基于Landsat数据的胶州湾叶绿素a浓度年际变化特征分析

 摘 要
利用2000-2016年Landsat7 ETM+的数据，经叶绿素a浓度波段比经验算法，获得青岛胶州湾叶绿素a浓度信息。对胶州湾叶绿素a浓度分布规律进行了分析，结果表明：近些年来胶州湾叶绿素a的空间分布格局没有发生大的变化，空间上叶绿素a浓度呈现出湾中部及东部高于西部北部近岸，湾内高于湾口，湾口高于湾外的特征分布规律。但季节规律发生了很大变化。冬季和夏季叶绿素a浓度升高，春季和秋季叶绿素a浓度下降，使得其双周期型的季节变化特点更为显著。2月份和8月份叶绿素a的浓度呈现较弱的升高的趋势，而5月和11月份则表现为下降的趋势。在年际间，不同区域的叶绿素a浓度均呈周期性变化趋势，且每年空间分布趋势基本一致。胶州湾跨海大桥建设前，其附近区域叶绿素a 浓度基本趋于稳定状态；大桥开建及通车后，其附近叶绿素a 浓度年变化有缓慢上升的趋势，叶绿素a浓度基数要高于建设前，表明胶州湾跨海大桥的附近海域受其建设影像，水环境发生变动，但是生态环境在新的基值基础上同样趋于稳定。
关键词：胶州湾；叶绿素a浓度；时空分布

Abstract
Using the data of Landsat7 ETM + from 2000 to 2016, the chlorophyll a concentration band was used to obtain the chlorophyll a concentration information in Jiaozhou Bay, Qingdao. The distribution of chlorophyll a concentration in Jiaozhou Bay was analyzed. The results showed that:In recent years, the spatial distribution pattern of chlorophyll a in Jiaozhou Bay has not changed greatly. The concentration of chlorophyll a in the middle of the bay is higher than that in the western part of the western part of the bay, and the bay is higher than the bay and the bay is higher than the bay. But the seasonal law has undergone great changes. The concentration of chlorophyll a in winter and summer decreased, and the chlorophyll a concentration decreased in spring and autumn, and the seasonal variation of the two - cycle type was more significant.The concentrations of chlorophyll a in February and August showed a weaker trend, while in May and November, the trend was declining. In the interannual, the chlorophyll a concentration in different regions showed a periodic trend, and the spatial distribution trend was basically the same.The concentration of chlorophyll a in the vicinity of the construction of the Jiaozhou Bay sea-crossing bridge is basically stable. After the opening and opening of the bridge, the chlorophyll a concentration in the vicinity of the bridge has a tendency to rise slowly. The chlorophyll a concentration base is higher than that before the construction, It shows that the waters near the Jiaozhou Bay sea-crossing bridge are affected by the construction of the image, the water environment changes, but the ecological environment tends to be stable on the basis of the new base value.
Key words: Jiaozhou Bay; chlorophyll a; spatiotemporal distribution
目录
第一章 引言 4
1.1研究背景 4
1.2研究的目的和意义 5
1.3国内外研究现状 5
第二章 研究区概况 9
2.1研究区范围 9
2.2研究区自然状况 9
第三章 叶绿素a浓度提取方法 11
3.1方法与材料 11
3.2数据材料 19
3.3叶绿素a浓度提取 19
第四章 叶绿素a浓度变化结果与分析 25
4.1一年中不同季度胶州湾叶绿素a含量水平格局的变化 25
4.2一年之中不同月份胶州湾叶绿素a含量的变化趋势分析 29
4.3 胶州湾年际之间叶绿素a含量分布分析 30
第五章 总结与展望 33
5.1本文总结 33
5.2研究中的问题与展望 34
致谢 35
参考文献 36
附录 39
第一章 引言
1.1研究背景
胶州湾，位于中国山东半岛的南部，是青岛的母亲湾，为半封闭海湾，水交换能力较弱，受到沿岸工业排污和人类生活排污的影响，水质变差，营养盐浓度升高整个海域呈中度一重度富营养状态，易发生赤潮。浮游植物是海洋系统中的初级生产者，在海洋生态系统的物质循环和能量流动中具有重要作用。叶绿素是浮游植物重要的组成成分之一，且所有的浮游植物均含有叶绿素a，叶绿素a 含量的高低与该水体中浮游植物的种类、数量等密切相关，亦与水环境质量有关，因此叶绿素a 含量能够在一定程，其浓度可作为海洋浮游植物现存量的指标，同时也是评价海洋水质和富营养化程度的重要参数，对胶州湾内叶绿素a的监测意义重大。由于海洋要素分布状态具有复杂、多变的特点，传统现场监测手段难以在实时性和覆盖面上兼顾，而遥感以其大范围、同步、经济的优势可作为叶绿素监测的首选手段。
水色遥感是利用紫外、可见、近红外光谱范围的多个波段探测水体光学特征以及水色要素的技术，其利用星载或机载可见光、红外扫描辐射计接收到的海面上行光谱辐射，经大气校正，根据相应的生物光学特性，来获取海中叶绿素、悬浮颗粒物和黄色物质等海洋环境要素信息。在对海洋初级生产力、海洋通量、海洋生态环境和渔业资源监测等方面具有重要意义(冯士榨等，1999。水色遥感可对叶绿素a浓度等海洋参数进行大范围、快速、同步的监测，为胶州湾的水质监测服务，但目前尚无完善的胶州湾卫星遥感监测系统。
随着全球变化影响的加剧，胶州湾的生态环境发生了巨大的变化，胶州湾叶绿素a的长期变化规律及未来发展趋势是当前普遍关心的问题。本文系统分析了2000-2016年胶州湾叶绿素a分布格局的变化、季节特征的变化以及长期变化规律，为胶州湾生态系统的长期变化研究、生态系统健康评价以及基于生态系统的管理提供重要的依据。
1.2研究的目的和意义
叶绿素a(Chl-a)是浮游植物生物体的重要组成成分之一，Chl-a含量的高低与该水体中藻类的种类、数量等密切相关，是浮游植物现存量的重要指标，是反映内陆湖泊富营养化程度的一个重要参数。
常规的Chl-a监测方法是通过先采集水样，然后进行实验室分析，得到采样点的Chl-a浓度，用采样点的Chl-a浓度代替附近水域Chl-a浓度或采用地统计学的方法分析其时空分布。而对大面积的水域，采用该方法耗时、费力、不经济。采用常规方法难以获取大范围水域Chl-a状况的分布和变化，不能满足对水质实时、大范围的监测评价要求，而且难于长时间连续监测。遥感技术由于其宏观、动态等特点，在水质监测上的应用，有着常规监测不可替代的优点。Chl-a一由于其特有的光学特性，使得利用遥感反射率反演Chl-a浓度具有可行性。
胶州湾区域空间尺度较小，传统水色卫星的分辨率较低，一般为1km，无法满足细致监测需求;用于陆地遥感的SPOT和Landsat卫星所搭载的传感器分辨率在10-30米之间，可见光和近红外范围内有4-5个波段，具有反演叶绿素a的潜力，或可弥补传统水色卫星空间分辨率较低的不足。
1.3国内外研究现状
国内己有许多人对胶州湾水中的浮游植物和叶绿素a浓度进行了现场调查，对其空间和时间分布，浮游植物的粒级构成，以及相关的影响因素等进行了分析研究，并取得了丰富的成果，这些实测数据和结果对于遥感反演具有重要的参考价值。
潘友联等(1995)对1983年11月一1985年11月之间胶州湾的两个观测站进行了为期2年的水中叶绿素浓度逐月定点研究[1]。结果表明，胶州湾口表层水叶绿素a平均浓度为3.05(1.02-15.62)mg/m³，真光层中平均为26.34(9.97-106.59)mg/m³;叶绿素a浓度的季节变化呈现春(3-4月)、秋(9-11月)双峰型。小型浮游植物(<78um)平均占有海水中叶绿素a的85.76%。
任玲等(2003)基于1997年8月一1998年6月之间的5次调查结果，分析讨论了胶州湾内外水体营养盐和叶绿素的季节变化特征及其影响因子[2]。研究表明，叶绿素的季节变化呈春夏季高(2.6-5.1mg/m³)，冬季低(0.2-0.6mg/m³)的特征。湾内叶绿素和浮游植物的平面分布与营养盐相反，尤其是在春季，东部沿岸营养盐较高的区域，浮游植物的含量并不太高。结果表明东部沿岸，由于河流中输入悬浮颗粒物浓度增加而使光合作用受到抑制，或是由于沿岸重金属或有机污染物排放对该区域的浮游植物产生毒性作用。
吴玉霖等(2004)利用分光光度法对1991-2002年11月胶州湾浮游植物现存量(叶绿素a含量)进行了测定[3]。研究结果表明，胶州湾叶绿素a年平均含量为2.09-5.70mg/m³，多年平均为(3.47±1.92)mg/m³，年际间存在一定的波动;在空间平面分布上，胶州湾东北和西北近岸区域含量较高，中部和南部较低;时间上，胶州湾叶绿素a浓度存在着明显的季节变化，冬季(2月)平均浓度为(4.72±3.15)mg/m³，是一年中的高峰，夏季次之，平均为(4.33±2.57)mg/m³，春季量为(2.78±2.43)mg/m³，秋季最低，为(1.95±0. 80)mg/m³。胶州湾浮游植物粒级构成为，小型浮游植物(>20m)平均占35.8%，微型浮游植物(2-20μm)平均为51.3%,超微型浮游植物(<2m)平均为12.9%，且不同季节和海域粒级构成有一定差异。
李超伦等(2005)2003年6月-2004年5月对胶州湾及邻近海域水体中叶绿素a浓度变化及其空间分布进行了周年调查[4]。结果表明，调查海域叶绿素a全年平均浓度为2.81 mg/m³，月平均浓度变化范围为0.73-8.44 mg/m³。整个海域叶绿素a浓度周年变化呈现双峰型，分别在夏季8月和冬季2月出现两个高峰，但是不同区域的变化幅度不同，营养盐浓度变化与叶绿素其水平分布格局为湾内高于湾外，湾内北部高于南部。营养盐浓度变化与叶绿素a浓度的变动未发现明显的相关性，但是在局部海域硅酸盐对冬季浮游植物水华的进一步发展具有一定的限制作用。综合分析营养盐、叶绿素a和浮游动物的周年变化及其之间的关系显示，下行控制胶州湾浮游植物的数量变动中起着重要的调控作用。
潘胜军等(2009)对2008年2、5、8和11月胶州湾及邻近水域中表层叶绿素a浓度和浮游植物粒级组成进行了调查[5]。结果表明:胶州湾内和湾外表层叶绿素a年平均浓度分别为4.90和2.03mg/m³;叶绿素a浓度的平面分布呈现自东北部及近岸向中部、南部及湾外递减的趋势;叶绿素a浓度季节性变化明显，冬季和夏季浓度较高，春季次之，呈现温带海域双峰型的变化趋势。胶州湾浮游植物粒级组成以微型浮游植物为主，平均占叶绿素a总量的60.9%，其次是小型浮游植物，超微型浮游植物所占比例最低。与历史资料相比，微型浮游植物的比例有所增加，超微型浮游植物降低。
孙松等(2011)系统分析了1977-2008年胶州湾浮游动物群落的长期变化特征[6]。结果表明，近30年来胶州湾浮游动物生物量呈现明显的上升趋势。2000年之后胶州湾浮游动物平均生物量达到0.361g/m³，为20世纪90年代的3.54倍。浮游动物的季节变化规律己由20世纪90年代夏季生物量和丰度最高的季节变化特征转变为2000年之后春季生物量和丰度最高，夏季次之的季节变化特征。胶州湾浮游动物的种类组成也发生了改变。
孙晓霞等(2011)根据1981-2008年的胶州湾浮游植物调查资料，系统分析了网采浮游植物群落的长期变化特征[7]。结果表明，自1981年以来，胶州湾浮游植物总量呈现增加的趋势，但空间分布格局没有发生明显改变。胶州湾浮游植物优势类群数量的长期变化趋势表明，胶州湾浮游植物群落对气候变化和人类活动的综合影响己经做出响应。
孙晓霞等(2011)采用野外观测与历史数据相结合的方法，系统分析了1984-2008年胶州湾叶绿素a及初级生产力分布格局、季节特征的变化以及长期变化规律[8]。结果表明，近20年间胶州湾叶绿素a的空间分布格局没有发生大的变化，但季节规律发生了很大变化。冬季和夏季叶绿素a浓度升高，春季和秋季叶绿素a浓度下降，使得其双周期型的季节变化特点更为显著。胶州湾叶绿素a浓度的长期变化呈现波动状态，波动范围为1-4.76mg/m³。2月份和8月份叶绿素a的浓度呈现较弱的升高的趋势，而5月份和11月份则表现为下降的趋势。从空间格局上看，湾外区域叶绿素a浓度呈现显著下降的趋势。胶州湾的初级生产力存在一定的年际波动，1980'S,1990'S和2000'S三个时期的季度月平均初级生产力分别为334.41, 354.39, 347.73mgC/(m²·d)，并没有出现下降趋势。
总结之上的调查研究成果可以发现，胶州湾叶绿素a浓度的时空分布呈现较为明显的规律性:空间上，胶州湾叶绿素a浓度在中东部较高，西部和北部较低，湾内高于湾外;时间上，胶州湾叶绿素a浓度呈现一年双峰的特点，近年来冬季和夏季为叶绿素a浓度分布的高峰期，而春秋两季则有所降低。