EOS/MODIS数据在太湖蓝藻水华时空分布规律提取中的应用研究

EOS/MODIS数据非常适合于蓝藻水华的监测.为充分发挥EOS/MODIS数据高时间分辨率以及高光谱的独特优点,在2008年太湖蓝藻预警遥感监刹的基础上,利用MODIS数据开展了蓝藻水华时间和空间分布规律信息的提取方法研究,从蓝藻水华分布频率、分布区域的迁移变化以及基于水质指标反演(以温度为例)的相关性分析等方面系统开展太湖蓝藻水华时空发生规律提取方法研究,为蓝藻应急治理工作提供支持.     

基于MODIS影像估测太湖蓝藻暴发期藻蓝素含量

利用太湖水体藻蓝素的实测数据,基于蓝藻的光谱特征分析,选择MODIS 250m分辨率的卫星遥感影像,建立了藻蓝素估测模型.研究表明,该模型可以较为准确地识别新生蓝藻水华,辅助提取新生蓝藻水华的覆盖区.在新生蓝藻水华的覆盖区内,藻蓝素的定测估算已经失去实际意义,没有必要讨论估测的精度高低.在新生蓝藻水华的覆盖区外,藻蓝素的遥感估测精度取决于藻蓝素浓度的高低以及藻蓝素与叶绿素的定量关系,即当藻蓝素浓度35μg/L时,平均相对估测误差降至31%;但对于那些藻蓝素的浓度>35μg/L,且藻蓝素浓度与叶绿素a浓度的比值<8的湖区而言,藻蓝素浓度模型的相对估测误差约为29%.     

基于DYRESM模型的太湖全年水温模拟及其在水华预警中的应用

水温是湖泊生态系统的重要驱动因子,太湖蓝藻水华暴发过程与湖泊全年水温变化密切相关。本文从水温角度出发,运用澳大利亚西澳大学水研究中心开发的一维DYRESM水动力学模型模拟了太湖2005全年的水温变化状况,并通过太湖2005年水温实测值进行了验证,模型结果较好的反应了2005年太湖逐日水温的变化情况。另外从水温角度对太湖蓝藻水华暴发阶段作出分析,为太湖蓝藻水华暴发的预测预警研究进行了方法上的准备和探索。     

全球气候变化对太湖蓝藻水华发展演变的影响

对太湖周边4个常规气象观测站的47年观测资料进行分析,以探讨全球气候变化对太湖蓝藻水华演变的影响.结果表明,20世纪80年代之前,太湖流域气象条件的年代际尺度变化趋势不利于蓝藻的生长和水华的形成,而在20世纪80年代以后,尤其是20世纪90年代以后,气温、风速、降水变化都较大,且都有利于蓝藻的生长和水华的形成,这与蓝藻水华的观测事实一致.据此定义了蓝藻水华气象指数,每年太湖蓝藻水华气象指数能够很好地反映蓝藻水华的发展变化情况.进而,分析了反映ENSO循环变化的Ni?o3指数与太湖流域气象条件变化的相关性,结果表明ENSO循环与太湖流域风速、降水在年代际尺度上有着非常好的相关性.据此预测,2000年以后10~20年中,太湖蓝藻水华气象指数将继续在高位振荡,若蓝藻生长所需的营养盐浓度得不到有效的控制和明显的降低,蓝藻水华在气候条件的影响下,仍将可能大面积暴发.     

磷营养控制与藻存量削减对蓝藻水华的阻遏

通过原位实验比较了磷营养控制和藻存量削减2种方法对小型富营养化水体蓝藻水华形成早期的影响,测定了水体藻类群落结构、光合系统活性、水温、氮磷等参数的变化。结果显示:对照组水体藻类生物量从7.87 mg/L上升至14.25 mg/L,蓝藻在藻类生物量中所占比例由20%升高至40.8%,实验后期水体表面出现蓝藻局部堆积;磷营养控制组(添加钙盐)藻类生物量保持在7.53⁹.18 mg/L范围,蓝藻所占比例低于30%,后期水华控制效果明显;施用除藻剂(铜盐)可使藻类生物量迅速下降到1.88 mg/L,同时蓝藻所占比例降低至10%以下,但绿藻在后期形成优势,藻类生物量回升并超过对照组。相关性分析表明各组藻类生物量的主要限制因子分别为水温(对照)、总磷浓度(磷营养控制)和铜离子浓度(藻存量削减)。总体而言,2种方法均在水华形成早期对小型富营养化水体的蓝藻水华起到了阻遏作用。     

城市湖库蓝藻水华形成机理综合建模研究

蓝藻水华形成是诸多营养及环境因素相互作用的结果,因此,本文对城市湖库蓝藻水华形成(包括复苏、萌芽、生长、暴发阶段)这一复杂生态过程进行了综合建模研究.通过在阳光房中模拟湖库蓝藻水华形成过程,采用正交实验分析获得蓝藻生长的关键影响因素,并为蓝藻水华形成机理建模提供相应参量.在此基础上,构建了用于模拟湖库蓝藻水华形成过程的蓝藻生长机理模型,采用遗传算法对机理模型中涉及的参数进行优化率定;同时,考虑蓝藻水华暴发阶段具有突变特性,建立了描述蓝藻水华暴发状态的尖点突变模型,进而构建了城市湖库蓝藻水华形成各阶段的综合机理模型.实验仿真结果表明,该综合机理模型能较好地模拟城市湖库蓝藻从复苏到暴发整个过程的变化规律,且该模型结合了数学机理建模和智能方法的优势,克服了单一蓝藻水华机理模型的缺陷,为湖库蓝藻水华形成机理的深入研究提供了新思路.     

基于MODIS数据的太湖蓝藻变化与水温关系研究

以太湖为研究区,基于2008年4～12月的60景EOS—MODIS 1B遥感影像数据。利用NDVI算法结合目视判读解译了水华分布变化的基本信息,通过劈窗算法反演太湖湖面水温,发现在2008年太湖蓝藻生长、暴发、衰退周期中。水华面积的大小与湖面均温值之间关系密切：在20℃以下时表层水温与太湖蓝藻生长暴发或沉寂消亡具有明显的相关性;20℃-30℃时水华的面积大小受到湖面温度和其他因素的共同影响,容易发生大规模蓝藻暴发：30℃以上时过高的表层水温会对蓝藻的上浮聚集具有一定抑制作用：太湖蓝藻全年消亡的临界温度与其初始生长的临界温度相比更低。研究同时发现太湖湖面温度的空间差异是影响蓝藻水华分布迁移的重要因素之一。     

结合卫星遥感技术的太湖蓝藻水华形成风场特征

为进一步了解太湖蓝藻水华形成和分布与近地面风场的关系,利用太湖湖面及周边地区2003~2013年气象与卫星观测数据分析、并应用WRF3.5.1数值模型模拟,发现太湖蓝藻水华主要出现在卫星观测时刻前6h平均风速为0.5~3.4 m/s的区间,占比达94.7%;蓝藻水华面积总体上随风速增大而减小,大范围蓝藻水华主要出现在前6h平均风速≤2 m/s的情形下,占比达89%;风向则主要影响蓝藻水华在太湖的空间分布格局.结果表明局地风场对于太湖蓝藻水华的形成、输移和分布具有重要作用.     

亚洲地区MODIS和Himawari-8细模态气溶胶产品验证及其时空分布分析

利用AERONET观测网数据,结合MODIS(中分辨率成像光谱仪)及Himawari-8(新一代地球同步气象卫星)的气溶胶产品分析了亚洲41个站点2015—2016年细模态气溶胶光学特性.结果表明,MODIS和Himawari-8反演气溶胶细模态比例(FMF)及细模态气溶胶光学厚度(fAOD)落在误差区间EE(期望误差)内的比例均不超过80%,其中8个典型站点则不超过50%,总体上MODIS要优于Himawari-8,但与AERONET地基观测资料相比还存在一定的误差.因此,需要进一步研究反演方法,提升地表反射率的确定精度,从而提高卫星遥感反演精度.通过季节平均的比较,发现春、夏、秋、冬四季MODIS和Himawari-8的反演值均有所低估,MODIS fAOD各季节平均偏差相对较小.Himawari-8 FMF秋季在Dhaka_University站的平均偏差较大,MODIS FMF春、冬季的平均偏差最大值相对较大,夏、秋季则相对较小;对于同一站点在相同季节均为Himawari-8 fAOD偏差较大,并且MODIS fAOD各季节的平均偏差最大值均小于Himawari-8 fAOD的偏差值.同时,利用卫星观测分析了亚洲地区FMF和fAOD年均及季节平均分布特征,发现MODIS和Himawari-8 FMF年均分布高值区主要位于华北平原、东北平原、四川盆地和中南半岛,MODIS fAOD年均分布高值区主要位于中南半岛,Himawari-8 fAOD年均值则普遍较低.MODIS FMF和fAOD季节平均分布呈现出夏秋高、春冬低的趋势,Himawari-8 FMF和fAOD季节平均分布则呈现出春秋高、夏冬低的特征,高值区的位置和量值均有明显的季节变化.     

浅水富营养化湖泊蓝藻垂向分布特征及其动力机制研究—以太湖为例

蓝藻垂向运动的表征对于理解浅水富营养化湖泊中蓝藻水华的形成过程至关重要.本研究以太湖为研究区,通过野外实验观测,分析蓝藻生物量及颗粒物粒径分布的垂向变化特征,结合一维蓝藻平流运动模型,研究在不同扰动强度和群体粒径下的蓝藻垂向运动规律.结果表明,在低风速条件下（风速小于3 m·s^-1）,太湖水体中蓝藻生物量在垂向上分布不均匀,其垂直分布剖线在水表或水柱某一深度形成峰值.当水华发生时,直径> 75 μm的蓝藻群体主要聚集在水表,其剖线在水下形成不明显的峰值;在水华未发生时,75~175 μm直径范围内的蓝藻群体主要聚集在水深1.2 m处,175~250 μm直径范围内的大粒径蓝藻群体仍聚集在水表.垂向运动模拟表明,直径> 100 μm的蓝藻群体随光照变化在水柱中进行周期性上浮下沉运动,直径< 100 μm的蓝藻群体,由于垂向迁移速度较小,在弱扰动条件下聚集在真光层深度附近.不同粒径蓝藻群体的垂向运动规律不同,导致蓝藻生物量垂直剖线在水表和水下形成两类特征峰.     

应用遥感数据评价蓝藻水华对太湖取水口的影响

为量化蓝藻水华对太湖饮用水取水口的影响,将太湖矢量图进行栅格化,根据权重函数计算像元的权重因子;再将权重因子图与由遥感影像得到的水华分布图进行叠加,对对应像元进行影响因子计算;最后根据像元的影响因子求出归一化影响指数(NII),并以此进行影响评价.通过对2007年5月1~16日太湖MODIS EVI影像进行的实例分析和验证,表明该方法能较好地反映太湖水华对取水口的影响程度,与实际情况符合;在提出的3种权重函数模型中,负指数模型和正态分布模型能较好地反映蓝藻水华对饮用水取水口的影响程度,可以作为影响评价的权重模型.     

太湖与巢湖水华蓝藻越冬和春季复苏的比较研究

研究了太湖、巢湖水华蓝藻的越冬和春季复苏的动力学特征.结果表明,太湖从秋季11月时蓝藻大量下沉进入底泥越冬,到次年5月后底泥中的蓝藻开始复苏进入水体.在11月～次年5月的越冬过程中,底泥中的蓝藻保持增长,其中在3～5月蓝藻生长加快.巢湖中蓝藻表现出类似的下沉越冬和春季复苏规律,即蓝藻自11月开始下沉,但巢湖底泥中的蓝藻在3～4月时即开始复苏.本研究表明太湖和巢湖中蓝藻都有明显的下沉越冬和春季复苏现象.太湖不同营养盐湖区蓝藻的越冬和复苏规律相似,底泥中的蓝藻数量在越冬过程中相差不大,说明越冬期间底泥中蓝藻含量与夏季水体中蓝藻数量可能没有直接联系.     

湖泊水质模型SALMO在太湖梅梁湾的应用

改进了湖泊水质模型SALMO,针对太湖梅梁湾,利用2005年实测数据进行模型参数率定,并模拟了2006年水质.结果发现,绿藻、蓝藻、硅藻3种藻类的模拟结果与藻类的实测年变化格局一致,反应了3种藻类的季节性演替,其中,硅藻、绿藻在冬末春初占优势,蓝藻在夏秋季占优势;溶解氧模拟结果与实测数据非常一致,年平均相对误差为14.3%;NO-3-N和PO3-4-P的变化趋势与实测结果基本一致.研究结果表明,SALMO能很好地模拟藻类和营养盐的浓度动态,并在一定程度上揭示水华机制.     

太湖蓝藻水华灾害程度评价方法

通过对太湖蓝藻水华灾害分析,借鉴赤潮灾害评价指标,采取蓝藻水华面积和Chla浓度作为灾害程度分级评价指标,应用层次分析法确定权重,结合隶属度函数,采用模糊综合评价建立太湖蓝藻水华灾度分级评价方法,定量描述蓝藻水华灾害程度.结合2008年太湖蓝藻水华灾害事件对该方法进行验证.结果表明,2008年太湖蓝藻水华灾害规模主要为小型、中型和大型,无重大和特大蓝藻水华灾害发生;其中小型蓝藻水华灾害在各月都有分布,中型和大型蓝藻水华灾害主要分布在5月和7~9月.评价结果表明该方法具有一定的科学性和适用性.     

太湖不同湖区蓝藻细胞裂解速率的空间差异

2009年在太湖蓝藻水华形成初期(五月)、盛发期(九月)和衰亡期(十月和十一月),运用基于颗粒态酯酶,溶解性酯酶以及酯酶衰变常数测定的酯酶活性方法对不同湖区(藻型和草型湖区)蓝藻的细胞裂解速率进行了计算,在测定颗粒态酯酶、溶解性酯酶活性时,同步分析了太湖优势种群中蓝藻叶绿素a的含量.统计分析结果表明,叶绿素a的浓度与颗粒态酯酶、溶解性酯酶活性有很好的相关性,说明以酯酶活性为指标来计算太湖蓝藻细胞裂解速率是可行的.对不同湖区的细胞裂解速率进行比较,可见湖心和西太湖在蓝藻水华形成初期细胞裂解速率分别为0.072,0.048d-1.水华盛发期以及水华衰亡期,湖心和西太湖的细胞裂解速率分别为0.074～0.770d-1,0.014～0.110d-1.太湖湖心磷酸盐浓度比西太湖低,所以蓝藻生长速率慢,导致细胞裂解速率比西太湖高.但是,在梅梁湾和贡湖,衰亡末期磷酸盐浓度比其它月份高,细胞裂解速率也高.4个采样点在衰亡末期的细胞裂解速率比水华形成初期,暴发期和衰亡初期要高,可能的原因是气温和水体温度下降导致蓝藻生长速度减慢.本研究结果表明,太湖蓝藻细胞裂解速率有明显的空间差异,其具体的影响因素很多,营养盐只是其中一个.     

太湖春季和秋季蓝藻光合作用活性研究

采用Phyto-PAM浮游植物分析仪测定太湖蓝藻光合作用活性的时空间分布.结果表明,太湖蓝藻光合活性具有显著的时空差异:春季蓝藻的最大光量子产量F_v/F_m (可变荧光和最大荧光之比)和实际光量子产量F_v'/F_m'分别在0.35~0.49和0.16~0.29之间,秋季蓝藻分别在 0.33~0.53和0.21~0.43之间,太湖秋季蓝藻的最大光合作用能力和实际光合作用能力大于春季蓝藻.春季和秋季蓝藻的非光化学淬灭NPQ(non-photochemical quenching)分别在0.012~0.17和0.035~0.26之间,秋季蓝藻的NPQ高于春季蓝藻,说明秋季蓝藻的自我保护能力高于春季蓝藻.快速光响应曲线(Rapid light curve, RLC)的特征参数表明春季蓝藻的光能利用效率、最大电子传递速率和光饱和强度点高于秋季蓝藻;从空间分布来看,蓝藻的最大光合作用能力、实际光合作用能力和光合作用效率在营养水平低和有水草分布的湖区相对较低,富营养化水平高的湖区则相对较高.因此,降低太湖营养盐浓度,恢复水生植物,能够抑制蓝藻的光合作用活性和生长,从而降低蓝藻水华强度.     

水质遥感在太湖叶绿素a时空分布动态变化研究中的应用

通过研究MODIS遥感数据与太湖现场监测数据之间的规律,确定了一个基于MODIS数据的叶绿素a指数,并以此为基础构建出一个具有普适性的、反映太湖叶绿素a时空分布动态变化的反演模型,为太湖藻类爆发的机理、预警研究以及水环境管理累积数据,提供决策依据。     

基于RVI分区的淀山湖蓝藻暴发期叶绿素a的遥感估测

以淀山湖为研究区域,利用MODIS数据探讨蓝藻暴发期叶绿素a质量浓度〔ρ(Chla)〕的遥感估算方法.为了提高估算精度,解决蓝藻暴发期因ρ(Chla)差异较大而产生的估测模型的参数适应性问题,引入比值植被指数(Ratio Vegetation Index,RVI)分类法,将RVI＞0.95的区域界定为高蓝藻含量水体,将RVI≤0.95的区域界定为较清洁水体,并基于分区分别建立遥感估算模型.结果表明,分区后MODIS数据叶绿素a估测模型能更好地映射ρ(Chla)的变化,基于RVI的分类估算方法可以有效地提高淀山湖水体蓝藻暴发期ρ(Chla)的估算精度.