王雅萍，馬秀秀，，李家國，朱利，李凱云

1.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院,焦作 454003;

2.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094;

3.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094

1 引言

近年來，沿海地區(qū)核電站數(shù)量不斷增加，而社會對環(huán)境保護意識逐步增強，核電站在工作過程中造成周圍水域溫度異常升高的“熱污染”現(xiàn)象越來越引起公眾的普遍關(guān)注（Chen 等，2000）。核電站熱效率僅為一般火電廠的30%—35%，加上核電機組循環(huán)水量是火電機組的1.2—1.5倍，所以棄熱量較多（梁珊珊 等，2012）。棄熱量主要是通過循環(huán)加熱冷卻水方式進行熱量交換，加熱后的冷卻水最終被排入鄰近受納海域，由于其溫度高于周邊水體溫度，因此，又被稱為“溫排水”（Chew等，2015；Jiang等，2009；Bamber和Seaby，2004）。溫排水會改變受納海域水體溫度場特征，對周圍水域生態(tài)系統(tǒng)和水生生物的數(shù)量、種類、群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響（Wang 等，2008；Arieli 等，2011；Reutter 和Herdendorf，1976；Wang 等，2009；Kelly 等，2016）。因此，核電站溫排水的狀態(tài)監(jiān)測和評價對于防止熱污染，保護海域水質(zhì)和水環(huán)境的生態(tài)平衡具有重要意義（許靜 等，2014）。準確、定期地調(diào)查溫排水影響的范圍和強度，是評估核電站溫排水對周圍海域環(huán)境影響的基礎(chǔ)條件。

目前，核電站溫排水熱污染監(jiān)測和評價主要包括3 種手段：數(shù)學(xué)及物理模擬、地面測量監(jiān)測、熱紅外遙感監(jiān)測。數(shù)學(xué)及物理模擬（Hamrick 和Mills，2000；Shen等，1996；Suh，2001；Zeng等，2002）主要用于核電站發(fā)電前的評價與論證，以及擬建核電站溫排水熱污染影響范圍的預(yù)測，Lowe 等（2009）使用三維流體力學(xué)模型MIKE 3 來評估從Charles Poletti 核電站排放到紐約市皇后區(qū)東河的溫排水的影響，并成功地利用三軸熱場數(shù)據(jù)對模型進行校準。Cheng 等（2011）通過三維數(shù)值模擬，使用κ-ε湍流模型研究了地形對電廠溫排水熱擴散的影響。地面測量監(jiān)測主要采用現(xiàn)場人工測量的方式進行水域?qū)崨r調(diào)查，是溫排水調(diào)查最直接和最直觀的手段。其優(yōu)點是受天氣影響較小，結(jié)果最為客觀真實，能直接獲取海表溫度和海水溫度—深度廓線等相關(guān)數(shù)據(jù)，缺點是成本高、速度慢、只能獲取有限個采樣點的溫度數(shù)據(jù)。Huang 等（2019）以ND 和FCG 兩個不同潮汐動力的研究區(qū)為例，以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了由熱排放引起海水分層的時空特征。Jiang 等（2019）在象山灣上游寧海電廠附近的兩個牡蠣養(yǎng)殖場和控制區(qū)進行了10 次巡航調(diào)查，通過研究表明牡蠣養(yǎng)殖有效緩解了水體富營養(yǎng)化和海藻大量繁殖，提高了浮游植物多樣性。與地面接觸式測量監(jiān)測不同，熱紅外遙感監(jiān)測是利用衛(wèi)星從太空進行非接觸式的海表溫度反演以及溫排水監(jiān)測。熱紅外遙感可以進行大范圍海表溫度同步反演（Hosoda 等，2007；Chen 等，2003；Donlon 等，2002；Wu 等，2007），成本低、速度快、范圍廣、可多期連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，是溫排水熱污染監(jiān)測的重要方式，不足之處是易受天氣影響。吳傳慶等（2006）利用多時相的TM 熱紅外衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)反演了廣州大亞灣核電站附近的水域溫度，對核電站溫排水強度、擴散范圍和環(huán)境影響進行了有效的評價。Liu 等（2020）利用Landsat 8 和GF-5 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，采用輻射傳輸方程法對紅沿河地區(qū)的海表溫度進行反演，分析了熱排放對近海岸區(qū)域的影響，并論證了GF-5數(shù)據(jù)在海表溫度監(jiān)測應(yīng)用中的優(yōu)勢。

熱污染分布范圍及程度監(jiān)測，無論是數(shù)學(xué)及物理模擬、地面測量監(jiān)測還是熱紅外遙感監(jiān)測，基準溫度獲取的科學(xué)性與客觀性起著至關(guān)重要作用?；鶞蕼囟戎饕窍鄬τ跍嘏潘鸬臒岙惓６裕x為在假設(shè)沒有溫排水發(fā)生情況下，現(xiàn)有區(qū)域內(nèi)水體表面的平均溫度（朱利 等，2014）。目前常用的基準溫度提取方法有多點平均溫度法（近岸多點）、取水口溫度法、鄰近區(qū)域溫度替代法、校正的海灣平均法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑、10 km 半徑、15 km 半徑）、溫升混合區(qū)最低溫度法（朱利 等，2016）。多點平均溫度法位置確定方便，但是對點位的分布位置依賴性較大，不易確定最優(yōu)點位，如近岸多點、均勻多點和邊界多點監(jiān)測的結(jié)果往往相互差異性較大。取水口溫度法由于是單點法，計算簡單方便，點位在溫升混合區(qū)附近，而實際發(fā)生溫排時受洋流等影響很難確定取水口是否受到熱污染。鄰近區(qū)域溫度替代法是在發(fā)電前長時間序列熱紅外遙感影像的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)性原則選擇核電站附近不受溫排水影響的區(qū)域，具有一定的統(tǒng)計科學(xué)依據(jù)，但也需要大量熱紅外遙感影像進行計算。校正的海灣平均法比較穩(wěn)定，以海灣范圍為邊界，不適用于開放及半開放的受納海域。半徑區(qū)域平均溫度法受溫升混合區(qū)變化的影響，半徑不易確定，相較開闊性海域，更適用于灣形海域。溫升混合區(qū)最低溫度法，又稱最小值法，采用最小溫度作為基準計算方便快捷，但是會過高估算溫排水的影響范圍。

地面測量監(jiān)測可為熱紅外遙感監(jiān)測結(jié)果提供比對和驗證，熱紅外遙感監(jiān)測可為地面測量監(jiān)測的采樣和實施提供宏觀指導(dǎo)（朱利 等，2014）。然而，當前地面測量監(jiān)測和熱紅外遙感監(jiān)測在實施過程中，往往是各自獨立計算基準溫度和熱污染提取，并沒有將地面監(jiān)測數(shù)據(jù)與遙感反演參數(shù)進行協(xié)同處理，基準溫度設(shè)定客觀性不足且互相獨立、缺少一致性，監(jiān)測結(jié)果的可比較性相對較弱。本文以寧德核電站附近受納海域為研究區(qū)，采用地面測量與GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測相結(jié)合的方式，開展星地協(xié)同基準溫度提取方法研究，以及星地協(xié)同熱污染提取與比對分析，以期獲取更為科學(xué)合理的溫排水監(jiān)測基準和熱污染分布范圍及等級，提高溫排水監(jiān)測水平，進而為核電站溫排水管理和水環(huán)境監(jiān)管等提供有效的科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

2.1 研究區(qū)概況

寧德核電站位于福建省寧德市轄福鼎市太姥山鎮(zhèn)，瀕臨東海，交通便利。該核電站是中國第一座在海島上建設(shè)的核電站，也是海峽西岸經(jīng)濟區(qū)建設(shè)的第一座核電站，同時還是國家核電中長期發(fā)展規(guī)劃頒布實施后正式開工的第一個百萬千瓦級核電項目。主體工程于2008 年2 月18 日開工建設(shè)，一期工程4 臺機組于2016 年7 月21 日全面建成（http：//www.ndnp.com.cn/ndnp/c101496/listtt.shtml［2021-01-08］）。

2.2 實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)采集

2.2.1 航點航線設(shè)計

試驗團隊于2019 年10 月在寧德核電站周邊海域進行了海面定點剖面觀測試驗，與GF-5 衛(wèi)星過境同步觀測?；趯幍潞穗娬厩捌跍囟确囱萁Y(jié)果，結(jié)合核電站周邊海域具體情況，設(shè)計試驗航點與航線。以排水口為中心建立不同距離等距線，由里及外編號為A，B，…，J；同時，以排水口為中心創(chuàng)建等角度輻射線，編號依次為1，2，…，24。等距線與輻射線的交點即為設(shè)計航點，如圖1 所示。設(shè)計過程中，需對部分點位位置進行調(diào)整以避開陸地和島嶼的影響。試驗共設(shè)計72 個航點，以核電站為中心向外由密到疏逐漸分布。由于核電站在工作模式下，離排水口越近溫升越大，所以離排水口越近，航點越為密集，以確保后期水體溫度插值的精度。為保證星地同步觀測，每條航線既要考慮航點數(shù)量和航點位置，也要考慮航行總路程，試驗共設(shè)計4條航線，如圖1所示。

圖1 地面試驗航點航線設(shè)計圖Fig.1 Waypoints and routes design drawing of marine test

2.2.2 數(shù)據(jù)采集

試驗由4 艘漁船執(zhí)行，每艘漁船分別攜帶1 臺溫鹽深測儀CTD（Conductivity-Temperature-Depth）或溫深儀TD（Temperature-Depth）。CTD/TD 是測量海洋物理特性的重要工具，可用于測量不同深度下精確的海水溫度和鹽度等參數(shù)，儀器溫度測量范圍為-5 ℃—35 ℃（精度：0.002 ℃；穩(wěn)定度：每月≤0.0002 ℃），深度測量范圍為1000 m（精度：1%滿刻度范圍；穩(wěn)定度：每年≤0.05%滿刻度范圍）。

試驗過程中CTD/TD 均設(shè)定為自容式測量，數(shù)據(jù)采集頻率均設(shè)定為1次/s，全程不間斷連續(xù)測量。試驗過程中為了降低測量誤差，保證測量溫度的有效性，CTD/TD每次剛?cè)胨畷r均需在水表20 cm處停留10 s 以上以確保測量探頭與水體充分進行溫度交換，在投遞過程中勻速緩慢下放和回收，同時小心避免觸底。儀器回收后，置于船艙內(nèi)以避開陽光直射，避免高溫光照帶來儀器電子器件性能變化。

2.3 衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取

GF-5 衛(wèi)星于2018 年5 月9 日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，2019 年03 月21 日正式投入使用。GF-5衛(wèi)星配置有6臺先進有效載荷，觀測譜段覆蓋紫外到長波紅外。其中，B09—B12 為GF-5/VIMS傳感器的4 個熱紅外通道：B09（8.01—8.39 μm）、B10（8.42—8.83 μm）、B11（10.30—11.30 μm）、B12（11.40—12.50 μm），空間分辨率為40 m，可提供高空間分辨率的海表溫度信息。

本文以2019年10月15日星地同步過境的GF-5/VIMS 衛(wèi)星影像進行海表溫度反演和溫排水遙感提取與分析。

3 研究方法

3.1 總體技術(shù)流程

本文總體技術(shù)流程如圖2所示。先對地面試驗獲取的時間序列溫度數(shù)據(jù)進行處理，包括分割與提取、深度校正、分層統(tǒng)計以及異常值剔除，進而獲取各航點溫度分層數(shù)據(jù)；隨后對地面測量數(shù)據(jù)進行空間插值以及對GF-5 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行處理，獲取地面和衛(wèi)星兩種手段得到的水體溫度；同時，在對各航點溫度垂直剖面特征進行分析基礎(chǔ)之上，構(gòu)建穩(wěn)定溫度法對基準溫度進行提取；隨后，分別進行地面測量和遙感監(jiān)測兩者溫升分布范圍提?。蛔詈髮Σ煌崛》椒ńY(jié)果進行比對與分析。

圖2 溫排水星地協(xié)同提取技術(shù)路線Fig.2 Satellite-marine synergistic extraction technology roadmap of thermal plume

3.2 時間序列溫度處理

3.2.1 航點數(shù)據(jù)處理

（1）航點分割與提取。CTD/TD 自容式測量頻率為1 次/s，整個試驗過程均有數(shù)據(jù)記錄，記錄內(nèi)容包括入水后的水體溫度和入水前、出水后的空氣溫度，因此需要從所有記錄數(shù)據(jù)里面篩選航點處水體溫度數(shù)據(jù)。由于儀器在測量過程中先進水后出水，所以每個航點處的深度數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)由淺入深之后又由深至淺的周期性現(xiàn)象。如圖3（a）航線4溫度序列數(shù)據(jù)所示，整個測量過程中溫度和深度隨時間呈現(xiàn)12 個周期變換，分別對應(yīng)航線4測量的12個航點。通過圖3中規(guī)律分析，儀器剛?cè)胨蛣偝鏊畷r的測量深度為海平面高度，由儀器記錄值可知為0.02 m（真實值應(yīng)為0 m，此處0.02 m由實際大氣壓與標準大氣壓差異引起，后文對該誤差進行校正），故深度從0.02 m 增加后再次回到0.02 m為儀器測量一個航點的周期，各周期內(nèi)對應(yīng)的溫度值即為相應(yīng)航點處測量溫度序列。

圖3 地面試驗航點溫度數(shù)據(jù)提取Fig.3 Data extraction of waypoint temperature in marine test

（2）深度校正。CTD/TD 儀器現(xiàn)場測量的航點深度包含海平面高度處實際大氣壓與標準大氣壓差異引起的相對誤差，需對大氣壓差異引起的深度誤差進行校正以得到儀器入水真實深度，計算如式（1）所示：

式中，h為校正后儀器入水深度，hm為儀器校正前入水深度，h0為儀器放置于海平面高度時記錄的深度值，本次試驗如前文所述為0.02 m。校正后海表以上深度值為-0.02 m，如圖3（b）航點408 數(shù)據(jù)所示。

（3）分層統(tǒng)計。各航點溫度數(shù)據(jù)提取之后，根據(jù)溫升監(jiān)測需求，每0.5 m 設(shè)為一個深度分層，計為hi，（i=0.5，1.0，1.5，…），如h0.5分層代表0—0.5 m 深度。各深度分層內(nèi)水體溫度的平均值為該層溫度，如式（2）所示。以圖3（b）航點408 第0.5 m 分層溫度數(shù)據(jù)提取為例，紅色點為儀器從0 m 到0.5 m 入水過程中測量的10 個溫度值，藍色點為儀器從0.5 m 到0 m 出水過程中測量的8 個溫度值，18 個溫度數(shù)據(jù)的平均值25.171 ℃即為航點408 的0.5 m 層溫度數(shù)據(jù)，其他分層溫度類同計算。

3.2.2 異常溫度剔除

在測量過程中如果儀器觸底或者在入水前受到高溫照射，可能使測量數(shù)據(jù)存在異常值，因此需對表層和底層數(shù)據(jù)進行異常識別與剔除，對測量數(shù)據(jù)相鄰分層深度的溫度值進行梯度計算得到相鄰分層深度梯度值，若梯度值過大則說明對應(yīng)分層溫度存在異常。采用統(tǒng)計學(xué)中的格拉布斯（Grubbs）準則法（Grubbs，1950；王建，2002）對相鄰分層溫度梯度值進行異常值判斷：

（1）將樣本ui（i=1，2，…，m）按升序排列成順序統(tǒng)計量，其中，m為樣本總數(shù)；

（2）計算樣本均值uˉ和標準差σ；

（3）計算格拉布斯統(tǒng)計量，如式（3）所示：

式中，i值為1、m，g1為下側(cè)格拉布斯數(shù)，gm為上側(cè)格拉布斯數(shù)。

（4）根據(jù)測量值的個數(shù)及顯著性水平α查找格拉布斯表得到對應(yīng)的格拉布斯準則臨界值G1-α(m)，其中，α為造成檢驗錯誤的概率，1-α為置信概率，本研究取α為0.01（池慶璽和司錫才，2006）；

（5）判斷，見式（4）：

式中，i值為1、m。

（6）剔除異常值后重復(fù)上述步驟，直到不存在異常值為止。

經(jīng)計算，在航點104、105、218、308 處相鄰分層溫度梯度存在4處異常，將其去除以避免異常值干擾。

3.3 水體溫度空間插值

地面試驗測量數(shù)據(jù)為點狀離散分布，采用克里金空間插值方法（kriging），將地面測量結(jié)果插值成具有連續(xù)分布特征的溫度場空間。kriging是基于地統(tǒng)計學(xué)的插值方法，以空間統(tǒng)計學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過權(quán)重系數(shù)的確定，使內(nèi)插函數(shù)處于最佳狀態(tài)（Reynolds和Smith，1994），如式（5）所示：

式中，Z(si)是第i個位置的測量值，λi是第i個位置處的測量值的未知權(quán)重，s0是預(yù)測位置，N是測量值個數(shù)。

3.4 海表溫度反演

遙感數(shù)據(jù)反演海表溫度方法主要分為針對單個通道的算法和針對多個通道的算法。劈窗算法（Qin 和 Karnieli，1999；Prata，1993，1994；Sobrino 等，1991）被證明是一種精度較高的針對多個通道的算法。對GF-5 熱紅外譜段進行正射校正、輻射定標等預(yù)處理后，采用兩通道（B09—B10）劈窗算法對海表溫度進行反演。

（1）正射校正。正射校正可糾正一般系統(tǒng)因素產(chǎn)生的幾何形變，也能消除地形引起的幾何形變，本研究采用RPC文件進行正射校正。

（2）輻射定標。目的是將影像的DN 值轉(zhuǎn)化為能表征地面熱輻射能力大小的物理量，是反演海表溫度的基礎(chǔ)，計算如式（6）所示：

式中，L為輻亮度（單位：W·m-2·sr-1·μm-1），Gain為絕對定標系數(shù)增益，Bias 為偏移量，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 GF-5全譜段光譜成像儀B09與B10定標系數(shù)Table 1 The B09 and B10 calibration coefficients of the GF-5 VIMS

（3）亮溫計算。利用GF-5/VIMS 傳感器通道響應(yīng)函數(shù)，通過Planck 函數(shù)計算在不同亮度溫度輸入條件下對應(yīng)的等效輻亮度，采用二次擬合（崔文杰 等，2020）建立亮溫與輻亮度的擬合關(guān)系，如式（1）所示。

式中，L09、L10為通道09 和通道10 的輻亮度，T09、T10為通道09和通道10的亮度溫度。

（4）海表溫度計算。劈窗算法的一般表達式如式（8）所示：

式中，T0為海表溫度，A0、A1、A2為溫度反演系數(shù)參數(shù)，本研究選取觀測天頂角0°、中緯度條件下多通道劈窗算法修訂系數(shù)進行計算（崔文杰 等，2020），相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 GF-5全譜段光譜成像儀兩通道劈窗算法系數(shù)Table 2 Two-channel split-window algorithm coefficients of the GF-5 VIMS

3.5 基準溫度提取

3.5.1 基于剖面特征基準溫度提取

（1）航點溫度垂直剖面特征分析。通過對實測海水溫度隨深度的剖面變化規(guī)律進行分析，將其歸納為7種類型。選取各類型代表性數(shù)據(jù)，以深度為縱軸，溫度為橫軸制作垂直剖面圖，再結(jié)合各類型航點空間分布位置，分析各種類型垂直剖面溫度特征和空間分布特征，如表3所示。

表3 地面試驗航點垂直剖面圖分類及各類型空間分布位置Table 3 Classification of vertical profile of marine test waypoints and spatial distribution of each type

（2）實測穩(wěn)定溫度法基準溫度提取。由表3可得，類型1航點剖面數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，空間位置分散分布且不在排水口附近聚集，所以不受溫排水的影響。類型2航點剖面數(shù)據(jù)前端穩(wěn)定，一定深度后溫度略有升高或降低，空間分布較分散，所以認為保持穩(wěn)定的前幾層不受溫排水影響。類型3溫度數(shù)據(jù)中端主體趨于穩(wěn)定，且位置分散分布，受溫排水影響的可能性較小。類型4多數(shù)點位遠離排水口，部分點位雖接近排水口但其垂直剖面特征在一定深度后主體趨于穩(wěn)定，說明這些航點溫度在一定深度以下不受溫排水影響。類型5溫度數(shù)據(jù)一直降低，沒有趨于穩(wěn)定的溫度層，且部分點位聚集在排水口附近，無法排除溫排水的影響。類型6數(shù)據(jù)先降低后升高，始終沒有趨于穩(wěn)定，可能受到溫排水影響。類型7中剖面曲線沒有明顯的規(guī)律特征，通過對其空間分布位置分析，發(fā)現(xiàn)部分點位分布在排水口附近，受溫排水影響的可能性很大。

綜上所述，前4種類型的垂直剖面溫度分別在整體、前端、中端、后端存在連續(xù)多層保持穩(wěn)定的數(shù)據(jù)且空間分布遠離排水口，稱之為穩(wěn)定溫度點，可用于基準溫度提取，這些航點大多分布在核電站排水口正東、東南以及南部方向，考慮到衛(wèi)星遙感反演的是表層溫度，類型3 和類型4 表層溫度并不是穩(wěn)定溫度，因此，本文只使用類型1和類型2的表層穩(wěn)定溫度點進行基準溫度提取。后3種類型的垂直剖面數(shù)據(jù)不存在連續(xù)穩(wěn)定溫度層說明受到了溫排水影響或者無法排除是否受到影響，稱為不穩(wěn)定溫度點，不能用于基準溫度提取，這些航點主要分布在排水口附近及其正北方向。

本次試驗共獲取49 個穩(wěn)定溫度點，包含18 個表層穩(wěn)定溫度點；23個不穩(wěn)定溫度點。分別對18個表層穩(wěn)定溫度點的各自穩(wěn)定層溫度值求平均得到各航點穩(wěn)定溫度，再對18 個航點穩(wěn)定溫度求平均得到實測數(shù)據(jù)基準溫度，稱之為實測穩(wěn)定溫度法，該方法是基于地面試驗實測數(shù)據(jù)垂直廓線特征提取基準溫度位置與大小。

3.5.2 基于衛(wèi)星遙感基準溫度提取

參考實測穩(wěn)定溫度法獲取的基準溫度位置，從衛(wèi)星影像反演的海表溫度數(shù)據(jù)提取遙感監(jiān)測基準溫度。通過實測穩(wěn)定溫度法得到不受溫排水影響的遙感影像空間點位分布，采用這些點位信息提取遙感影像海表溫度數(shù)據(jù)，并計算平均值得到熱紅外遙感監(jiān)測基準溫度。

3.6 溫升分布范圍提取

基準溫度確定后，通過式計算溫升，并通過分級（許靜 等，2014）標識不同溫升強度，如表4所示。

表4 溫升級別劃分Table 4 Thermal plume intensity level division

式中，ΔT為溫升，T為地面試驗插值溫度或GF-5衛(wèi)星影像反演溫度，Tr為提取的基準溫度值。

4 結(jié)果與分析

4.1 地面測量水體溫度

水體0.5 m 分層溫度插值結(jié)果如圖4 所示。由圖4可得，高溫區(qū)主要集中在排水口附近，溫度由排水口向外逐漸擴散，主體擴散方向為排水口正北方向，距離排水口越遠的位置溫度值越低，說明這些區(qū)域受溫排水的影響越小。排水口以南區(qū)域溫度空間分布均勻，說明這些區(qū)域溫排水分布較少。溫度由排水口向正北呈遞減分布，這與核電站所處海灣洋流有關(guān)，使溫排水排放到排水口以北區(qū)域。

圖4 地面測量0.5 m分層深度溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution of 0.5 m stratified depth in marine measurement

4.2 遙感反演海表溫度

GF-5 衛(wèi)星影像溫度反演結(jié)果如圖5 所示。由圖5可知，排水口附近的溫度較高，溫度由排水口向北擴散，而排水口以東和以南區(qū)域溫度較低，且基本保持不變，說明這些區(qū)域受溫排水影響不大。

圖5 GF-5衛(wèi)星遙感監(jiān)測溫度分布圖Fig.5 GF-5 monitoring temperature distribution

由地面實測0.5 m 水體溫度（圖4）和GF-5 衛(wèi)星遙感反演溫度（圖5）可得，兩者的高溫區(qū)均集中在排水口附近，并且溫度均由排水口向正北方向擴散。兩種監(jiān)測手段得到的溫度值在排水口東部、東南和南部區(qū)域較低，說明這些區(qū)域較少受到溫排水影響，且離排水口越遠，溫排水造成的熱污染強度越小。綜上所述，由地面試驗和GF-5衛(wèi)星遙感兩種監(jiān)測手段得到的溫度分布范圍和擴散趨勢基本一致。

4.3 基準溫度與比對分析

采用構(gòu)建的實測穩(wěn)定溫度法提取地面試驗和GF-5 衛(wèi)星影像的基準溫度，并分別計算研究區(qū)平均溫度，如圖6所示。研究區(qū)地面試驗與衛(wèi)星影像的平均溫度分別為25.5 ℃和26.4 ℃，相差0.9 ℃，基準溫度分別為24.3 ℃和25.6 ℃，相差1.3 ℃。比對可見，地面試驗與衛(wèi)星影像的平均溫度差異在1 ℃以內(nèi)，達到海表溫度反演精度要求。引起平均溫度差異的原因主要包括：（1）CTD/TD 的是一個點的溫度，而GF-5 衛(wèi)星影像測量的是40 m×40 m的平均像元溫度，由此產(chǎn)生了點源溫度和面源溫度的差異；（2）水體測量的0.5 m 以內(nèi)平均溫度與遙感反演的表皮溫度存在一定的差異；（3）空間插值誤差和遙感反演算法自身誤差；（4）地面測量時段內(nèi)海水溫度受光照或風(fēng)浪影響而產(chǎn)生的局部增溫或降溫變化。由于溫排水監(jiān)測采用的是基于基準溫度的相對溫差，即式（9）中的ΔT，而且遙感監(jiān)測使用的基準溫度是基于遙感反演水表溫度結(jié)果提取的，因此地面測量和遙感反演的相對差異對溫升提取的影響較小。

圖6 地面測量和GF-5衛(wèi)星遙感基準溫度及平均溫度Fig.6 Reference and average temperature of marine measurement and GF-5 monitoring

4.4 溫升空間分布與比對分析

研究區(qū)地面試驗測量與GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測不同強度溫排水空間分布結(jié)果如圖7所示。從地面監(jiān)測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測溫升結(jié)果可以看出，熱污染在排水口附近及其以北方向均有分布，兩者的二、三、四級溫升分布范圍、分布趨勢基本一致，溫升二級及以上的區(qū)域分布在排水口附近；衛(wèi)星遙感監(jiān)測的一級溫升向北擴散的同時有部分又由北向東擴散，而地面試驗監(jiān)測的一級溫升大多向北流動，向東北方向流動較少，衛(wèi)星遙感監(jiān)測的一級溫升范圍略大于地面試驗一級溫升范圍，兩者在排水口以東以及東南方向均不存在溫升現(xiàn)象。

圖7 地面測量監(jiān)測與GF-5衛(wèi)星遙感監(jiān)測不同強度溫升分布Fig.7 Marine measurement and GF-5 monitoring different intensity distribution

地面測量監(jiān)測表明，溫排水熱污染主要分布在核電站排水口附近及其正北方向，導(dǎo)致這些位置航點的剖面溫度波動較大，這與表3中的不穩(wěn)定溫度點（類型5—類型7）相對應(yīng)；在排水口正東、東南、南部方向不存在熱污染現(xiàn)象，所以這些位置航點的剖面溫度波動較小，存在連續(xù)的溫度穩(wěn)定層，對應(yīng)表3 中的穩(wěn)定溫度點（類型1—類型4）。說明本研究構(gòu)建的基準溫度提取方法能有效提取地面實測數(shù)據(jù)熱污染分布情況，可以避免因受到溫排水的影響而造成的基準溫度值偏高現(xiàn)象，避免基準溫度值不穩(wěn)定以及出現(xiàn)異常值的情況。

分別計算地面試驗與衛(wèi)星遙感監(jiān)測的溫升分級面積及其面積比例，如圖8所示。兩種手段監(jiān)測的溫升面積和溫升面積比例由一級到五級逐漸遞減。地面測量監(jiān)測和GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測得到的熱污染總面積分別為15.00 km2、16.53 km2，兩者面積相差1.53 km2，分別占地面和遙感監(jiān)測熱污染總面積的10.17%和9.23%。地面試驗得到的一級溫升面積為10.65 km2，占總面積的70.96%，GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測的一級溫升面積為12.69 km2，占總面積的76.76%，兩者面積相差2.04 km2，占地面測量監(jiān)測熱污染總面積的13.60%。由地面試驗數(shù)據(jù)和GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測得到的二到四級溫升面積差異分別0.39 km2、0.21 km2、0.05 km2，面積差異占地面測量監(jiān)測熱污染總面積的比例分別為2.59%、1.39%、0.32%，可見兩種手段得到的二到四級溫升面積非常接近。地面測量監(jiān)測沒有五級溫升，而GF-5 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測得到的五級溫升面積也僅僅為0.03 km2，星地面積差異占地面測量監(jiān)測熱污染總面積的0.22%?？傮w而言，地面試驗監(jiān)測溫升擴散面積與GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測的溫升擴散面積差異較小。綜上所述，采用實測穩(wěn)定溫度法提取實測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的基準溫度，能夠準確、有效的提取核電站熱污染分布范圍和大小。

圖8 地面測量與GF-5衛(wèi)星遙感監(jiān)測溫升面積和面積比例比對Fig.8 Comparison of thermal plume area and its ratio between marine measurement and GF-5 monitoring

4.5 不同方法比對分析

為了比對實測穩(wěn)定溫度法與當前其他基準溫度提取方法的差異，分別采用多點平均溫度法（近岸多點）、取水口溫度法、鄰近區(qū)域溫度替代法、校正的海灣平均法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）、溫升混合區(qū)最低溫度法共6 種方法來計算GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測基準溫度以及對應(yīng)的溫升分布，結(jié)果分別如表5和圖9所示。

表5 不同方法GF-5衛(wèi)星遙感基準溫度提取結(jié)果Table 5 Reference temperature of GF-5 monitoring with different methods

圖9 不同方法GF-5衛(wèi)星遙感溫升提取結(jié)果Fig.9 Thermal plume of GF-5 monitoring with different methods

由圖9 可得，多點平均溫度法（近岸多點）、取水口溫度法、鄰近區(qū)域溫度替代法3種方法得到的熱污染分布范圍顯著小于地面測量監(jiān)測結(jié)果（圖7（a））。其中，多點平均溫度法（近岸多點）和取水口溫度法提取的熱異常分布范圍最小，兩者的熱污染均分布主要集中于排水口附近；鄰近區(qū)域溫度替代法雖然提取的一級溫升分布范圍略大，但與地面試驗監(jiān)測的一級溫升分布范圍相比差異仍然較大。

校正的海灣平均法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）、溫升混合區(qū)最低溫度法三者得到的熱污染分布范圍均顯著大于地面測量監(jiān)測結(jié)果。其中，3 種方法提取的二級溫升分布范圍明顯大于地面測量監(jiān)測的二級溫升；另一方面，3 種方法在排水口附近存在面積較大的五級溫升區(qū)域，而地面測量監(jiān)測并沒有五級溫升。

綜合比對表明，多點平均溫度法（近岸多點）、取水口溫度法和鄰近區(qū)域溫度替代法顯著低估了溫排水影響，而校正的海灣平均法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）和溫升混合區(qū)最低溫度法卻顯著高估了溫排水影響，實測穩(wěn)定溫度法提取結(jié)果最為客觀、準確。

不同基準溫度方法遙感監(jiān)測各等級溫升面積及其比例、星地監(jiān)測面積比對如圖10 所示。實測穩(wěn)定溫度法、多點平均溫度法（近岸多點）、取水口溫度法、鄰近區(qū)域溫度替代法、校正的海灣平均法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）、溫升混合區(qū)最低溫度法遙感監(jiān)測溫升總面積與地面測量監(jiān)測的差異分別為1.53 km2、11.95 km2、11.12 km2、7.69 km2、6.61 km2、8.46 km2、14.93 km2，差異占比分別為10.17%、79.65%、74.11%、51.25%、44.09%、56.39%、99.53%?？梢妼崪y穩(wěn)定溫度法提取的星地熱污染差異最小，相較于其他方法精度提高了4—10倍。

圖10 不同基準溫度方法遙感監(jiān)測溫升面積、面積比例及其比對Fig.10 Area，ratio and its comparison of thermal plume to different reference temperature methods by remote sensing monitoring

對于一級溫升提取結(jié)果，實測穩(wěn)定溫度法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）和溫升混合區(qū)最低溫度法三者提取的結(jié)果相對一致，面積差異占比在6%—14%，其余方法差異占比均較大（18%以上）；對于二級溫升提取結(jié)果，實測穩(wěn)定溫度法提取的面積差異為0.39 km2，面積差異占比為2.59%，與地面測量監(jiān)測結(jié)果最為一致，多點平均溫度法（近岸多點）、取水口溫度法和鄰近區(qū)域溫度替代法三者的差異占比在4%—8%，其余方法均在20%以上；對于3級溫升提取結(jié)果，實測穩(wěn)定溫度法、校正的海灣平均法和半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）三者結(jié)果差異占比均在1.6%以內(nèi)，其中校正的海灣平均法略優(yōu)于實測穩(wěn)定溫度法，其余方法差異占比均在3%以上；實測穩(wěn)定溫度法提取的四級溫升差異占比為0.32%，而其他方法差異占比相對較高（1.7%以上）?？傮w而言，相較于當前其他基準溫度提取方法，實測穩(wěn)定溫度法提取的星地溫排水面積最為一致，誤差最小，實測穩(wěn)定溫度法能夠有效、準確的提取溫排水分布范圍和溫升強度。

5 結(jié)論

通過海面定點剖面觀測試驗共獲取72 個航點不同深度處溫度數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分割提取、深度校正和分層統(tǒng)計，以及基于Grubbs 統(tǒng)計準則進行異常值剔除。在分析航點垂直剖面溫度特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合航點空間分布特征構(gòu)建了基準溫度提取的實測穩(wěn)定溫度法，并應(yīng)用于地面測量監(jiān)測和GF-5 衛(wèi)星遙感反演監(jiān)測。通過將實測穩(wěn)定溫度法以及當前6種基準溫度提取方法分別與地面測量監(jiān)測結(jié)果進行比對，分析不同方法的提取精度。本文得出的主要結(jié)論如下：

（1）通過對測量點位溫度垂直剖面特征分析，將剖面形態(tài)總結(jié)為7 種不同類型，進一步對7 種形態(tài)進行歸納，劃分為穩(wěn)定溫度點和不穩(wěn)定溫度點，進一步基于穩(wěn)定溫度點特征，構(gòu)建基準溫度提取實測穩(wěn)定溫度法。通過對溫排水空間范圍分析表明，穩(wěn)定溫度點均位于溫升范圍之外，而不穩(wěn)定溫度點均位于溫升范圍之內(nèi)，直觀證明實測穩(wěn)定溫度法客觀有效。

（2）地面測量監(jiān)測表明，溫排水熱污染主要分布在核電站排水口附近及其正北方向，對應(yīng)23個不穩(wěn)定溫度點的分布位置；在排水口正東、東南、南部方向不存在熱污染現(xiàn)象，與49 個穩(wěn)定溫度點位相對應(yīng)，進一步表明航點垂直剖面溫度特征可以反映溫排水熱污染分布情況，也證明了實測穩(wěn)定溫度法的有效性。

（3）不同基準溫度提取方法比對表明，基于實測穩(wěn)定溫度法提取得到的星地同步熱污染分布范圍、強度和擴散趨勢最為一致，提取效果明顯優(yōu)于其他基準溫度提取方法，提取面積誤差最小，面積差異為1.53 km2，占地面監(jiān)測熱污染總面積的10.17%，相對于其他方法精度提高了4—10倍，而多點平均溫度法（近岸多點）、取水口溫度法、鄰近區(qū)域溫度替代法、校正的海灣平均法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）、溫升混合區(qū)最低溫度法的星地面積差異分別為11.95 km2、11.12 km2、7.69 km2、6.61 km2、8.46 km2、14.93 km2，差異占比分別為79.65%、74.11%、51.25%、44.09%、56.39%、99.53%。

總體而言，通過星地協(xié)同手段構(gòu)建的實測穩(wěn)定溫度法提取核電溫排水分布效果相較于傳統(tǒng)方法更具有科學(xué)依據(jù)且精度更高，但該方法需要現(xiàn)場做大量的星地同步試驗，操作復(fù)雜且費時費力，對缺乏星地同步觀測數(shù)據(jù)情況下基準溫度的提取存在局限性。研究表明，校正的海灣平均法提取溫排水熱污染精度僅次于實測穩(wěn)定溫度法，星地溫升面積差異為6.61 km2，可用于缺乏星地同步實測數(shù)據(jù)時長時序溫排水衛(wèi)星遙感監(jiān)測。另外，溫排水時空變化特征和對水環(huán)境的影響分析是下一步研究重點。本研究方法基于寧德核電站溫排水星地同步監(jiān)測數(shù)據(jù)而構(gòu)建，對于其他核電站溫排水星地協(xié)同監(jiān)測具有重要參考價值。

志 謝感謝十三五民用航天技術(shù)預(yù)先研究項目（國產(chǎn)衛(wèi)星信息智能分發(fā)技術(shù)）給本文提供的技術(shù)支持！