一、引 言

赤潮（RedTide）或有害藻華（HAB）是海水中某些浮游生物在適宜的海洋環(huán)境條件下爆發(fā)增殖或集聚引起的生態(tài)異?，F(xiàn)象。它破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡，惡化海洋環(huán)境，給漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。含有毒素的赤潮生物還能通過食物鏈的轉(zhuǎn)移和積累使海洋經(jīng)濟(jì)動物和人類中毒甚至死亡。例如1993年我國東南沿海發(fā)生的赤潮，幾乎使當(dāng)?shù)氐酿B(yǎng)殖業(yè)全軍覆沒，僅浙江省的經(jīng)濟(jì)損失就超過3.85億元人民幣，赤潮所造成的間接損失及對海洋生態(tài)環(huán)境的破壞則難以估量。今年廣東和香港等海域又出現(xiàn)了大規(guī)模赤潮現(xiàn)象，據(jù)報道損失慘重。赤潮已成為我國的一大海洋災(zāi)害。

防止赤潮災(zāi)害和減少赤潮災(zāi)害造成的損失已成為一項十分迫切的任務(wù)。由于赤潮形成機(jī)理的復(fù)雜，目前尚無十分有效的方法防止赤潮的發(fā)生。因此，只能通過監(jiān)測和預(yù)報的手段來減少赤潮造成的損失。船只和飛機(jī)是赤潮監(jiān)測常用的工具，但監(jiān)測費用高，時效性和空間性較差。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有快速、同步、大范圍監(jiān)測海洋的能力。近年來，衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于赤潮監(jiān)測的研究受到有關(guān)方面的關(guān)注。本文利用赤潮與海洋環(huán)境要素之間的關(guān)系，研究赤潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測與實時預(yù)報的方法和技術(shù)。

二、赤潮遙感監(jiān)測

2.1赤潮遙感監(jiān)測的原理

赤潮的發(fā)生不但導(dǎo)致海水變色，而且改變水體的光學(xué)特性。赤潮遙感監(jiān)測就是根據(jù)赤潮水體的光學(xué)特性，利用可見光多波段衛(wèi)星遙感技術(shù)，直接發(fā)現(xiàn)赤潮監(jiān)測赤潮的動態(tài)變化。

2.2 赤潮水體光譜特性

圖1為1996年8月21日發(fā)生在浙江嵊泗附近海域的褐甲藻赤潮水體反射光譜曲線（a）。圖中b和c分別為懸浮泥沙水體（泥沙含量為120mg／l）和清水（泥沙含量為20mg／l）的反射光譜曲線。由圖可知，赤潮光譜曲線由二個波谷和二個波峰組成，二個波谷分別位于440～460nm和656nm處，二個波峰分別位于560～570nm和695nm處。清水（低含沙量）在560nm處有一個反射峰，隨著水體含沙量的增加，反射峰從560nm移至690nm。在750nm處出現(xiàn)一個反射谷，隨后在805nm處出現(xiàn)一個反射次峰。很顯然，赤潮光譜特性與懸浮泥沙水體和清水的光譜特性有很大的差異。正是這些光譜差異，使我們有可能利用可見光多波段遙感技術(shù)區(qū)分赤潮水體、泥沙水體和清水，從而達(dá)到遙感監(jiān)測赤潮的目的。

圖1赤潮（a）、懸浮泥沙（b）和清水（c）的反射光譜曲線

（條帶1～8分別為SeaStarSeaWiFs8個光譜波段的寬度）

2.3赤潮遙感的監(jiān)測方法

目前正在運行的有可能用于赤潮監(jiān)測的遙感衛(wèi)星有法國的SPOT、美國的Landsat、NOAA和SeaStar衛(wèi)星等。研究發(fā)現(xiàn)SeaStar衛(wèi)星是最適宜于赤潮監(jiān)測的。以下只討論SeaStar衛(wèi)星監(jiān)測赤潮的方法。圖1中8個條帶對應(yīng)于SeaWiFs8個光譜波段。由圖1可看到，赤潮光譜曲線在第1～5波段呈圓弧狀，而懸浮泥沙和清水的光譜曲線幾乎從1波段到5波段呈線性增加。在6～8波段，赤潮光譜曲線的變化與懸浮泥沙的光譜曲線基本一致，即反射率隨波段的增大而減小。根據(jù)以上特性，通過研究，我們得到以下多波段差值比值法：

R＝（R1－R3）／（R5－R3）

其中R1、R3和R5分別為波段1、3和5的反射率。當(dāng)R＞0時，所監(jiān)測海區(qū)為赤潮區(qū)；當(dāng)R≤0時，所監(jiān)測海區(qū)為非赤潮區(qū)。此方法既可應(yīng)用于清水區(qū)的赤潮監(jiān)測，也可應(yīng)用于高懸浮泥沙區(qū)的赤潮監(jiān)測。后一特點對我國海區(qū)的赤潮監(jiān)測特別重要，因為我國大部分近岸海區(qū)的懸浮泥沙含量都較高。

2.4 應(yīng)用舉例

1997年9月16日SeaStar衛(wèi)星開始向地面發(fā)送SeaWiFs資料，國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星地面接收站抓住試發(fā)送期間不加密可實時接收實時處理的機(jī)會，利用多波段差值比值法監(jiān)測我國東南沿海赤潮。1997年11月13日衛(wèi)星監(jiān)測發(fā)現(xiàn)廣東和福建廈門沿海海區(qū)出現(xiàn)大面積赤潮。圖2（略）為監(jiān)測到的赤潮分布圖。經(jīng)1997年12月6日中央電視臺第四套節(jié)目午間報道，12月6日潮州日報和12月8日南方日報報道證實該海區(qū)發(fā)生了大面積金囊藻赤潮，說明多波段差值比值法的監(jiān)測結(jié)果是正確的。

三、赤潮遙感預(yù)報

3.1赤潮遙感預(yù)報原理

雖然人們對赤潮的成因還沒有充分的認(rèn)識，但國內(nèi)外的研究表明，赤潮的發(fā)生、發(fā)展和消亡與海洋生物、化學(xué)、水文和氣象要素密切相關(guān)。赤潮遙感預(yù)報就是通過監(jiān)測赤潮和赤潮環(huán)境要素來預(yù)報赤潮的發(fā)生、發(fā)展和消亡。

3.2 遙感可監(jiān)測的赤潮環(huán)境要素

海洋衛(wèi)星遙感已進(jìn)入應(yīng)用時代。星載可見光、熱紅外和微波遙感器已能監(jiān)測眾多的海洋生物、海洋化學(xué)、海洋水文、海洋地質(zhì)和海洋氣象要素和現(xiàn)象。我國目前有能力進(jìn)行日常監(jiān)測的與赤潮有關(guān)的海洋要素和現(xiàn)象包括海面溫度、葉綠素a含量、海面流場和光照等。在本文中我們將不詳細(xì)討論衛(wèi)星是如何監(jiān)測這些海洋要素和現(xiàn)象的。以下將簡要討論這些要素和現(xiàn)象與赤潮的關(guān)系。

海面溫度

海溫是赤潮發(fā)生的重要環(huán)境要素之一。赤潮生物的繁殖和生長需要適宜的環(huán)境溫度。不同的赤潮生物有不同的溫度要求。例如浙江海區(qū)的主要赤潮生物夜光藻的最適溫度為16～28℃，繁殖高峰溫度為25℃左右。

（2）葉綠素a

葉綠素a存在于一切海洋植物中，它能反映浮游植物的現(xiàn)存量。赤潮的發(fā)生將引起海區(qū)葉綠素a含量的變化。自養(yǎng)性赤潮生物引發(fā)的赤潮，赤潮發(fā)生區(qū)的葉綠素a含量一般比赤潮發(fā)生前和鄰近非赤潮區(qū)高。異養(yǎng)性赤潮生物引發(fā)的赤潮，赤潮發(fā)生區(qū)的葉綠素a含量比赤潮發(fā)生前和鄰近非赤潮區(qū)低。此外，葉綠素a含量變化還是反映海區(qū)富營養(yǎng)化程度的一個指標(biāo)。例如骨條藻赤潮發(fā)生的葉綠素a臨界值為6mg／m3，異彎藻赤潮發(fā)生的葉綠素a臨界值為17mg／m3。

（3）流場

徑流、上升流和海流影響赤潮生物的生存環(huán)境。徑流把陸地上的營養(yǎng)物質(zhì)帶入海洋，上升流把底層營養(yǎng)物質(zhì)輸向表層。徑流、上升流和海流的相互作用改變海區(qū)溫鹽等物理性質(zhì)，例如長江和錢塘江等徑流將大量含氮和磷等赤潮生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)帶入浙江海區(qū)，致使該海區(qū)的大部分區(qū)域和季節(jié)為富營養(yǎng)型，部分區(qū)域甚至成為超營養(yǎng)型。浙江海區(qū)每年5～10月出現(xiàn)的上升流將底層營養(yǎng)鹽輸送到表層，加劇了該海域的富營養(yǎng)化程度。徑流、上升流、臺灣暖流等交互作用為浙江海區(qū)赤潮生物的繁殖和集聚提供了合適的水文條件。

（4）氣象要素

赤潮的發(fā)生和發(fā)展還需要合適的氣象條件。穩(wěn)定的天氣形勢、充足的光照和較低的風(fēng)速等有利于赤潮生物的迅速繁殖和集聚。

3.3赤潮遙感預(yù)報方法

基于赤潮的發(fā)生、發(fā)展和消亡與諸多海洋環(huán)境要素有關(guān)，本研究提出多要素赤潮遙感預(yù)報方法。該方法由以下三個步驟組成。

（1）赤潮環(huán)境要素的衛(wèi)星遙感

實時接收實時處理衛(wèi)星資料，快速獲取赤潮環(huán)境要素信息。

（2）單要素預(yù)測

利用各環(huán)境要素與赤潮之間的定量或定性關(guān)系，預(yù)測赤潮的發(fā)生、發(fā)展和消亡。

（3）綜合分析預(yù)報

對單要素預(yù)測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，并參考?xì)v史上該海區(qū)赤潮發(fā)生、發(fā)展和消亡的特征，作出預(yù)報結(jié)果。多要素預(yù)報方法的技術(shù)路線如以下框圖所示：

3.4 應(yīng)用舉例

1997年7月下旬科研人員利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，配合海上現(xiàn)場觀測，對浙江省嵊泗附近海區(qū)進(jìn)行赤潮監(jiān)測和試預(yù)報。衛(wèi)星遙感監(jiān)測的主要要素有海面溫度、表層懸浮泥沙濃度、表層流場、光照和云量等?，F(xiàn)場觀測的主要要素有藻類豐度、葉綠素a和溶解氧等。利用多要素赤潮預(yù)報方法，并根據(jù)該海區(qū)赤潮的特點，對7月24～30日的一次夜光藻赤潮的發(fā)生、發(fā)展和消亡全過程作了正確預(yù)報。此次預(yù)報以傳真形式向國家海洋局、浙江省科委、浙江省海洋局、浙江省水產(chǎn)局、舟山市科委、舟山市水產(chǎn)局、浙江省嵊泗縣科委、嵊泗縣水產(chǎn)局和浙江岱山縣水產(chǎn)局等政府管理部門發(fā)布。舟山市海洋局等有關(guān)部門根據(jù)試預(yù)報立即組織防災(zāi)，使該海區(qū)近400公頃的養(yǎng)殖面積和200多只網(wǎng)箱免受危害。此次預(yù)報收到了很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

四、討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測赤潮是可能的。但衛(wèi)星可見光遙感也有其自身的不足，例如不能全天侯、全天時工作，陰雨天氣和晚上就無法監(jiān)測赤潮，此外，由于空間分辨率較低，對小尺度赤潮的監(jiān)測十分困難。因此，赤潮的監(jiān)測不僅需要衛(wèi)星遙感技術(shù)，也需要現(xiàn)場觀測技術(shù)和航空監(jiān)測技術(shù)，一個業(yè)務(wù)化的赤潮監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)包括以上三種觀測技術(shù)。業(yè)務(wù)化的赤潮監(jiān)測與實時預(yù)報系統(tǒng)應(yīng)以防災(zāi)減災(zāi)為目的，現(xiàn)代科技包括海上觀測技術(shù)、遙感技術(shù)、GIS技術(shù)和通訊技術(shù)為手段，赤潮發(fā)生機(jī)理為基礎(chǔ)。這樣的系統(tǒng)應(yīng)由以下三個子系統(tǒng)組成：

1.海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖及養(yǎng)殖環(huán)境信息系統(tǒng)；

2.海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)赤潮監(jiān)測與預(yù)報信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；

3.海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)赤潮監(jiān)測與預(yù)報系統(tǒng)。

赤潮的形成機(jī)理是赤潮預(yù)報的基礎(chǔ)，雖然目前赤潮的形成機(jī)理還沒有完全搞清楚，但我們可利用已經(jīng)知道的知識預(yù)報赤潮。正像人們并沒有完全掌握天氣系統(tǒng)，而每天預(yù)報天氣一樣。我們試預(yù)報也說明了這一點。

赤潮的預(yù)報可分為短、中和長期預(yù)報，赤潮的短期預(yù)報對防災(zāi)減災(zāi)十分重要。它應(yīng)包括赤潮發(fā)生前對即將發(fā)生的赤潮的預(yù)報和赤潮已發(fā)生對赤潮未來發(fā)展趨勢的預(yù)報（或曰赤潮實時預(yù)報）。由于赤潮的發(fā)生、發(fā)展和消亡與眾多的海洋環(huán)境要素有關(guān)，赤潮短期預(yù)報應(yīng)采用多要素預(yù)報方法，它比單要素預(yù)報方法具有更高的預(yù)報精度。本研究提出和初步建立了多要素赤潮預(yù)報方法，并成功地進(jìn)行了試預(yù)報。

近幾年來，我國加大了對赤潮發(fā)生機(jī)理、監(jiān)測和預(yù)報的研究，取得了很大的進(jìn)展，為建立赤潮監(jiān)測與實時預(yù)報系統(tǒng)奠定了技術(shù)和人才基礎(chǔ)。我國海區(qū)赤潮發(fā)生日趨頻繁，面積不斷擴(kuò)大，損失越來越慘重。防災(zāi)減災(zāi)對建立赤潮監(jiān)測與實時預(yù)報系統(tǒng)提出十分近切的需求。因此，開展業(yè)務(wù)化赤潮監(jiān)測與實時預(yù)報系統(tǒng)的研究的條件已基本成熟.

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審核編輯黃昊宇