錢莉，劉文嶺，鄭小慎

（天津科技大學 海洋科學與工程學院 天津市海洋資源和化學重點實驗室，天津 300457）

基于MODIS數據反演的渤海葉綠素濃度時空變化

錢莉，劉文嶺，鄭小慎

（天津科技大學 海洋科學與工程學院 天津市海洋資源和化學重點實驗室，天津 300457）

采用離散時間功率譜、距平、滑動平均等統(tǒng)計學方法分析了MODIS反演得到的渤海海域2002－2009年葉綠素濃度的時空變化特征。結果表明，葉綠素濃度多年月平均值的波峰出現在2－3月份，波谷在7月份。葉綠素多年平均值近海明顯高于外海，由近海往外遞降，最低值出現在渤海海峽和北黃?？诟浇?。通過對葉綠素濃度多年月距平值進行離散時間功率譜的分析并進行F檢驗，能通過95%顯著性檢驗有7.5年和2.5年兩個顯著性變化周期。2003－2009年間葉綠素濃度差值圖像的空間分布表明，2006年整個渤海海域葉綠素濃度高于7年均值。

渤海；葉綠素a；時空變化；MODIS

渤海位于37°－41°N，117°35′－121°10′E，是我國最大的深入大陸的近封閉型內海，只有東面通過渤海海峽與黃海相通，主要分為渤海灣、遼東灣、萊州灣、渤海中央盆地和渤海海峽五部分。其水體交換能力差，自凈能力低，每年都要接納大量的陸源污染物。

海洋葉綠素對海區(qū)的海洋－大氣系統(tǒng)中碳循環(huán)、赤潮監(jiān)測、環(huán)境評估等的研究及漁業(yè)管理等具有重要研究意義[1]，而傳統(tǒng)的取樣調查方法主要是靠船只走航，其無法滿足大范圍監(jiān)測、長時間連續(xù)取樣的要求。遙感以其覆蓋范圍廣、大尺度、長時間連續(xù)的優(yōu)勢，可以對海洋實現大范圍的觀測，從而彌補實測數據分散的缺陷，更有利于對海洋現象進行分析和研究[2]。近年來，高光譜技術發(fā)展迅速，MODIS以其分辨率高、重復訪問周期短和快速獲取等優(yōu)點而被廣泛應用于海洋環(huán)境監(jiān)測中[3]。

Nikolay[4]用SeaWiFS數據分析了里海葉綠素季節(jié)、年際變化模式以及其與溫度（SST）、北大西洋濤動（NAO）指數等環(huán)境因子的動態(tài)關系，鄒亞榮[5]基于2003年數據分析、鄒斌等[6]分別基于HY- 1/ COCTS和MODIS衛(wèi)星數據分析了2003年渤海葉綠素的時空分布及其與海溫的關系，萬小芳等[7]用SeaWiFS衛(wèi)星資料分析了臺灣海峽表層葉綠素的季節(jié)、年際變化及典型區(qū)域的分布特征。

縱觀以上研究結果，葉綠素的變化研究僅停留在短時間上，因此很難對其變化規(guī)律做出客觀全面的描述。本文基于MODIS數據反演的葉綠素數據，從MODIS-Aqua向地面返回數據2002年7月到2009年12月共8年的時間序列數據，分析其在渤海海域的時空分布特征，為渤海資源評估、環(huán)境保護提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 MODIS遙感數據

式中，Ca為葉綠素的濃度（mg/m3）,Rrs為衛(wèi)星測得的遙感反射率。

三級標準地圖影像數據（L3 SMI）是一種等距柱面圓柱投影的柵格數據，對于MODIS-Aqua其分辨率大約為4.5 km。這種葉綠素算法是針對開闊大洋水體開發(fā)（一類水體），用于二類水體反演時，將高估葉綠素濃度值[13]，而渤海屬于典型的二類水體，但是其變化趨勢是一致的，因此本文只用反演數據分析其變化趨勢而不與實測數據進行比對。

本文應用衛(wèi)星反演的ρ(Chl?a)并裁剪出渤海海域（37°N-41°N, 117°E-122°E）為研究區(qū)域，時間跨度從2002年7月MODIS-Aqua發(fā)射到2009年12月，共90個月，分析其在渤海海域的時空變化趨勢。

1.2 方法

本文主要應用統(tǒng)計學的方法對渤海ρ(Chl?a)進行分析。由于衛(wèi)星觀測時受到大氣氣溶膠等干擾因素而影響觀測精度，本文引入多年平均的距平值而非絕對值分析其時空變化，以2003－2009全年同月平均值作為參考數據計算葉綠素距平值。

對于某一離散時間序列x，任意給定i時刻的距平值為：

采用統(tǒng)計方法中的滑動平均分析長時間序列的顯著性變化趨勢，滑動平均序列的公式如下：

式中，n為樣本容量，K 為滑動長度，常取為基數。為了消除季節(jié)性的影響，本文選取滑動長度K=5。

采用統(tǒng)計方法中的離散功率譜方法分析渤海葉綠素濃度的顯著性變化周期。對于某個含有n個時間序列的數據首先計算該數據在不同波數時的傅里葉系數[8]。

式中，ak和bk是第k個波數對應的余弦和正弦函數的系數，Tk和sk分別表示不同波數k的變化周期和功率譜能。因此本篇中時間序列的長度n=90，波數k=45。

最后，以1?α=0.95置信水平對離散功率譜方法獲得的振動功率和周期進行F檢驗[9]。

式中，2和n?2? 1分別為分子和分母的自由度，s2為原時間序列的方差，當認為周期是顯著的，本文中置信水平

2 結果和討論

2.1 渤海海域葉綠素a的季節(jié)變化特點

剔除MODIS影像上的異常值像素點，對所有有效值點進行平均（像素點數目≥10個），將渤海海域2003－2009年7年的ρ(Chl?a)按月平均，得到逐月變化曲線（圖1）。由圖1可知，月均值在3.8～5.2 mg/m3之間，多年平均值為4.5 mg/m3。該曲線波峰出現在2－3月份，之后下降，波谷在7月份。葉綠素濃度總體呈現為秋冬季相對較高，春夏季相對較低，該變化形式與鄒斌對渤海葉綠素季節(jié)分布特征相一致[6]。

海洋葉綠素的時空變化可顯示海區(qū)基本的生態(tài)信息，與光照、營養(yǎng)鹽、鹽度、溫度、潮、流等因素密切相關。海洋中的環(huán)境因子（光照、營養(yǎng)鹽、溫度、混合層深度和季風等）以及浮游動物的攝食對海洋中的浮游植物和葉綠素的時空變化影響很大。渤海因水淺，封閉性強，受大陸氣候影響顯著，冬季，渤海盛行偏北季風，陸架淺海區(qū)對流混合可達到海底，渦動混合也是全年最強，深層的營養(yǎng)鹽和懸浮物質被帶到表層[10]，從而使得遙感反演的ρ(Chl?a)較高。冬季到春季，表層海水溫度逐漸上升，由于海水垂直混合程度減弱和營養(yǎng)物質減少的影響而使大部分海域ρ(Chl?a)有所降低，但由于光照增強有利于浮游植物的光合作用，因此ρ(Chl?a)相對全年較高[6]。夏季光照充足，表層水溫為全年最高，垂直混合變淺，浮游動物大量繁殖，消耗大量浮游植物[11]，ρ(Chl?a)降低，7月份葉綠素均值下降到全年最低值為3.8 mg/m3。秋季光照開始減弱，表層水溫逐漸下降，對流混合開始增強，因此表層營養(yǎng)鹽重新得到補充，使得ρ(Chl?a)逐漸增加[12]。

圖 1 渤海海域2003－2008年葉綠素月均值變化曲線Fig.1 Variation of monthly-average of Chl-a in Bohai Sea during 2003-2008

2.2 渤海海域葉綠素a的年際變化特點

剔除MODIS影像上的異常值像素點，對所有有效值點進行平均，得到渤海葉綠素濃度2002年7月－2009年12月的時間序列的變化曲線和為了消除季節(jié)影響進行5個月平滑后的曲線（圖2）。從圖2可知，月均值為3.1～6.5 mg/m3，每年可能出現多個波峰與波谷，但波峰一般在2－3月份，波谷基本出現在每年的7月份。從2002年7月－2006年8月，葉綠素月均值呈緩慢的上升趨勢，這之后緩慢的下降，2006年ρ(Chl?a)最高。圖3為渤海葉綠素距平曲線和其5個月平滑后的曲線，可以看出，該曲線以2006年為轉折點，2006年前葉綠素月距平值為負，2006年－2007年8月葉綠素距平值為正，但波動幅度都較小，說明2006、2007年葉綠素相對較高。圖2 和圖3的平滑曲線也表明，ρ(Chl?a)總體呈上升趨勢，變化幅度相對較緩慢，以2006年上升最快。

圖2 2002年7月－2009年12月ρ(Chl?a)月均值及5個月平滑值變化曲線Fig.2 Monthly average of Chl-a concentration in Bohai Sea during July 2002 to December 2009

圖3 2002年7月-2009年12月ρ(Chl?a)距平值及5個月平滑值變化曲線Fig.3 Monthly anomalies of Chl-a concentration in Bohai Sea during July 2002 to December 2009

2.3 渤海葉綠素a的主要年際變化周期

應用離散時間功率譜方法對2002－2009年ρ(Chl?a)月均距平的顯著性變化周期進行分析，并對功率譜以1?α=0.95置信水平進行F檢驗（圖4）。從圖4可知，波峰位置分別位于85/1，85/3，85/10， 85/15，但是能通過0.95顯著性檢驗的位于橫坐標90/1和90/3，也就是ρ(Chl?a)月均距平大約有7.5年和2.5年兩個顯著性變化周期，即渤海海域葉綠素濃度每2.5年和7.5年的會出現高值或低值。

圖 4 2002年7月－2009年12月ρ(Chl?a)月均距平功率譜和0.95置信水平曲線Fig.4 Power spectral density and F-inspection line (the dashed line) of ρ(Chl?a) during July 2002 to December 2009

2.4 渤海葉綠素a空間分布特征

2003－2009年渤海ρ(Chl?a)7年均值的空間分布如圖5所示。ρ(Chl?a)主要集中到在4～5 mg/m3內，主要分布在渤海中央盆地，渤海海峽和北黃海ρ(Chl?a)最低為2～3 mg/m3，高濃度的葉綠素主要位于沿岸近海，并且在萊州灣、渤海遼東灣頂端ρ(Chl?a)最大。2003－2009年ρ(Chl?a)均值總體呈現近海高，外海低，低值區(qū)分布范圍廣的趨勢。近海由于深度淺、混合強、陸源河流帶來豐富的營養(yǎng)鹽，為浮游植物的生長提供了良好的棲息地，導致ρ(Chl?a)近海較外海高。

圖 5 2003－2009年渤海海域ρ(Chl?a)（mg/m3）均值的空間分布Fig.5 Average composite image of Chl-a distribution (mg/m3) during 2003-2009

以2003－2009年7年ρ(Chl?a)均值為基準，圖6是各年年均ρ(Chl?a)與7年ρ(Chl?a)均值做差值運算結果，高于7年ρ(Chl?a)均值的區(qū)域用紅色表示，低于7年ρ(Chl?a)均值的區(qū)域用綠色表示。

總體來看，2003－2009年ρ(Chl?a)的年際變化規(guī)律性不強，但變化顯著。其中2003，2004，2005年三年的ρ(Chl?a)相對于7年來說不是很高，2003年僅在遼東灣高于7年均值，而2004，2005年分別為萊州灣和渤海灣；2006，2007兩年的ρ(Chl?a)相對于7年均值來說較高，2006年全渤海海域ρ(Chl?a)都較高，這也與上述的2006全年ρ(Chl?a)距平值為正一致，2007年整個渤海中央和遼東灣ρ(Chl?a)較高；2008年ρ(Chl?a)高于7年均值的區(qū)域離散分布于整個渤海海域，其中渤海灣大部分濃度值較7年均值高；2009年的分布與2007年很類似，也是渤海中央分散著大于7年均值的葉綠素濃度。

圖 6 2003-2009年均葉綠素濃度與6年均值葉綠素濃度差值運算Fig.6 the difference of chlorophyll concentration beween 2003-2009 annual average and 6-year average value

3 結 論

本文分析了2002－2009共8年MODIS反演的渤海ρ(Chl?a)時間序列的變化特征。結果表明，ρ(Chl?a)月均最小值在7月份，最大值在2－3月份；其年際變化表現為總體呈緩慢的上升趨勢；其空間變化表現為從近海到外?？焖龠f降的趨勢；通過功率譜的分析，得到葉綠素距平值有2年和4年2個顯著性變化周期。標準的MODIS葉綠素算法是針對開闊大洋水體開發(fā)（一類水體），其海面顏色主要由葉綠素來決定，這種算法用于二類水體反演時，將高估葉綠素濃度值，是由于二類水體其色素濃度由黃色物質、懸浮泥沙和葉綠素共同作用[13]。渤海屬于典型的二類水體，因此用MODIS經驗算法反演的葉綠素濃度相對實測值會有所偏高，發(fā)展更適合二類水體葉綠素算法還有待更進一步的研究。

致謝：本文所用的MODIS衛(wèi)星獲得的葉綠素濃度數據由http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/網站提供，感謝NASA水色處理中心提供的數據。

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Spatial-temporal variation of Chlorophyll-a concentration in Bohai Sea based on MODIS

QIAN Li, LIU Wen-ling, ZHENG Xiao-shen

(Tianjin Key Laboratory of Marine Resources and Chemistry, College of Marine Science and Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

Spatial-temporal variation of Chlorophyll-a concentration based on Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS-Auqa, aboard Auqa satellite) was analyzed since the starting of MODIS-Auqa mission in July 2002 till December 2009.Statistical methods including anomaly, sliding average, power spectral density were used to analyze the spatial-temporal variation of Chlorophyll-a concentration in the Bohai Sea.Seasonal variation of Chlorophyll-a concentration represented the maximum values in February-March, the minimum values in July.Spatial variation showed the high concentration of Chlorophyll-a in coastal shore and decreased to offshore and the minimum values lay in Bohai strait and northern Huanghai Sea.The monthly anomalies showed about 4-year and 2-year cycle.In 2006, the whole Bohai Sea showed high Chlorophyll-a concentration from 2003 to 2008.

Bohai Sea; Chlorophyll-a; spatial-temporal variation; MODIS

TP79

A

1001-6932(2011)06-0683-05

2010-03-28；

2010-11-01

天津市自然科學基金資助項目 (09JCZDJC25400，08JCYBJC10500 )。

錢莉 ( 1985－)，女，碩士研究生，主要從事海洋環(huán)境遙感。電子郵箱：qianli_0429@126.com。

劉文嶺，研究員。研究方向海洋遙感，電子郵箱：lwl@tust.edu.cn。