利用MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演中國東海葉綠素濃度及SST年際變化的研究

1、利用MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演中國東海葉綠素濃度及SST年際變化的研究10海洋科學(xué) 王雪摘要：利用MODIS獲取的2003年-2006年衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演中國東海海域的海表溫度（SST）和葉綠素a濃度信息，并對其分布規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明：東海海域的SST和葉綠素a濃度的分布具有明顯的分區(qū)和季節(jié)變化特征。在年際間，不同海區(qū)的SST和葉綠素a濃度均呈現(xiàn)出周期性變化趨勢。在空間上，SST呈現(xiàn)出由近岸向外海遞增趨勢，南北位差大；葉綠素a濃度則呈現(xiàn)出由近岸向外海遞減的分布趨勢。東海葉綠素a濃度的分布與SST、河口徑流、季節(jié)等因素有關(guān)。關(guān)鍵詞：東海 MODIS SST 葉綠素a目 錄引言21 數(shù)據(jù)來源與處理3

2、1.1 數(shù)據(jù)來源31.2 數(shù)據(jù)處理41.2.1葉綠素數(shù)據(jù)處理41.2.1 SST數(shù)據(jù)處理52 圖形繪制73 結(jié)果與分析113.1 東海葉綠素a濃度季節(jié)分布特征113.2 東海葉綠素a濃度年際特征123.3 東海SST季節(jié)分布特征123.4 東海SST年際特征133.5 典型區(qū)域葉綠素濃度a濃度、SST年際變化特征分析133.6 葉綠素a濃度與SST相關(guān)性分析174 結(jié)束語195 總結(jié)196 參考文獻(xiàn)20引言衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有周期短、時空分布率高、數(shù)據(jù)具有可比性，以及衛(wèi)星遙感能夠?qū)崿F(xiàn)對地球大面積同步觀測、衛(wèi)星遙感平臺具有專業(yè)化多樣化等特點(diǎn)，這使得遙感數(shù)據(jù)成為全球海洋監(jiān)測的一個重要數(shù)據(jù)源，因此遙感技

3、術(shù)成為了全球海洋監(jiān)測的不可替代的技術(shù)手段。在諸多海洋遙感平臺所搭載的傳感器中，中成像光譜儀（MODIS）將時間分布率、空間分布率及光譜分辨率很好地予以結(jié)合，每12d就能獲取分辨率為2501000m、包括36個波段的全球尺度MODIS數(shù)據(jù)，其中第8到16共9個波段被廣泛應(yīng)用于海洋遙感。利用星載或機(jī)載遙感器探測海水中的葉綠素光譜輻射，經(jīng)大氣校正后對海水表層葉綠素濃度進(jìn)行反演，即根據(jù)葉綠素的光學(xué)特性求的海水中葉綠素濃度的一種方法，該方法使同一時間內(nèi)對大范圍海域進(jìn)行葉綠素監(jiān)測成為可能，因此遙感技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用于海水葉綠素監(jiān)測。中國東海是典型的陸架海域,長江等河流入海,使之富集葉綠素、懸移質(zhì)和黃色

4、物質(zhì)等影響海洋光學(xué)性質(zhì)的海水組分。衛(wèi)星水色遙感是唯一可穿透海水一定深度并獲取海洋上層光學(xué)參數(shù)以及海水組分的技術(shù)手段。海洋葉綠素a（Chl-a）是了解海洋中地球生物化學(xué)循環(huán)的基礎(chǔ)和估算海洋生產(chǎn)力的基本指標(biāo)，也是判斷水域的肥瘠程度和評價水域漁業(yè)潛在生產(chǎn)力的基本依據(jù)。富集浮游植物的海域是海洋食植動物大密度存在和水產(chǎn)資源豐富存在的基礎(chǔ)。海水葉綠素a濃度的測定不僅與海洋生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的研究密切相關(guān)，而且對于海洋-大氣系統(tǒng)中碳循環(huán)、環(huán)境監(jiān)測、赤潮災(zāi)害監(jiān)測、海流(上升流、沿岸流)等的研究及漁業(yè)管理等都具有重要意義。海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）是影響海洋漁業(yè)資源的重要

5、因素之一。海表溫度不僅對海洋魚類的繁殖、生長等有影響，而且對魚類的洄游影響也比較大，從而直接影響漁期的早晚和長短、中心漁場的位置變動以及魚類的集群程度。對海表溫度的時空分布和變化的研究，是海洋漁業(yè)研究的基本內(nèi)容之一。本研究主要利用MODIS遙感數(shù)據(jù)，反演東海海區(qū)長時間序列的SST和葉綠素a濃度信息，分析研究東海海區(qū)SST和表層葉綠素a濃度的分布及時空變化特征，旨在為東海的海洋動力學(xué)特征、海洋生產(chǎn)力和海洋生態(tài)環(huán)境研究提供參考。1 數(shù)據(jù)來源與處理1.1 數(shù)據(jù)來源數(shù)據(jù)來自的海洋水色網(wǎng)站/1) 在水色網(wǎng)站首頁點(diǎn)擊Data ArchiveMODISTL

6、3SMI,選擇下載2003年至2006年分辨率為4km的年葉綠素a濃度和年SST數(shù)據(jù)；2) 在水色網(wǎng)站首頁點(diǎn)擊Level 3 BrowserTerra MODIS Chlorophyll concentration（Terra MODIS Sea Surface Temperature 11daytime）Seasonal composite，選擇下載分辨率為4km的2003年至2006年季葉綠素a濃度（季SST）數(shù)據(jù)；3) 在水色網(wǎng)站首頁點(diǎn)擊Level 3 BrowserTerra MODIS Chlorophyll concentration（Terra MODIS Sea Surface

7、 Temperature 11daytime）Monthly climatology,選擇下載分辨率為4km的2003年至2006年月葉綠素a濃度（季SST）數(shù)據(jù)。1.2 數(shù)據(jù)處理1.2.1葉綠素數(shù)據(jù)處理以2003年為例：clear,clc;LATLIMS=23 36;LONLIMS=117 130;PI=hdfinfo('T20030012003365.L3m_YR_CHL_chlor_a_4km');pin=;for k=1:60, nm=PI.Attributes(k).Name;nm(nm=' ')='_' if isstr(PI.Att

8、ributes(k).Value), pin=setfield(pin,nm,PI.Attributes(k).Value); else pin=setfield(pin,nm,double(PI.Attributes(k).Value); endend; lon=pin.Westernmost_Longitude:pin.Longitude_Step:pin.Easternmost_Longitude;lat=pin.Northernmost_Latitude:-pin.Latitude_Step:pin.Southernmost_Latitude;mn,ilt=min(abs(lat-ma

9、x(LATLIMS);mn,ilg=min(abs(lon-min(LONLIMS);ltlm=fix(diff(LATLIMS)/pin.Latitude_Step);lglm=fix(diff(LONLIMS)/pin.Longitude_Step);P=hdfread('T20030012003365.L3m_YR_CHL_chlor_a_4km','l3m_data','Index',ilt ilg,ltlm lglm);P=double(P);P(P=-32767)=NaN;P=(pin.Slope*P+pin.Intercept);p

10、=log10(P);LT=lat(ilt+0:ltlm-1);LG=lon(ilg+0:lglm-1);Plg,Plt=meshgrid(LG,LT);m_proj('lambert','lon',LONLIMS,'lat',LATLIMS);m_pcolor(Plg,Plt,p);shading flat;m_gshhs_i('color','k');m_grid('linewi',2,'tickdir','out');h=colorbar;set(get(h,&#

11、39;ylabel'),'String','Chla (mg m-3)');set(h,'ytick',log10(0.1 0.5 1 3 5 10 20),'yticklabel',0.1 0.5 1 3 5 10 20,'tickdir','out');title('MODIS Chla ' datestr(datenum(pin.Period_Start_Year,1,0)+pin.Period_Start_Day) ' -> ' . datest

12、r(datenum(pin.Period_Start_Year,1,0)+pin.Period_End_Day),. 'fontsize',13,'fontweight','bold');print(gcf,'-dpng','p03')1.2.1 SST數(shù)據(jù)處理clear,clc;LATLIMS=23 36;LONLIMS=117 130;PI=hdfinfo('T20030012003365.L3m_YR_SST_4');pin=;for k=1:60, nm=PI.Attributes(k).N

13、ame;nm(nm=' ')='_' if isstr(PI.Attributes(k).Value), pin=setfield(pin,nm,PI.Attributes(k).Value); else pin=setfield(pin,nm,double(PI.Attributes(k).Value); endend; lon=pin.Westernmost_Longitude:pin.Longitude_Step:pin.Easternmost_Longitude;lat=pin.Northernmost_Latitude:-pin.Latitude_St

14、ep:pin.Southernmost_Latitude;mn,ilt=min(abs(lat-max(LATLIMS);mn,ilg=min(abs(lon-min(LONLIMS);ltlm=fix(diff(LATLIMS)/pin.Latitude_Step);lglm=fix(diff(LONLIMS)/pin.Longitude_Step);P=hdfread('T20030012003365.L3m_YR_SST_4','l3m_data','Index',ilt ilg,ltlm lglm);P=double(P);P(P=655

15、35)=NaN;P=(pin.Slope*P+pin.Intercept);LT=lat(ilt+0:ltlm-1);LG=lon(ilg+0:lglm-1);Plg,Plt=meshgrid(LG,LT); m_proj('lambert','lon',LONLIMS,'lat',LATLIMS);m_pcolor(Plg,Plt,P);shading flat;m_gshhs_i('color','k');m_grid('linewi',2,'tickdir','out&

16、#39;);h=colorbar;set(get(h,'ylabel'),'String','SST (deg-C)');set(h,'ytick',5 10 15 20 25 30 35,'yticklabel',5 10 15 20 25 30 35,'tickdir','out');title('MODIS SST ' datestr(datenum(pin.Period_Start_Year,1,0)+pin.Period_Start_Day) ' -

17、> ' . datestr(datenum(pin.Period_Start_Year,1,0)+pin.Period_End_Day),. 'fontsize',13,'fontweight','bold');print(gcf,'-dpng','p4')2 圖形繪制圖1 東海葉綠素a濃度的季節(jié)分布圖（mg/m3）Fig 1 Seasonal variation in chloropgyll - a concentration in East China Sea from 2003 to 2006圖

18、2 東海SST季節(jié)平均分布圖（）Fig 2 Seasonal SST distributions in East China Sea圖3 東海葉綠素a濃度年際變化（mg/m3）Fig 3 Annual variation in chloropgyll-a concentration in East China Sea from 2003 to 2006 圖4 東海SST年際變化()Fig 4 Annual variation in SST in East China Sea from 2003 to 20063 結(jié)果與分析3.1 東海葉綠素a濃度季節(jié)分布特征圖1為2003年3月至2006年12

19、月間4個季節(jié)對應(yīng)的季平均葉綠素a濃度分布圖。整體來看，東海海域的葉綠素a含量沿岸明顯高于外海，呈現(xiàn)出由近岸向外海遞減的趨勢。在長江口外側(cè)有一塊很大的三角形向外海伸出的高值區(qū)，該區(qū)受長江徑流的影響顯著，從各圖上看出，長江夏季江流出長江口后轉(zhuǎn)向東北。冬季：葉綠素a濃度較高的海域主要在沿岸上升流海域。沿岸海域由于海水淺、融合強(qiáng)、營養(yǎng)鹽較豐富，適合浮游生物生長。長江口由于長江沖淡水徑流帶來的陸源物質(zhì)具有豐富的營養(yǎng)鹽，使得長江口葉綠素濃度較高。春季：葉綠素a濃度與冬季相比，外海葉綠素a濃度有所降低。從衛(wèi)星反演的葉綠素a 濃度可以看出，整個海域的葉綠素a濃度變化差異大，近岸海域葉綠素a濃度依然較高。夏季：

20、由于海水溫度升高，大部分海域受到海水垂直混合程度下降、營養(yǎng)物質(zhì)減少的影響而使外海葉綠素a濃度進(jìn)一步降低。但是長江口徑流帶來的營養(yǎng)物質(zhì)使得長江口附近的葉綠素a濃度升高。秋季：由于存在上升流的影響，沿岸葉綠素a濃度較高。隨著季風(fēng)加強(qiáng)及海溫迅速回落導(dǎo)致對流緩和程度加強(qiáng)，使得外海葉綠素a濃度明顯回升。從4個季節(jié)葉綠素a濃度的分布狀況（圖1）基本可以看出，水流、水團(tuán)特征及其分布對葉綠素的分布有一定的影響。東海近岸海域終年為二類水體控制，葉綠素a濃度較高，但受河流補(bǔ)充淡水的季節(jié)變化影響，葉綠素a濃度隨季節(jié)變化顯著。長江沖淡水對長江口葉綠素的分布和變化有顯著影響。外海海域全年葉綠素a濃度變化幅度較小。3.2

21、 東海葉綠素a濃度年際特征圖2為2003年至2006年4年對應(yīng)的年平均葉綠素a濃度分布圖。整體來看，2003年至2006年葉綠素a濃度的年際變化顯著，但規(guī)律性不強(qiáng)。2003年東海海域葉綠素a濃度較高區(qū)域分布在沿岸和長江三角口區(qū)域；2004年大部分海域葉綠素a濃度有所降低；2005年外海葉綠素a濃度有所升高；2006年近海葉綠素a濃度較高，外海較低。3.3 東海SST季節(jié)分布特征圖3為2003年3月至2006年12月間4個季節(jié)相對應(yīng)的季平均SST分布圖。冬季：東海區(qū)水溫達(dá)全年最低值。東南部水溫高于西北部，外海水溫高于沿岸。魚外漁場為高溫區(qū)（水溫高于22），蘇北沿岸、長江口為低溫區(qū)（水溫在5左右）

22、，北部海區(qū)近海與外海溫差異顯著。春季：海水處于增溫階段，隨著冷空氣勢力的減退和氣溫的回升，海水逐漸增溫。沿岸和表層海水增溫較快，其中，表層以長江口增溫最快，可達(dá)15，江外、沙外漁場次之。外海增溫較慢。大致以126°00E為界，以西為增溫明顯區(qū)，增溫幅度由沿岸向外海遞減。夏季：太陽輻射強(qiáng)烈，盛行西南季風(fēng)，雨水多，使表層水溫增溫較高，海區(qū)水溫值達(dá)全年最高，水溫為26 30 ，溫差小，水溫分布為均勻。秋季：正處于季風(fēng)轉(zhuǎn)換時期，隨著西北風(fēng)的逐漸增強(qiáng)，氣溫下降，海水溫度也隨著下降，降溫幅度表層和內(nèi)側(cè)海區(qū)較大。表層自西北向東遞增，水溫為2028，溫差較夏季大。3.4 東海SST年際特征圖4為20

23、03年至2006年4年相對應(yīng)的年平均SST分布圖。整體來看，2003年至2006年SST年際變化非常顯著。2003年東海近海一帶區(qū)域的SST相對較低，而東南外海區(qū)域的SST相對較高；2004年整個東海海域的SST都較低；2005年東海SST有所回升，東海中部的SST稍高；2006年東海中部的SST稍低。3.5 典型區(qū)域葉綠素濃度a濃度、SST年際變化特征分析東海位于亞熱帶，是西北太平洋的邊緣海域，包含深水和淺水特征，是一個非常復(fù)雜的海洋系統(tǒng)。南北溫差差異較大，陸流入東海的江河眾多。依據(jù)東海自身的地理特征，選取東海海區(qū)內(nèi)典型區(qū)域進(jìn)行分析研究：區(qū)域一為長江口區(qū)域（122°30123

24、76;30E,29°0031°00N）；區(qū)域二為受黑潮影響較大的陸架海區(qū)域（125°00127°00E,27°0029°00N）。2002年1月至2006年12月，東海長江口海區(qū)月平均葉綠素a濃度的最低值為2.503 mg/m³，最高值為4.438 mg/m³，均值為3.321 mg/m³。葉綠素a濃度變化基本反映了海域內(nèi)浮游植物的變化。各年海區(qū)葉綠素a濃度變動的總體趨勢基本一致，但某些月份的年際變化相對較大（圖5）。圖5 東海長江口區(qū)域葉綠素a濃度變化東海長江口海區(qū)各年的SST變動的總體趨勢一致，1-3

25、月SST普遍較低，7-9月SST較高，高峰期基本都出現(xiàn)在8月，月份之間的變化差異較大，季節(jié)變化顯著，年際變化差異較?。▓D6）。圖6 東海陸架海區(qū)域SST的變化2002年1月至2006年12月，東海陸架海區(qū)域月平均葉綠素a濃度的最低值為0.131 mg/m³，最高值為0.408 mg/m³，均值為0.242 mg/m³。葉綠素a濃度變化基本反映了海域內(nèi)浮游植物的變化。海區(qū)各年葉綠素a濃度變動的總體趨勢與長江口區(qū)域較為一致，但1-4月的年際變化相對較大，2003年的高峰值是年際間的最高值，2006年的高峰值是年際間的最低值，其余各年高峰值較為一致（圖7）。圖7 東海陸

26、架海區(qū)域葉綠素a濃度的變化東海陸架海區(qū)域的SST變動的總體趨勢一致，1-3月SST稍低，7-9月SST較高，月份之間的SST變化差異幅度不大，季節(jié)變化顯著，年際變化差異較?。▓D8）。圖8 東海陸架海區(qū)域SST的變化3.6 葉綠素a濃度與SST相關(guān)性分析圖9、圖10分別是東海長江口區(qū)域、陸架海區(qū)域葉綠素a和SST之間的相關(guān)關(guān)系圖?？梢钥闯觯洪L江口附近海區(qū)SST與葉綠素a呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)不顯著；東海陸架海區(qū)域葉綠素a濃度與SST呈顯著負(fù)相關(guān)。說明SST直接影響葉綠素a濃度的分布，即春季海溫較低，適合藻類生長；而夏季海溫過高，影響藻類生長，光合作用較慢。但是東海長江口海區(qū)，海水相對渾濁，受長江沖淡水

27、影響顯著，海表溫度與葉綠素a濃度相關(guān)關(guān)系較差，這說明直接影響葉綠素a濃度的因素較多。圖9 東海長江口區(qū)葉綠素a濃度與SST的相關(guān)關(guān)系圖10東海陸架海區(qū)域葉綠素a濃度與SST的相關(guān)關(guān)系4 結(jié)束語利用MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，研究東海的SST和葉綠素a濃度的時空分布特征，這對掌握大尺度海域的海洋生態(tài)環(huán)境信息，尤其是在長時間序列、大范圍海區(qū)內(nèi)結(jié)石海洋生態(tài)環(huán)境總體規(guī)律方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，對海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究具有重要的意義。東海海域的葉綠素a濃度季節(jié)變化顯著，但高峰期不同區(qū)域出現(xiàn)時間差異較大，年際變化較明顯。海表溫度不同區(qū)域的變動差異較大，年際變化較小。東海典型海域內(nèi)SST與葉綠素a濃度存在一定的空間相關(guān)性，

28、近海海域環(huán)境復(fù)雜，長江口海域相關(guān)性不顯著；陸架海區(qū)域SST與葉綠素存在顯著的負(fù)相關(guān)性。5 總結(jié)由于本次大作業(yè)為年際尺度的研究，因此必須掌握大量數(shù)據(jù)的處理方法。通過查找相關(guān)文獻(xiàn)及與同學(xué)溝通探討，我學(xué)會了利用循環(huán)做數(shù)據(jù)的批量處理。對圖分析還存在不足之處。6 參考文獻(xiàn)【1】馮士筰 等 編著，1999：海洋科學(xué)導(dǎo)論，高等教育出版社?！?】劉玉光 主編，衛(wèi)星海洋學(xué)，高等教育出版社。【3】陳楚群、施平、毛慶文.南海海域葉綠素濃度分布特征的衛(wèi)星遙感分析J.熱帶海洋學(xué)報,2001.20(2):66-70.【4】宋加磊.SeaWiFS衛(wèi)星資料葉綠素濃度東海反演算法及其在初級生產(chǎn)力估算中的應(yīng)用D.青島:中國海洋大學(xué),2005:47.Annual variati