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东中国海漂浮藻类爆发

摘要 2017年5月，在中分辨率成像光谱仪（MODIS）图像中观测到东海漂浮的海藻爆发。利用MODIS、可见红外成像辐射计、海洋地球静止彩色成像仪和海洋陆地成像仪卫星图像，并结合数值粒子跟踪实验和实验室实验，我们研究了这一藻类爆发的历史，以及前几年类似的藻华，并试图追踪藻类爆发的来源和类型。研究结果表明，自2012年以来，浙江沿海海域几乎每年2月至3月都会出现藻华。到2017年4月初，这些“初始”漂浮藻跟随着台湾暖流与黑潮运到东北到达韩国济州岛和日本沿海水域（135°E），然后向西北运送，4月底进入黄海。这条运输途径覆盖了已知马尾藻丰富的区域，光谱分析表明，大部分海藻片可能含有大量的马尾藻。水华面积约160000平方千米，纯藻覆盖面积约530平方千米，超过了黄海每年5 - 7月发生的大多数绿潮的规模。虽然在前几年，特别是2015年也出现过较小规模的藻华，但2017年的藻华被认为是水温创纪录高、光照可用性增加以及东海沿岸斑藻养殖业持续扩张的结果。

平实的语言总结 2017年5月中旬，中分辨率成像光谱仪卫星图像首次捕捉到东海漂浮的大规模海藻爆发。它的规模和位置都是前所未有的。曾利用多源卫星图像、数值粒子追踪实验、实验室实验等多种方法对藻类类型和藻华来源进行了识别。虽然有多种起源，但藻类爆发可以被追踪为浙江沿海水域的“初始”漂浮藻在2月份被运送到了东北黑潮海流和台湾暖流，在2017年4月初到达韩国济州岛和日本沿海水域，然后运往西北方向，4月底进入黄海。光谱分析和历史的实地调查表明，藻类爆发可能由马尾藻主导，而扩大海藻养殖和创纪录的高水温和增加表面光照可能导致了前所未有的藻华，它的水域面积约为 160000平方千米，纯藻类面积约530平方千米，都超过了大多数黄海绿潮爆发时的规模。

1 引言

自2008年以来，在中国山东半岛的黄海西部，每年5月- 8月都有绿色大型藻类浒苔大量繁殖（通常称为绿潮）。利用遥感、野外和实验室测量以及数值模型对这些水华进行了广泛的研究（Bao等，2015；Hu等，2010；Keesing等，2011；Lee等，2011；Shi amp; Wang，2009；Son等，2015；Wang等，2015；Xing等，2015；其他）。这些爆发归因于90%的中国紫菜养殖业地点苏北浅滩海藻养殖业中的一种紫菜（图1）。浒苔通常生长在杉木木筏上。在收获季节，木筏释放出浒苔，然后平流到黄海西部，在适宜的温度、光照和养分利用能力下迅速生长，导致大量爆发。（自2013年每日报道的最大面积ge;500平方千米；Qi等，2016）。虽然藻类爆发规模每年波动的确切原因尚未得到充分解释，但对藻华的起源和影响藻类生长的生态因素已进行了深入的研究和了解。（Hu等，2010；Keesing等，2011；Liu等，2010；Wang等，2015；Zhang等，2014，其他）。

2017年5月中旬，来自中分辨率成像光谱仪（MODIS）的卫星图像显示，包括济州岛附近水域在内的大片漂浮藻类从南黄海蔓延到东海（ECS）（见图1a）。为方便起见，这种藻类爆发称为东海漂浮藻爆发（EFA藻华）。尽管在苏北浅滩附近也观察到一种较小的爆发现象，但这种爆发是自2008年以来在同一地点、同一时间发生的著名的浒苔爆发。相比之下，东海漂浮藻爆发此前没有报道过。

本研究的主要目的是利用遥感数据和数值粒子跟踪实验以及实验室测量来确定藻类爆发的来源和类型。第二个目标是建立东海中藻类爆发事件的时间序列。

图1.（a）2017年5月18日MODIS卫星上覆盖东海和黄海的AFAI图像。（图中识别出两种漂浮的海藻，并勾勒出它们的轮廓：一种在黄海西部（绿色轮廓），另一种在东海和黄海南部（棕色轮廓，约160，000 平方千米）。前者是每年重复出现的浒苔爆发，而后者是未知类型（在本研究中称为EFA 爆发）。（b）三个随机的浒苔爆发像元反射光谱。（c）三个随机的EFA像元反射光谱。注意图1b（黑箭头）中三个光谱的反射率峰值都在555 nm左右，而图1c中没有相同的555 nm峰值。嵌入图中的图像x轴为纳米单位的波长，y轴为藻类像素与附近无藻类像素的瑞利矫正后的遥感反射率（Rrc）差值。

2 数据和方法

2.1 卫星数据与处理

本研究中使用的卫星传感器包括MODIS（在Terra和Aqua上）、VIIRS（可见光红外成像辐射计）、GOCI（地球同步海洋彩色成像仪）和Landsat-8 OLI（海洋陆地成像仪），每个传感器都有其独特的光谱波段、扫描带宽度、重访频率、信噪比和空间分辨率。这些传感器的标称分辨率分别为1千米、0.75千米、0.5千米和30米。所有卫星数据均来自美国宇航局Goddard太空飞行中心（http://oceancolor.gsfc. 63 nasa.gov）并且处理成为瑞利矫正后的反射率（R_rc（lambda;），无量纲项）。然后，生成AFAI（替代浮游藻类指数）图像，检测植被的红边反射率（Qi等，2016；Wang amp; Hu，2016）。

这里lambda;₁，lambda;₂和lambda;₃是MODIS的667、748和869 nm波段，但是需要对VIIRS、 GOCI和OLI做出相应波段的调整。

利用下界（0%海藻覆盖率）和上界（100%海藻覆盖率）阈值对混合海藻水像素进行解混，得到海藻覆盖率（Qi等，2016；Wang amp; Hu，2016）。如果一个1平方千米像素包含10%的藻类覆盖率，那么其纯藻类面积为0.1平方千米。我们可以通过人工描绘出藻华的边界从而估算出包含藻水域面积（如图1a中所勾勒的边界线）。

2.2 数值粒子跟踪实验

这些实验基于混合坐标海洋模型（HYCOM）（Chassignet等，2009）的表面流，该模型由国家海洋伙伴计划（http://hycom.org）提供。用于本研究的HYCOM海流的空间分辨率为每日更新的1/12°。在从卫星AFAI图像检测到漂浮藻类的不同位置释放颗粒，然后使用HYCOM平均每日表面流跟踪一个月（向前和向后），记录颗粒位置和密度。

2.3 实验室测量

文献中发现了浒苔和马尾藻的反射率光谱形状（He等，2011；Hu等，2017；Jin等，2016）。主要以浙江省斑叶海带为研究对象，采用实验室测量的手持GER1500分光计，在加有自来水的黑色水箱（直径约0.5 m，深度约0.7 m）中测定了海带的反射率光谱形状。

2.4 环境数据

月温度异常图像来自Goddard空间研究所（GISS）表面温度分析（GISTEMP）数据产品（GISTEMP）。从美国宇航局喷气推进实验室（https://mur.jpl.nasa.gov）获得日平均多尺度超高分辨率海面温度（MUR SST）数据，然后用于计算研究区域的月海面温度（SST）异常。这两种产品都被认为是研究气候变化最可靠的温度产品之一。从MODIS/Aqua获得的月光合有效辐射（PAR）数据来自美国宇航局Goddard航天飞行中心。

2.5 海藻养殖数据

浙江省斑藻（主要是海苔，也有叶苔）和江苏省叶苔年度养殖产量数据来源于《中国渔业统计年鉴》（《中国渔业统计年鉴（CFSY）》，2009-2017）。这些数据代表了最好的数据源，尽管由于用于计算水产养殖面积的方法之间的差异，这些数据可能存在一些不确定性（Nan等，2015）。

3 结果

3.1 爆发的起源和运输途径

从有界研究区域26-37°N和119 - 131°E（图1），2017年MODIS，VIIRS和 GOCI图像序列表明，漂浮藻类第一次出现在浙江沿岸海域2月底和3月初之间（图2）。3月1日浙江海域的漂浮藻的起源（图2）由于空间分辨率粗糙，云量频繁，很难从卫星图像中确定（支撑信息图2）。例如，MODIS 1千米像素不能检测到 lt; 2 米times;2千米大小的漂浮藻（Wang amp; Hu，2016）。对3月1日在漂浮藻地点释放的颗粒进行了1个月的回溯，发现距浙江海岸较3月1日起始点近100千米，说明这块漂浮藻来源于浙江沿海水域。通过对OLI图像序列的检测，可以看到这些沿海水域中出现了小的藻类样漂浮藻，验证了粒子跟踪结果（图3）。前向跟踪实验表明，这些漂浮藻类是随黑潮和台湾暖流的主导向东北移动的（Zhu等，2004），于4月初运抵韩国和日本东北部。4月初MODIS AFAI图像表明，漂浮藻类到达日本西南海域135°E（图S1）。4月初之后的图像序列显示，藻类向北和西北移动，在5月中旬到达黄海南部（图1a）。需要注意的是，物理传输实验不能排除某些漂浮藻类来自卫星图像中观察到的地方的可能性，例如江苏浅滩或日本或韩国沿海水域。

观测到的最后一天是2017年6月14日，之后持续一个月的云层覆盖使得进一步的观测无法进行。从3月1日的约30 平方千米（图2）到5月18日约530 平方千米（图1a），产生藻华区域的面积大小（像素解混合后的纯海藻覆盖面积）显著增大。含有藻类的水域面积也从3.3万平方千米增加到约16万平方千米（图1a，棕色线勾勒的范围）。

图2. 利用HYCOM日表面流进行粒子跟踪的数值实验结果。根据MODIS AFAI图像（红色区域）探测到的藻类位置，这些颗粒于2017年3月1日释放。蓝色区域为向后跟踪1个月后2017年2月1日的藻类位置，绿色区域为向前跟踪1个月后2017年4月1日的藻类位置。对黑潮流的主导方向进行了标注。颜色阴影表示海藻的相对密度。2017年4月4日MODIS检测到的藻类浮油如图4f所示，总体上与正向建模一致。本文概述了浙江沿海的一个局部地区（区域1），以供进一步分析。

3.2 海藻类型

图1b和1c中的MODIS R_rc光谱显示了浒苔和东海爆发藻类之间的明显差异。无论近红外的反射率大小（藻类密度的指示因子），含浒苔的像素总是在555 nm左右呈现出局部的反射率峰值（因此在人眼看呈现绿色）。然而，在东海爆发藻类的三个随机位置中，尽管发现了一个645 nm的峰值，但是555 nm的峰值并没有出现在任何一个位置（图1c）。与粗糙的分辨率的MODIS光谱相似，高分辨率OLI像素（30米）也同样揭示了R_rc光谱差异性，无论成像时间和地点，浒苔拥有561 nm的反射峰（图3 d和3 d），但在东海爆发藻类中没有（图3 b和3 c）。藻片形态也有差异，浒苔藻片较宽（图3d与图3b、3c对比）。很明显，东海爆发藻类中大多数藻类不是浒苔。早前报道的马尾藻反射率谱（Jin等，2016）在590 ~ 650 nm之间具有较高的反射率，而实验室测得的马尾藻反射率谱（图3f）在650 nm左右也具有较高的反射率。因此，从纯光谱的角度看，东海藻类爆发中的藻类可以是马尾藻，也可以是紫菜。2010年2月和2012年3月，在这里的数值模拟得到的藻类输运路径上观察到星散的马尾藻。相反，没有报道说紫菜能在海洋中存活很长时间。因此，如果没有同时的现场确认，人们可能会推断东海爆发藻类最有可能由马尾藻主导。

图3. 卫星和实验室测量的反射光谱。（a）三个地点（1号、2号和3号）分别位于东海、浙江沿海和黄海，其中（b-d）分别为典型OLI藻类像元样本的光谱并且展示出他们的 RGB图像。（e）浒苔野外测量的反射光谱（Hu等，2015）。（f）紫菜（内图）室内测量的反射光谱，以及Jin等（2016）的马尾藻光谱。

3.3 历史上爆发

分别对2002年和2012年以来的MODIS和VIIRS的AFAI图像分析表明，第一次大规模东海藻类爆发发生在2015年，其时间演化和运输途径与2017年的爆发几乎相同，但范围要小得多。图4显示了两个爆发事件的几个示例图像。它们都是在2月底至3月初从浙江沿海水域开始繁殖的，并在5月中旬演化为东海浮游藻类爆发。图像序列还显示，2015年东海漂浮藻类爆发在6月底结束于黄海南部。除2014年和2015年外，2017年5月18日东海浮游藻类爆发（约530 平方千米）的藻类覆盖度均超过黄海各年浒苔爆发的最大规模（Qi等，2016）。2017年东海藻类爆发（约160，000平方千米）含藻水域面积也超过了2015年浒苔爆发面积（约44，000平方千米），结果表明，在爆发最强期间，东海浮游藻类爆发的平均密度（530/160，000 = 0.3%）是平均浒苔密度（1，160/44，000 = 2.6%，2015年6月21日）的8倍。

自2012年以来（图4i和S3），每年2月底至3月初，浙江沿海同一地点都会出现漂浮藻类，但只有在2015年和2017年，中部地区才会在随后的几个月出现大规模的爆发藻类。

图4.（a-h）MODIS和VIIRS图像序列显示东海漂浮藻类爆发在2015年和2017年的进展。除了2015年5月5日（图4d）和2017年4月4日（图4f）的图像来自MODIS。颜色标度表示漂浮藻类面积密度。这些图像代表了2月到6月初之间最佳的“无云”状态。（i）2018 ~ 2017年期间两个地区每日最大的漂浮藻的区域面积（FAA）。区域1在浙江沿海（见图2和4e），区域2覆盖了整个研究区域，也覆盖了区域1。浒苔的

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