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卫星观测佛罗里达州西南海域黑水事件：对佛罗里达群岛国家海洋保护区珊瑚礁健康的影响

摘要：2012年在佛罗里达西南海域通过卫星观测到了一次“黑水”事件。卫星观测表明该事件始于2012年1月初、止于同年4月中旬。黑色水斑形成于佛罗里达中西部并且随着陆架环流向南移向佛罗里达湾和佛罗里达群岛，卫星追踪的表面漂流轨迹证实了这一点。与之前2002 年的黑水事件相比，2012 年的黑水事件在时间和空间覆盖方面更弱。一项实地调查显示，2012 年的黑水斑块中含有有毒的腰鞭毛藻，其 CDOM（有色可溶性有机物）和浑浊度相对较低，但叶绿素 a 浓度较高，而盐度与历史数据相比略高。进一步的分析显示，2012 年的黑水是 2011 年 9 月下旬在佛罗里达州中西部外海的腰鞭毛藻爆发形成的，同时河流径流、束毛藻和可能的海底地下水排放也在其形成过程中发挥了重要作用。黑色水斑可以通过减少底部的光照来影响底栖珊瑚礁群落，并且黑色水斑中营养物质的浓度增加可以支持大量的大型海藻的生长，这些海藻可以使珊瑚礁生长过度。因此，利用卫星对这种不利的水质事件提供天气观测和反复观测进而继续进行综合观测是很重要的。

关键词:“黑水”；MODIS； SeaWiFS；水质；珊瑚礁；佛罗里达群岛

1 引言

佛罗里达群岛国家海洋保护区（FKNMS）是一个指定于 1990 年、保护邻近佛罗里达群岛的珊瑚礁生态系统的海洋保护区（图 1）。大面积的海草床、红树林岛屿、珊瑚礁和 6000 多种海洋生物使该区域具有突出的保护、娱乐、商业、生态、历史、科学、教育和美学价值 [1,2]。FKNMS不是孤立的，而是通过海洋环流、陆地排放和大气沉积与深海、陆地和大气相连[3]。 FKNMS离南佛罗里达州很近，它的自然资源吸引了很多居民和游客。

图表 1

图 1 红色粗线表示2012年2月 27日至3月2日的船舶航迹，绿色五角星表示收集地表水样本的站点位置。细红线勾勒出的区域显示了鲨鱼河沼

佛罗里达群岛不断增加的人口和发展，加上南佛罗里达大陆上的农业和其他人类活动，危及下游的 FKNMS 生态系统。FKNMS 周围的水质恶化已经成为几十年来的一个主要关注问题。1997年至 1995 年间，由于来自大沼泽地市农业区、流经鲨鱼河沼的富氮水流量的增加，佛罗里达湾和 FKNMS 发生了广泛的蓝藻水华[4,5]。1992 年 5 月下旬的陆地卫星图像（15 号路径，43 排）显示，在佛罗里达西部和中部存在高度变色和混浊的水，那里密集的浮游植物大量繁殖，由于来自鲨鱼河沼的富氮效应[6]。佛罗里达湾的浮游植物大量繁殖，导致FKNMS水域下游的区域级富营养化，其中包括FKNMS内珊瑚疾病的增殖和38%珊瑚的死亡 [7]。大沼泽地综合恢复计划（CERP）是南佛罗里达生态系统恢复倡议（SFERI）的一个主要组成部分，将通过一系列项目来改变南佛罗里达沿海水域的淡水流量，可能会进一步增加鲨鱼河沼的富氮排放，进一步影响该水域附近的水质。

佛罗里达西南沿海的污染海水常被称为'黑水'，指的是蓝光明显被高浓度的浮游植物和/或有色可溶性有机物（CDOM）吸收的深色水域。2002年1月，佛罗里达州西南海域报告了一次黑水事件，持续到2002年4月[8,9]。2002年1-4月的黑水中含有大量无毒（主要为Rhizosoliniaceae硅藻类）和有毒的（腰鞭毛藻）微小浮游植物。2002 年的事件导致底栖生物资源严重减少:70%的石珊瑚、40%的其他珊瑚物种和佛罗里达州基韦斯特北部两个礁点几乎完全消失的海绵群落[10]。2002 年早些时候，发生在夏洛特港（位于佛罗里达州中西部）附近、并沿海岸南移的大沼泽地流域径流流入佛罗里达大陆架西南部，以及白海豚的大量繁殖，被认为是造成此次事件的主要原因。从那时起黑水就开始被监视，还有几个其他的黑水事件被报道出来。

利用较新的卫星数据进行研究，在空间和时间范围上优先于实地调查和浮标站，有很大的潜力扩大和改进保护海洋生态系统的决策。例如，NOAA 现有的珊瑚礁决策支持系统，包括由 NOAA 珊瑚礁保护方案（CRCP）运作的综合珊瑚礁观测网（ICON）/珊瑚礁预警系统（CREWS）。

2012 年初，卫星和现场测量表明，佛罗里达西南沿海水域正在发生另一次黑水事件。然后出现了几个问题:这个事件比以前更强还是更弱？是什么导致了这次事件？

在本文中，我们将关注2012年佛罗里达西南海岸的黑水事件（图 1）并与 2002年的事件进行比较。我们的主要目标是:

（1） 利用中分辨率成像光谱仪观测卫星（MODIS）记录 2012 年佛罗里达西南沿海水域的黑水事件，并将其与同一地区 2002 年的黑水事件进行比较，但后者利用的是海观测宽视场传感器（SeaWiFS）进行研究;

（2）了解2012年黑水事件的成因

由于浮游植物和/或CDOM的高吸收率，在443nm处观测到了较低的归一化离水辐亮度（nLw），归一化离水辐亮度被用来作为测定黑水的指标。在这项研究中，我们将首先使用卫星导出的 nLw 数据描述出 2012 年的黑水事件。其次，我们将从空间和时间覆盖的角度将2012年的黑水事件与 2002 年的黑水持续事件进行比较。这有利于研究环境变化并且能提供佛罗里达州西南沿海水域的生态系统健康和水质变化的信息。再次，对黑水的潜在来源进行了分析和探讨。最后，我们将讨论黑水对底栖生物群落的潜在影响。

2数据和方法

2.1实地调查

2012年2月 27日至 3月 2日，在佛罗里达州南部沿海水域的 R/V WaltonSmith号（WS1202）上，一个配有传感器的流动系统对叶绿素、CDOM 荧光性、盐度和浊度进行了测量。这是 NOAA 大西洋海洋学和气象实验室（AOML）南佛罗里达计划（SFP）每两月一次的例行巡航调查之一。船舶航迹如图 1 所示。水从地表下约 2.3 米处被抽到一个腔室，在腔室里所有参数在去泡沫化后被测量。数据以 10 秒的时间间隔记录，用中值滤波器剔除异常值和尖峰值。

利用NASA推荐的方法，从流动系统中收集水样，测定叶绿素 a 浓度和 CDOM 吸收系 数，然后将流动叶绿素和CDOM荧光标定为叶绿素-a浓度和CDOM吸收系数。利用在该区域发现的关系，将前者转化为浮游植物色素吸收。

在 2011 年 10 月至 12 月进行的两次 AOML-SFP 巡航期间部署了卫星跟踪的漂流物。这些漂流物是CODE/Davis形式的，有 1米长的水面浮标，数据每 30分钟传送到卫星上一次。

2.2 卫星数据

从NASA戈达德航天中心下载了1 公里分辨率的MODIS和SeaWiFS数据， 并使用 SeaDAS软件包（版本 6.3）中嵌入的最新更新的校准和算法进行了处理。产生了 443nm、488nm和 547nm 的归一化离水辐亮度（nLw）。增强的 RGB（ERGB，r547nm，g488nm，b443nm）图像，在三个波长上与nLw图像合成，其方法与先前的研究[10,11]相同。使用 547-nm 通道代替传统的 670-nm 通道作为红色通道是因为在大多数水域中nLw（670）几乎为零，因此比 nLw（547）所产生的信息要少得多。ERGB图像提供了各种水类的定性可视化:呈棕色/呈红色代表高浓度的浮游植物，明亮的颜色由富含沉积物的水域或浅明亮的海底引起，暗色是由高浓度的浮游植物和/或 CDOM 造成的。浅海，海草的底部也可以造成一个暗色，但这种污染水的位置在时间上是静态的，因此可以很容易地区分图像时间序列分析。

利用光谱nLw数据，基于QAA算法[14]（Kd_488_lee,m^-1）推导了488 nm下行扩散衰减系数。最近的验证工作表明,基于卫星的Kd_488_lee数据稳健性较好，在研究区域范围为0.03-0.65 m^-1时其RMS不确定度lt;15% [15]。

2.3 河道排放物及营养素含量

从南佛罗里达水资源管理区获得了鲨鱼河沼的月平均流量资料S12_T，作为 S12A、S12B、S12C 和 S12D 的总和。计算了 1990 年至 2012 年的月平均气候资料。同样，计算了 1984-2012年的年平均流量和气候流量数据。

2.4 确定nLw阈值

在这项研究中，我们将使用nLw梯度描绘黑水覆盖率。如前所述，黑水斑块总是显示低nLw值。因此，需要量化nLw的阈值，即低于这一阈值的区域可被称为黑水。

这里使用的方法类似于[16]。首先，对SeaWiFS和MODIS/Aqua提供的2002年1月至4月和2012年期间的所有 ERGB 图像进行了检测，只保留了黑水区域上空无云状态的图像。根据这个标准，我们分别选取了29幅和16幅SeaWiFS和MODIS/Aqua的图像。接下来，对于选定的 ERGB图像，用ENVI手动勾画了一个覆盖视觉识别的黑色水域的感兴趣区域，其中暗色表示黑色水域斑块。然后为每个nLw（443）图像生成一个梯度图像，该图像与描绘的 ERGB 图像对应。对于每个像素，梯度定义为3times;3窗口中相邻像素的差值。生成一个直方图，得到最大梯度的模式，可以有效地区分黑水诱发的阵面。然后，计算与梯度模式相关联的nLw图像中所有像素的均值并作为阈值。那么每个 nLw 图像都有自己的阈值。 最后，所有的阈值汇合在一起，画出直方图并计算出平均值和标准差分布，如图 2 所示。2002 年的黑水事件中，SeaWiFS的阈值是0.99至1.2mWmu;m-2m-1sr-1，2012年的黑水事件中，MODIS/Aqu的阈值是1.36至1.68mWmu;m^-2m^-1sr^-1。如果导出一个通用阈值，它将导致两个事件的阈值分别为 1.16 和 1.74mWmu;m^-2m^-1sr^-1，作为平均加上两个标准偏差的结果。然而，为了使用梯度法更精确地计算黑水事件的空间覆盖率，使用了特定于图像的nLw（443）阈值。

图 2 根据 SeaWiFS（黑条）和MODIS/Aqua（红条）无云观测在 1月至 4月期间对 2002年和 2012 年黑水事件的归一化离水辐亮度（nLw（443））阈值。

3 结果

图 3 显示了2012年黑水事件的发展和进展。在ERGB图像中，黑水斑块以深色显示。2011 年下半年， 一个开始于2011年9月下旬夏洛特港以北地区、根据现场分类学数据（图3（a-d））显示是由腰鞭毛藻主导的浮游植物水华斑块，向南移动到了佛罗里达湾。2012年1月初，黑水斑块从海岸附近地区扩展到佛罗里达群岛以北地区。1月底到2月初斑块继续向南移动。在2月初，黑水斑块到达佛罗里达群岛地区。从2月底到3月初，斑块略微向西南海岸方向撤退。3月下旬，斑块开始缩小并再次向佛罗里达群岛移动。斑块在4月12日左右几乎消失了。这些黑水斑块的运动模式与2011年10月下旬至12月期间在该地区部署的卫星跟踪地面漂流物的结果一致（图 4）。漂流物的路径显示，2011 年 10 月底至 2012 年 2 月初期 间，区域流动总体较慢（2.6-7.7cms^-1），并向西南方向流动，流态与卫星图像观测到的黑水斑块的速度和方向一致。2月初以后，从3月初到5月下旬，水流总体上向西再向西北方向移动。这与黑水羽流的消散时间表完全一致。此外，流态与以往的研究结果一致[17]。2012年3月1日及2日收集的水样本显示，黑水斑块内的腰鞭毛藻含量由低（介乎10³至10⁴cells·L^-1）至高（介乎10⁵至10⁶cells·L^-1），详情见图 3（i）。

图 3具有代表性的MODIS/Aqua增强 RGB图像显示了2012年黑水事件的发展和进程，其中黑水的位置用箭头标注。图8显示了从（x）站提取的（f）遥感反射率数据（Rrs=nLw/F0 其中F0为地球外太阳辐照度）。在2011年11月1日至3日、2011年11月21日至23日、2011年12 月5日至7日、2011年12月25日至27日和2012年3月1日至2日收集的分类学数据在（a）、（b）、（c）、（d）中被覆盖且没有（i）：Nー腰鞭毛藻。P——现在lt;103cells·L-1;L——低，在103到104cells·L-1之间;M——中等，在104到105cells·L-1之间；H——在105到106cells·L-1之间;V——非常高gt;106cells·L-1。

图 4 2011年10月至12月大西洋海洋学和气象实验室（AOML）-南佛罗里达计划（SFP）巡航期间在 罗马诺角和鲨鱼河沼布置的漂流物的表面轨迹（图 1）。漂流物是CODE/Davis形式的，有1 米的表面浮标。数据每 30分钟通过卫星传送一次。

图 5 显示了由R/V Walton Smith上的流动系统测量的表面盐度、叶绿素、CDOM荧光以及浊度。 在塞布尔角以西有一个叶绿素含量较高的地方（图 5（a）），其CDOM和浊度均较低。实地测量亦显示53、56、Opt2及60 站的叶绿素浓度分别高达3.6、4.2、5.9 及 3.8mg·m^{-3 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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