小赤潮面积为200平方米，最大赤潮面积为75平方千米。以每次赤潮的最大影响面积作为赤潮的面积，面积在0～10平方千米、10～20平方千米、20～30平方千米以及30平方千米以上的分别有25次、5次、1次、2次。分别占总次数的75.76%、15.15%、3.03%、6.06%。持续时间为0～2天、2～6天、6～10天、10天以上的赤潮过程分别发生了7次、18次、6次、2次，各占总次数的21.21%、54.55%、18.18%、6.06%。由此可以看出，大致有3/4的赤潮是0～6天的中、短程过程，持续时间最长的是2019年4月26日至5月13日发生在福州市罗源湾、被列为福州港的深水外港的近岸海域，最大异常水域影响面积为2平方千米，该次赤潮呈浅棕色、带状分布。

如图6所示，2017年至2021年间，福建赤潮发生频次分别为4次、7次、10次、5次、7次，年均赤潮发生次数6.6次，2021年发生次数低于平均值。2021年至2017年赤潮累计持续时间分别为15天、25天、56天、22天、55天，赤潮年累计时长为173天，赤潮年平均持续时长为34.6天。从累计发生面积上，2021年到2017年分别引发12.5平方千米、31.5平方千米、114.54平方千米、29平方千米、120.2平方千米。根据以上数据可知，在2017年至2021年间，2019年赤潮发生频次最多、年累计时长最长、累计影响面积最大。2021年发生频次最少、年累计时长最短、累计影响面积最小。赤潮的年度变化与人类活动、全球气候异常和海洋水动力等因素有关。赤潮区域的化学物质变化明显，氮磷污染和富营养化是导致赤潮现象的直接原因，同时，某些浮游生物的入侵也会迅速破坏该区域的生态稳定性和物种多样性，从而导致明显的赤潮现象。

赤潮大多发生在上半年。2021年上半年，福建省近岸海域赤潮呈现出发生频率低、面积范围小、持续时间短的“三低”特点，导致赤潮爆发的赤潮生物均为无毒的藻群，对周围的水产品未造成明显的损害。2020年上半年，福建省沿海区域共发生赤潮7起，主要分布在宁德、福州、莆田和泉州等地，呈小面积、無毒害的特点，累计最大影响面积约32.5平方千米，远低于历年平均值。2019年上半年，福建省沿海区域共发生赤潮9起，发生次数、赤潮面积、持续时间都较高。福建沿海养殖渔排中也出现真鲷、包公鱼等养殖鱼类死亡现象。2018年，赤潮全部发生在上半年。所发生赤潮中的第一优势藻群包括有毒的链状裸甲藻、有毒的米氏凯伦藻、无毒的东海原甲藻、无毒的中肋骨条藻，虽然出现有毒藻群，但在养殖渔排中未发现养殖鱼类、贝类有超过指标的情况。2017年发生的7次赤潮中有4次发生在上半年，有毒的链状裸甲藻出现频次较高，该藻产生麻痹性贝毒，导致贝类中多次被检测出毒素，形成灾害性赤潮的可能性较大。

从季节变化特征上看，近五年福建沿海赤潮在各月份的发生起数如图7所示，赤潮发生在3、4、5、6、

7、10月，其余月份均无赤潮发生。其中，5月赤潮发生次数最多，发生了14次，占赤潮总数的42.42%。3月和10月赤潮发生次数最少，均只发生一次赤潮。根据数据可得出，福建省近五年沿海赤潮灾害主要发生在每年的4到7月，其中5至6月是赤潮发生的高峰期，占据赤潮总数的75.76%。

3  结  论

基于归一化的荧光基线高度nFLH理论和2017年至2021年福建沿海赤潮官方记录资料，对福建沿海区域进行赤潮监测。在赤潮爆发期，以nFLH图像和无人机影像进行对比验证，用近五年的nFLH和官方记录资料对福建省沿海区域做时空分布特征总结，结果表明，2017年至2021年共发生赤潮33次，累积影响面积为307.74平方千米，持续时间为173天。近五年中赤潮爆发频次、时间、累积面积均在2019年达到高峰，呈现先增后减的迹象。赤潮普遍发生在3月至7月，5月至6月是赤潮的高发期，这期间也更易造成经济损失。在赤潮频发的4至7月，危害严重的赤潮有周期性特点，一般间隔3至6年。要关注重点养殖区与赤潮多发区，历史上曾经发生赤潮的区域和预计可能发生赤潮的区域，需要特别关注。福建省沿海的6个市区中，福州和宁德市是赤潮频发的地区，基本上每年都有赤潮发生，这两个地区在赤潮高发期以多云和晴朗为主，在海面风浪较小、少雨、气候变化不大的条件下，赤潮容易爆发。

参考文献：

[1] 梁松，钱宏林，齐雨藻.赤潮研究的现状和有关问题 [J].生态科学，1992（1）：120-126.

[2] BONDUR V G，ZAMSHIN VV，CHVERTKOVA O I.SpaceStudy of a Red Tide-Related Environmental Disaster near Kamchatka Peninsula in September–October 2020 [J].Doklady Earth Sciences，2021，497（1）：255-260.

[3] 胡亮.福建平潭岛海域底栖贝类物种多样性及其地理分布 [J].生物多样性，2021，29（10）：1403-1410.

[4] 杜琦，张友权，高磊，等.近年福建海域赤潮的特点及防治对策 [J].福建水产，2002（4）：32-37.

[5] 王会芳，黄秀清，刘建华，等.福建海坛海峡赤潮灾害潜在生态风险评估 [J].热带海洋学报，2021，40（4）：122-133.

[6] 韦安娜，田礼乔，陈晓玲，等.基于穷举法的鄱阳湖叶绿素a浓度高光谱反演模型与应用研究——以GF-5卫星AHSI数据为例 [J].华中师范大学学报：自然科学版，2020，54（3）：447-453.

[7] 卞明明，宋金玲，王蕾，等.基于多波段差值比值法的秦皇岛海域赤潮监测方法 [J].河北渔业，2020（1）：35-37+62.

[8] 黄韦艮，肖清梅，楼琇林.国内外赤潮卫星遥感技术与应用进展 [J].遥感技术与应用，2002，17（1）：32-36.

[9] 郭晓海，王红，王常颖.MODIS影像赤潮快速自动检测及其精度评估 [J].内蒙古石油化工，2015，41（3）：55-57.

[10] HU C M，LIAN F.Modified MODIS fluorescence line height data product to improve image interpretation for red tide monitoring in the eastern Gulf of Mexico [J].Journal of Applied Remote Sensing，2016，11（1）：012003-012004.

[11] 龙华，杜琦.福建沿海米氏凯伦藻赤潮的初步研究 [J].福建水产，2005（4）：22-26.

[12] 李雪丁.福建沿海近10a赤潮基本特征分析 [J].环境科学，2012，33（7）：2210-2216.

[13] 何恩业，季轩梁，李晓，等.2001—2020年福建沿海赤潮灾害分级和时空分布特征研究 [J].海洋通报，2021，40（5）：578-590.

作者简介：胡日查（1982—），男，蒙古族，内蒙古通辽人，中级工程师，硕士研究生，研究方向：遥感影像解译；通讯作者：王志威（1987—），男，汉族，湖北赤壁人，副高级工程师，硕士研究生，研究方向：自然资源确权；姚驰（2002—），男，汉族，湖北天门人，本科在读，研究方向：遥感信息处理应用；周寒（2000—），女，汉族，湖南宁乡人，硕士研究生在读，研究方向：遥感信息处理应用。