基于modis的渤海海域2002-2009年葉綠素時空變化特征分析

渤海位于37-41和117-35-12110。它是中國最大的非封閉性內(nèi)海。只有在東部，它通過渤海公路與黃海相連，主要分為渤海灣、遼東灣、萊州灣、渤海中部盆地和渤海公路。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,而傳統(tǒng)的取樣調(diào)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(xiàn)大范圍的觀測,從而彌補實測數(shù)據(jù)分散的缺陷,更有利于對海洋現(xiàn)象進行分析和研究。近年來,高光譜技術(shù)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。Nikolay用SeaWiFS數(shù)據(jù)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(shù)等環(huán)境因子的動態(tài)關(guān)系,鄒亞榮基于2003年數(shù)據(jù)分析、鄒斌等分別基于HY-1/COCTS和MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析了2003年渤海葉綠素的時空分布及其與海溫的關(guān)系,萬小芳等用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?？v觀以上研究結(jié)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(shù)據(jù)反演的葉綠素數(shù)據(jù),從MODIS-Aqua向地面返回數(shù)據(jù)2002年7月到2009年12月共8年的時間序列數(shù)據(jù),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(jù)。1數(shù)據(jù)和方法1.1ros-aaqua葉綠素算法測量方法用于分析渤海海域葉綠素濃度ρ(Chl-a)時空分布的數(shù)據(jù)來源于MODIS-Aqua衛(wèi)星傳感器。ρ(Chl)月均值數(shù)據(jù)由美國國家航空航天局(NASA)海洋水色處理中心()提供,選取2002-2009年7月MODIS傳感器三級反演數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)采用的反演公式為: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(shù)據(jù)(L3SMI)是一種等距柱面圓柱投影的柵格數(shù)據(jù),對于MODIS-Aqua其分辨率大約為4.5km。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,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(shù)據(jù)分析其變化趨勢而不與實測數(shù)據(jù)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不同波數(shù)下的強震時間序列的顯著性變化規(guī)律本文主要應用統(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ρ(Chl-a)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(shù)據(jù)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(shù)。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(shù)據(jù)xt(t=1,2Ln),首先計算該數(shù)據(jù)在不同波數(shù)xt(t=1,2Ln)時的傅里葉系數(shù)。式中,ak和bk是第k個波數(shù)對應的余弦和正弦函數(shù)的系數(shù),Tk和sk分別表示不同波數(shù)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(shù)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。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F≥Fα(2,n-2-1)認為周期是顯著的,本文中置信水平F0.05(2,87)=3.1013。2結(jié)果和討論2.1葉綠素時空變化剔除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(shù)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3.8~5.2mg/m3之間,多年平均值為4.5mg/m3。該曲線波峰出現(xiàn)在2-3月份,之后下降,波谷在7月份。葉綠素濃度總體呈現(xiàn)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。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(guān)。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(zhì)被帶到表層,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(zhì)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。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,ρ(Chl-a)降低,7月份葉綠素均值下降到全年最低值為3.8mg/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。2.2日光溫度與月均值的月變化剔除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3.1~6.5mg/m3,每年可能出現(xiàn)多個波峰與波谷,但波峰一般在2-3月份,波谷基本出現(xiàn)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(zhuǎn)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。2.3信水平的f檢驗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(xiàn)高值或低值。2.4chl-a近海強-海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4~5mg/m3內(nèi),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2~3mg/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(xiàn)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。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(jié)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?？傮w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。3葉綠素質(zhì)量分數(shù)基于密度值本文分析了2002-2009共8年MODIS反演的渤海ρ(Chl-a)時間序列的變化特征。結(jié)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(xiàn)為總體呈緩慢的上升趨勢;其空間變化表現(xiàn)為從近海到外海快速遞降的趨勢;通過功