葉晗，史玥雙，梁涵瑋，毛穎，周振宇，鄭秀蕊，王勝強(qiáng)*，孫德勇

(1.南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.自然資源部海岸帶開發(fā)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；3.南京信息工程大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；4.福建省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，福建 福州 350005；5.南京信息工程大學(xué) 長望學(xué)院，江蘇 南京 210044)

1 引言

水體透明度（Zsd）指光穿透水體的程度，能夠有效反映水體的渾濁程度，是評價(jià)水體水質(zhì)最為直觀的光學(xué)參數(shù)[1–2]之一。水體透明度的變化與諸多海洋生物化學(xué)過程和水動(dòng)力環(huán)境過程密切相關(guān)，如海洋初級生產(chǎn)力、物質(zhì)輸送等[1]，因此研究水體透明度的變化特征對于海洋水團(tuán)分析、初級生產(chǎn)力研究、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)等具有重要的意義[3]。

對于Zsd的監(jiān)測，傳統(tǒng)方法常采用賽克盤進(jìn)行現(xiàn)場測量[4–5]，該方法耗時(shí)耗力，而且調(diào)查樣本有限，難以獲取Zsd有效的時(shí)空分布信息。相比之下，衛(wèi)星遙感技術(shù)具有覆蓋范圍廣、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢，逐漸成為Zsd的主要監(jiān)測方法。目前針對Zsd的衛(wèi)星遙感反演算法大致可以分成兩類：經(jīng)驗(yàn)算法和分析/半分析算法[6]。經(jīng)驗(yàn)算法主要通過建立Zsd和遙感反射率光譜之間的經(jīng)驗(yàn)定量關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對Zsd的反演，該方法往往依賴于大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，區(qū)域性較強(qiáng)；分析/半分析方法則基于Zsd與水體光學(xué)特性之間的物理理論關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)對Zsd的遙感反演，模型機(jī)理清晰、普適性好[7–8]。

近年來，Lee 等[9]通過光學(xué)理論推導(dǎo)修正了傳統(tǒng)的Zsd理論模型，提出了新的Zsd理論模型，該理論模型的核心輸入?yún)?shù)是水體漫衰減系數(shù)（Kd）?；诖?，Lee 等[9]利用半分析算法（Quasi-analytical Algorithm,QAA）從遙感影像先反演了Kd，進(jìn)而估算了全球海洋的Zsd。當(dāng)研究者們將Lee 等[9]的模型用于區(qū)域水體時(shí)，發(fā)現(xiàn)新的Zsd理論模型在整體上表現(xiàn)出良好的普適性[10–12]，然而QAA 算法反演的Kd在某些區(qū)域（如近岸渾濁水體）存在一定的偏差，這導(dǎo)致Zsd的遙感反演精度不高，因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)研究水域的水體光學(xué)特性對Kd進(jìn)行重新遙感反演。例如，Mao 等[10]和毛穎等[13]針對渤海、黃海海域提出了Kd的加權(quán)聯(lián)合反演算法，再利用Lee 等[9]的新理論模型從地球靜止水色儀（Geostationary Ocean Color Imager,GOCI）傳感器數(shù)據(jù)反演了Zsd，結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相比具有很好的一致性。

南黃海海域中國沿岸受到陸地徑流輸入、季風(fēng)、洋流等因素影響，水體特性復(fù)雜多變[14]，另外沿岸地區(qū)人類活動(dòng)強(qiáng)度高，對近岸海洋環(huán)境的影響越來越引起人們的關(guān)注[15–16]。因此，本文以南黃海為研究區(qū)域，通過優(yōu)化校正Mao 等[10]的Zsd算法，使其適用于中等分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）傳感器，進(jìn)而利用MODIS 長時(shí)序的遙感數(shù)據(jù)資料，分析揭示近20 年（2002–2020 年）南黃海水體透明度的時(shí)空變化特征，并探討其影響因素。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)方法

2.1 研究區(qū)域

本文以南黃海海域?yàn)檠芯繀^(qū)域，具體的經(jīng)緯度范圍為30.8°～36.7°N，119°～126.9°E（圖1）。此外，為深入分析Zsd的時(shí)間變化特征及其影響因素，本文選取了4 個(gè)具有代表性的子區(qū)域（如圖1 紅色方框所示），包括：（1）南黃海中部（Central South Yellow Sea,CSYS），經(jīng)緯度為34.7°～35.7°N，123.8°～124.8°E，面積為9 101.2 km2。（2）南黃海南部（Southern South Yellow Sea，SSYS），經(jīng)緯度為32.7°～33.7°N，124.2°～125.2°E，面積為9 101.2 km2；CSYS 和SSYS 代表了水體較為清澈的外海海域，選取這兩個(gè)區(qū)域可以對比分析近岸與外海Zsd的時(shí)空分布及其驅(qū)動(dòng)因素的差異性。（3）長江口（Changjiang River Estuary，CRE），經(jīng)緯度為31°～31.7°N，122°～122.8°E，面積為5 096.7 km2；該海域代表了長江沖淡水影響區(qū)域，選取該海域的目的是對比凸顯南黃海海域Zsd的季節(jié)性變化以及懸浮物對其的影響特征。（4）江蘇近海（Jiangsu Coast，JC），從左到右，從上到下4 個(gè)頂點(diǎn)的經(jīng)緯度分別為（34.8°N，119.2°E），（34.6°N，120.6°E），（32.8°N，122°E），（32°N，121.8°E），總面積為21 615.3 km2；該海域?yàn)榈湫偷慕逗Ｓ颍涫艹毕绊懨黠@，水體常年處于渾濁狀態(tài)，此外，江蘇近岸人類活動(dòng)頻繁，對Zsd也可能存在一定的影響，因而選作代表性區(qū)域之一。

圖1 研究區(qū)域圖Fig.1 The study area

2.2 透明度遙感模型

Lee 等[9]提出的新的Zsd理論模型可表示為

式中，Kd表示下行輻照度的漫衰減系數(shù)（單位：m?1）；Rrs表示與Kd相同波段的遙感反射率；min 表示所有波段對應(yīng)的Kd最小值。對于Kd的計(jì)算，Lee 等[9]建立了如下反演模型

式中，θ0表示太陽天頂角；a表示水體總吸收系數(shù)（單位：m?1）；bb表示水體總后向散射系數(shù)（單位：m?1），對于a和bb的計(jì)算，Lee 等[9]采用了QAA 模型[17]。然而，Mao 等[10]和毛穎等[13]發(fā)現(xiàn)QAA 模型反演的Kd在黃海、渤海近岸渾濁水體存在一定誤差，使得透明度反演精度較低。為此，Mao 等[10]和毛穎等[13]提出了Kd遙感反演聯(lián)合算法，以提高Kd的遙感反演精度，具體表示為

式中，Kd_hybrid表示聯(lián)合算法計(jì)算的Kd；Kd_clear為清澈水體的漫衰減系數(shù)，仍由QAA 模型計(jì)算；Kd_turbid為渾濁水體的漫衰減系數(shù)，由針對黃海、渤海近岸渾濁水體的區(qū)域算法計(jì)算[13]。Kd_turbid的計(jì)算最后仍然使用的是式（2），但是其a(490)和bb(490)的計(jì)算方法有所不同，如式（4）、式（5）和式（6）所示：

式中，f=0.305；Q=4；B=1.13；bbw(490)=1.1×10?3；aw(665)=0.309；bbw(665)=3×10?4。式（3）中的w1和w2為權(quán)重，如式（7）、式（8）所示。該聯(lián)合算法的具體推導(dǎo)過程可參見文獻(xiàn)[13]。

本文基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)MODIS 傳感器的波段設(shè)置，對毛穎等[13]的Kd遙感反演聯(lián)合算法進(jìn)行校正，使其適用于MODIS 傳感器，進(jìn)而利用Lee 等[9]的Zsd新理論模型估算南黃海的水體透明度。

2.3 距平計(jì)算方法

在后續(xù)的時(shí)空特征分析中，本文分別計(jì)算了4 個(gè)子區(qū)域水體透明度的距平。由于2002 年和2020 年的水體透明度數(shù)據(jù)不全，所以計(jì)算距平時(shí)僅選擇了2003–2019 年的數(shù)據(jù)。具體計(jì)算過程為：設(shè)2003–2019 年的某子區(qū)域i年j月的水體透明度的空間平均值為Mij（i=2003,2004,···,2019；j=1,2,···,12），該子區(qū)域2003–2019 年期間j月的平均值Mj計(jì)算為

該子區(qū)域i年j月的距平DLij則計(jì)算為

同理可以計(jì)算其他子區(qū)域的透明度距平。

2.4 數(shù)據(jù)資料來源

本研究的現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料采集于2002 年至2003 年間以及2014 年至2016 年間的6 個(gè)海上調(diào)查航次，調(diào)查航次的詳細(xì)信息及參數(shù)測量方法可參見Mao 等[10]和毛穎等[13]的研究。簡而言之，本文的數(shù)據(jù)信息及其用途如表1 所示：其中，數(shù)據(jù)子集A 的測量參數(shù)包括Rrs和Kd，用于校正毛穎等[13]的Kd遙感反演聯(lián)合算法；數(shù)據(jù)子集B 的測量參數(shù)包括Rrs、Kd和Zsd，用于驗(yàn)證評價(jià)耦合毛穎等[13]Kd遙感反演聯(lián)合算法和Lee 等[9]Zsd新理論模型估算的Zsd的精度。

表1 本研究中現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)信息及用途Table 1 Information of field measured data used in this study

本文所使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要包括遙感反射率Rrs、海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）、風(fēng)速（Wind Speed，WS）、光合有效輻射（Photosynthetic Active Radiation，PAR）以及懸浮顆粒物濃度（Total Suspended Matter，TSM）。其中Rrs、SST 和PAR 均來源于MODIS 的L3 月產(chǎn)品，空間分辨率都為4 km，從https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/網(wǎng)站下載獲得；WS 數(shù)據(jù)從https://www.esrl.noaa.gov/網(wǎng)站獲得，其空間分辨率為1°×1°。TSM 數(shù)據(jù)則利用YOC 算法[18]從Rrs數(shù)據(jù)反演得到。以上數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為2002 年7 月至2020 年9 月。

3 結(jié)果與討論

3.1 基于MODIS 數(shù)據(jù)的水體透明度遙感反演精度

利用本文構(gòu)建的適用于MODIS 傳感器的遙感模型反演Zsd，即先利用優(yōu)化校正后的毛穎等[13]的遙感反演聯(lián)合算法反演Kd，再利用Lee 等[9]的新理論模型計(jì)算Zsd；然后利用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)資料對反演結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，本文采用的精度檢驗(yàn)指標(biāo)包括：決定系數(shù)R2（Coefficient of Determination）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）和平均相對誤差絕對值（Mean Absolute Percent Error，MAPE）。RMSE 和MAPE 計(jì)算公式為

式中，xi和yi分別表示第i個(gè)樣本的實(shí)測值和估測值；N表示樣本數(shù)，本研究中N=73。驗(yàn)證結(jié)果如圖2 所示，可以看出，MODIS 傳感器的Zsd遙感模型反演結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)具有很好的一致性，數(shù)據(jù)樣本較均勻地分布在1∶1 線附近，其中R2、RMSE 和MAPE 分別為0.91，1.69 m 和 25.1%。以上結(jié)果表明MODIS 傳感器的Zsd遙感模型具有良好的反演精度。

圖2 水體透明度（Zsd）遙感反演模型的驗(yàn)證Fig.2 Verification of water transparency (Zsd) remote sensing inversion model

3.2 南黃海水體透明度的時(shí)空變化特征

將Zsd的遙感反演模型應(yīng)用于2002 年7 月至2020年9 月的MODIS 長時(shí)序Rrs數(shù)據(jù)，構(gòu)建了近20 年南黃海海域每個(gè)月的Zsd遙感產(chǎn)品，將Zsd遙感月產(chǎn)品再進(jìn)行平均得到了南黃海海域的平均Zsd（圖3a）。從圖中可以看出，南黃海海域的Zsd總體呈現(xiàn)出外海高近岸低的特征。其中，江蘇近岸海域Zsd明顯低于外海，長江口的Zsd進(jìn)一步降低，同時(shí)長江口的低值區(qū)呈現(xiàn)出舌狀延伸。為了消除量綱的影響、更好地分析數(shù)據(jù)的離散程度，計(jì)算了Zsd的變異系數(shù)（Coefficient of Variation，CV）（圖3b）。可以看出，江蘇近海以及長江口的CV 值較低，表明這些區(qū)域的Zsd變化不大，長期處于較低值；而外海區(qū)域的CV 值普遍較高，表明這些區(qū)域的Zsd可能存在較大的時(shí)間變化。

圖3 南黃海水體透明度（Zsd）的平均值（a）和變異系數(shù)（b）Fig.3 The mean value (a) and coefficient of variation (b) of water transparency (Zsd) in the South Yellow Sea

針對每個(gè)月，進(jìn)一步計(jì)算了Zsd所有年份的平均值，并以此分析了南黃海Zsd的時(shí)間變化特征，結(jié)果如圖4 所示，可以看出：整體上在不同月份南黃海海域Zsd都呈現(xiàn)出外海高近岸低的特點(diǎn)，但在不同季節(jié)也表現(xiàn)出一定的差異。在冬季（12 月至翌年2 月），外海的Zsd基本處于較低值，隨著時(shí)間的推移，在夏季（6–8 月）Zsd達(dá)到峰值，之后外海的Zsd又逐漸降低，相比之下，近岸的Zsd常年處于低值。以上時(shí)間變化特征也使得在冬、春兩季（12 月至次年5 月），外海Zsd與近岸Zsd差異遠(yuǎn)小于夏、秋兩季（6–11 月），這種差異在6 月達(dá)到最大，在1 月達(dá)到最小。

圖4 基于MODIS 數(shù)據(jù)的南黃海水體透明度（Zsd）月變化Fig.4 Monthly distributions of water transparency (Zsd) in the South Yellow Sea derived from MODIS data

對于中國近海水體透明度，學(xué)者們也有開展過一定的研究，例如：薛宇歡等[3]利用2006 年和2007 年的中國近海環(huán)境調(diào)查的透明度數(shù)據(jù)，分析了中國近海的水體透明度時(shí)空分布特征；Mao 等[10]利用2015 年的GOCI 傳感器數(shù)據(jù)，反演分析了渤海、黃海Zsd的日變化和月變化；何賢強(qiáng)等[19]利用1998 年和1999 年的SeaWiFS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，反演分析了中國近海水體透明度的時(shí)空變化規(guī)律。雖然這些學(xué)者對中國近海水體透明度的時(shí)空分布特征做了一定的分析，但其數(shù)據(jù)僅限于某些年份。相比之下，本文是利用了MODIS 近20 年（2002–2020 年）的數(shù)據(jù)展開分析研究，長時(shí)序的數(shù)據(jù)資料有利于更深入地挖掘水體透明度的時(shí)空分布特征。此外，本文定量計(jì)算并深入分析了PAR、SST、TSM 和WS 4 種因子對水體透明度時(shí)空變化的影響。

為了更深入地明晰南黃海Zsd的時(shí)空變化特征，本文選取了4 個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行分析，包括南黃海中部（CSYS）、南黃海南部（SSYS）、江蘇近海（JC）和長江口（CRE），具體位置如圖1 所示。各區(qū)域Zsd時(shí)間變化結(jié)果如圖5 所示，可以看出：總體上4 個(gè)區(qū)域的水體透明度呈現(xiàn)出冬低夏高的變化規(guī)律，其中南黃海中部、南黃海南部和江蘇近海的Zsd的最大值都出現(xiàn)在夏季，而長江口的Zsd值在夏季卻偏低，這可能是由于夏季長江淡水排放達(dá)到最大，導(dǎo)致懸浮泥沙增多，進(jìn)而使得Zsd降低。此外，在不同季節(jié)，南黃海中部Zsd值的年際波動(dòng)比較小，特別是在冬季，Zsd值很穩(wěn)定。類似地，南黃海南部的Zsd值在冬季的年際波動(dòng)也很不明顯，但在春、夏、秋3 個(gè)季節(jié)的Zsd值相比南黃海中部的波動(dòng)要大一些。相比之下，江蘇近海和長江口區(qū)域的Zsd的年際波動(dòng)在每個(gè)季節(jié)都比較大。

為進(jìn)一步探究南黃海Zsd的長時(shí)序變化趨勢，本文計(jì)算了南黃海中部、南黃海南部、江蘇近海和長江口4 個(gè)子區(qū)域Zsd的距平，結(jié)果如圖6 所示，可以看出：在南黃海中部、南黃海南部以及長江口的Zsd都呈現(xiàn)出顯著性上升趨勢（p<0.01），尤其是南黃海中部，可以看出在2018 年以后有著明顯的上升趨勢。相比之下，江蘇近海的Zsd卻呈現(xiàn)出顯著下降趨勢（p<0.01）。

圖6 子區(qū)域的水體透明度（Zsd）年際變化趨勢Fig.6 Annual trends of water transparency (Zsd) of each sub-area

3.3 南黃海透明度變化的影響因素分析

針對南黃海海域的Zsd時(shí)空變化特征，本文對其影響因素（4 個(gè)子區(qū)域）進(jìn)行了分析探究。本文選取了PAR、SST、TSM 以及WS 4 種環(huán)境因素（每月一組數(shù)據(jù)），分別計(jì)算了它們與南黃海中部、南黃海南部、江蘇近海和長江口Zsd空間均值的皮爾森相關(guān)系數(shù)，依此分析了它們對Zsd的影響。由圖7 可以看出，PAR和SST 在4 個(gè)子區(qū)域都與Zsd呈正相關(guān)，而TSM 和WS 在4 個(gè)子區(qū)域都與Zsd呈負(fù)相關(guān)，而且4 個(gè)區(qū)域的TSM 與Zsd均呈現(xiàn)出很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)R均大于0.65）。然而，4 個(gè)區(qū)域Zsd的影響因素也呈現(xiàn)出一定的差異，其中江蘇近海和南黃海南部的Zsd受TSM 和PAR 的影響更為強(qiáng)烈，其R值分別為–0.88、–0.86 和0.75、0.61，而南黃海中部則主要受TSM 與SST 的影響，R值分別為–0.93 和0.81；在長江口，TSM 是Zsd影響因素中最大的一個(gè)（R=–0.68），相比于PAR、SST 和WS，其R值的絕對值最大相差0.54，最小相差0.31。此外，可以看出在長江口，PAR、SST、TSM 以及WS 4 種環(huán)境因子與Zsd的相關(guān)性相對于其他區(qū)域都要低一些，這可能是因?yàn)橛绊戦L江口Zsd的變化因素復(fù)雜多變，對于其具體原因仍需進(jìn)一步的研究。

圖7 各子區(qū)域Zsd 與光合有效輻射、海表溫度、懸浮顆粒物濃度以及風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation coefficients of Zsd with photosynthetic active radiation,sea surface temperature,total suspended matter and wind speed

在夏季，由于太陽輻射強(qiáng)度最大，使得SST升高，導(dǎo)致表層海水密度小于底層海水密度，上下層海水不能有效混合使得海水出現(xiàn)層化現(xiàn)象[20]，海中懸浮物沉積，上層海水TSM 降低，進(jìn)而導(dǎo)致Zsd增大；在秋季，太陽輻射逐漸減弱，SST 降低，水體層化現(xiàn)象逐漸減弱，海水混合逐漸增強(qiáng)，Zsd分布情況向冬季過渡；到冬季時(shí)，太陽輻射達(dá)到最低，SST 最小，此時(shí)上下層水體的密度差減小，又因?yàn)槭⑿屑撅L(fēng)的作用海水上下混合強(qiáng)烈，水體層化現(xiàn)象消失，并且風(fēng)速越大，混合越強(qiáng)烈[21]，這個(gè)過程使得上層海水的TSM 升高，導(dǎo)致Zsd很低；在春季，太陽輻射逐漸增強(qiáng)，SST 升高，WS迅速減弱，海水混合減弱，水體層化增強(qiáng)，使得Zsd分布特征逐漸開始向夏季過渡。以上環(huán)境變化過程使得Zsd與PAR 和SST 呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，而與WS 和TSM 呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，為了進(jìn)一步明晰長江口Zsd的影響因素，本文收集了大通水文站徑流量數(shù)據(jù)以代表長江徑流量，將其與長江口洪季的水體透明度做了相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)長江徑流量與長江口的Zsd呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性（R=–0.50，p<0.01），表明徑流量越大水體透明度越低，這主要是由于徑流攜帶大量懸浮物入海[22–24]，降低了水體透明度。

4 結(jié)論

通過本文的相關(guān)研究，得到了以下幾點(diǎn)重要結(jié)論：

（1）在空間上，南黃海水體透明度Zsd呈現(xiàn)外海高近岸低的特點(diǎn)，從季節(jié)變化來看，南黃海中部、南黃海南部和江蘇近海Zsd均呈現(xiàn)出冬低夏高的特點(diǎn)，但對于長江口，夏季的Zsd相對較低，可能與長江淡水排放量在夏季達(dá)到最大有關(guān)。

（2）近20 年來，南黃海中部、南黃海南部和長江口的Zsd基本呈上升趨勢，而江蘇近海的Zsd卻表現(xiàn)出下降趨勢。

（3）整體上，南黃海Zsd與PAR 和SST 呈正相關(guān)關(guān)系，而與TSM 和WS 呈負(fù)相關(guān)，相比之下，TSM 是Zsd的最主要驅(qū)動(dòng)因素。

本研究分析了南黃海海域Zsd的時(shí)空變化特征及其影響因素，這為南黃海海域的海洋生態(tài)環(huán)境、區(qū)域海洋學(xué)等相關(guān)研究提供了一定的科學(xué)參考。對于Zsd時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)因素分析中，本研究僅做了自然環(huán)境影響因素的分析。然而對于江蘇近海，Zsd可能受到人類活動(dòng)的影響，針對該問題，仍需在下一步工作中結(jié)合人類活動(dòng)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行深入分析研究。