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境條件下爆發增殖或集聚引起的生態異常現象。它破壞生態系統的平衡，惡化海洋環境，給漁業和水產養殖業造成巨大的經濟損失。含有毒素的赤潮生物還能通過食物鏈的轉移和積累使海洋經濟動物和人類中毒甚至死亡。例如1993年我國東南沿海發生的赤潮，幾乎使當地的養殖業全軍覆沒，僅浙江省的經濟損失就超過3.85億元人民幣，赤潮所造成的間接損失及對海洋生態環境的破壞則難以估量。今年廣東和香港等海域又出現了大規模赤潮現象，據報道損失慘重。赤潮已成為我國的一大海洋災害。

防止赤潮災害和減少赤潮災害造成的損失已成為一項十分迫切的任務。由于赤潮形成機理的復雜，目前尚無十分有效的方法防止赤潮的發生。因此，只能通過監測和預報的手段來減少赤潮造成的損失。船只和飛機是赤潮監測常用的工具，但監測費用高，時效性和空間性較差。衛星遙感技術具有快速、同步、大范圍監測海洋的能力。近年來，衛星遙感技術應用于赤潮監測的研究受到有關方面的關注。本文利用赤潮與海洋環境要素之間的關系，研究赤潮衛星遙感監測與實時預報的方法和技術。

二、赤潮遙感監測

2.1赤潮遙感監測的原理

赤潮的發生不但導致海水變色，而且改變水體的光學特性。赤潮遙感監測就是根據赤潮水體的光學特性，利用可見光多波段衛星遙感技術，直接發現赤潮監測赤潮的動態變化。

2.2 赤潮水體光譜特性

圖1為1996年8月21日發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處出現一個反射谷，隨后在805nm處出現一個反射次峰。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區分赤潮水體、泥沙水體和清水，從而達到遙感監測赤潮的目的。

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赤潮遙感的監測方法

目前正在運行的有可能用于赤潮監測的遙感衛星有法國的SPOT、美國的Landsat、NOAA和SeaStar衛星等。研究發現SeaStar衛星是最適宜于赤潮監測的。以下只討論SeaStar衛星監測赤潮的方法。圖1中8個條帶對應于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R＞0時，所監測海區為赤潮區；當R≤0時，所監測海區為非赤潮區。此方法既可應用于清水區的赤潮監測，也可應用于高懸浮泥沙區的赤潮監測。后一特點對我國海區的赤潮監測特別重要，因為我國大部分近岸海區的懸浮泥沙含量都較高。

2.4 應用舉例

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

三、赤潮遙感預報

3.1赤潮遙感預報原理

雖然人們對赤潮的成因還沒有充分的認識，但國內外的研究表明，赤潮的發生、發展和消亡與海洋生物、化學、水文和氣象要素密切相關。赤潮遙感預報就是通過監測赤潮和赤潮環境要素來預報赤潮的發生、發展和消亡。

3.2 遙感可監測的赤潮環境要素

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

海面溫度

海溫是赤潮發生的重要環境要素之一。赤潮生物的繁殖和生長需要適宜的環境溫度。不同的赤潮生物有不同的溫度要求。例如浙江海區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存量。赤潮的發生將引起海區葉綠素a含量的變化。自養性赤潮生物引發的赤潮，赤潮發生區的葉綠素a含量一般比赤潮發生前和鄰近非赤潮區高。異養性赤潮生物引發的赤潮，赤潮發生區的葉綠素a含量比赤潮發生前和鄰近非赤潮區低。此外，葉綠素a含量變化還是反映海區富營養化程度的一個指標。例如骨條藻赤潮發生的葉綠素a臨界值為6mg／m3，異彎藻赤潮發生的葉綠素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境。徑流把陸地上的營養物質帶入海洋，上升流把底層營養物質輸向表層。徑流、上升流和海流的相互作用改變海區溫鹽等物理性質，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物質帶入浙江海區，致使該海區的大部分區域和季節為富營養型，部分區域甚至成為超營養型。浙江海區每年5～10月出現的上升流將底層營養鹽輸送到表層，加劇了該海域的富營養化程度。徑流、上升流、臺灣暖流等交互作用為浙江海區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

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

3.3赤潮遙感預報方法

基于赤潮的發生、發展和消亡與諸多海洋環境要素有關，本研究提出多要素赤潮遙感預報方法。該方法由以下三個步驟組成。

（1）赤潮環境要素的衛星遙感

實時接收實時處理衛星資料，快速獲取赤潮環境要素信息。

（2）單要素預測

利用各環境要素與赤潮之間的定量或定性關系，預測赤潮的發生、發展和消亡。

（3）綜合分析預報

對單要素預測結果進行綜合分析，并參考歷史上該海區赤潮發生、發展和消亡的特征，作出預報結果。多要素預報方法的技術路線如以下框圖所示：

3.4 應用舉例

1997年7月下旬科研人員利用衛星遙感技術，配合海上現場觀測，對浙江省嵊泗附近海區進行赤潮監測和試預報。衛星遙感監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。現場觀測的主要要素有藻類豐度、葉綠素a和溶解氧等。利用多要素赤潮預報方法，并根據該海區赤潮的特點，對7月24～30日的一次夜光藻赤潮的發生、發展和消亡全過程作了正確預報。此次預報以傳真形式向國家海洋局、浙江省科委、浙江省海洋局、浙江省水產局、舟山市科委、舟山市水產局、浙江省嵊泗縣科委、嵊泗縣水產局和浙江岱山縣水產局等政府管理部門發布。舟山市海洋局等有關部門根據試預報立即組織防災，使該海區近400公頃的養殖面積和200多只網箱免受危害。此次預報收到了很好的經濟和社會效益。

四、討論與結論

本研究結果表明，利用衛星遙感技術監測赤潮是可能的。但衛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測赤潮，此外，由于空間分辨率較低，對小尺度赤潮的監測十分困難。因此，赤潮的監測不僅需要衛星遙感技術，也需要現場觀測技術和航空監測技術，一個業務化的赤潮監測技術系統應包括以上三種觀測技術。業務化的赤潮監測與實時預報系統應以防災減災為目的，現代科技包括海上觀測技術、遙感技術、GIS技術和通訊技術為手段，赤潮發生機理為基礎。這樣的系統應由以下三個子系統組成：

1.海洋水產養殖及養殖環境信息系統；

2.海洋水產養殖區赤潮監測與預報信息網絡系統；

3.海洋水產養殖區赤潮監測與預報系統。

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

赤潮的預報可分為短、中和長期預報，赤潮的短期預報對防災減災十分重要。它應包括赤潮發生前對即將發生的赤潮的預報和赤潮已發生對赤潮未來發展趨勢的預報（或曰赤潮實時預報）。由于赤潮的發生、發展和消亡與眾多的海洋環境要素有關，赤潮短期預報應采用多要素預報方法，它比單要素預報方法具有更高的預報精度。本研究提出和初步建立了多要素赤潮預報方法，并成功地進行了試預報。

近幾年來，我國加大了對赤潮發生機理、監測和預報的研究，取得了很大的進展，為建立赤潮監測與實時預報系統奠定了技術和人才基礎。我國海區赤潮發生日趨頻繁，面積不斷擴大，損失越來越慘重。防災減災對建立赤潮監測與實時預報系統提出十分近切的需求。因此，開展業務化赤潮監測與實時預報系統的研究的條件已基本成熟.

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審核編輯黃昊宇