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渤海水体透明度的变化：基于MODIS观测
Shaoling Shang , Zhongping Lee,, Lianghai Shi, Gong Lin, GuomeiWei, Xueding Li
摘要
水体透明度通常用塞克盘深度（Zsd）表示，是所有水生环境的重要质量参数。为了评估过去十年（2003 - 2014年）渤海（BHS）的水体透明度变化， MODIS-Aqua水色数据通过创新的机械模型衍生出Zsd。MODIS产生的Zsd产品与在23个匹配的实测站位测量的差异在2-12米的范围内。基于MODIS 的渤海Zsd产品得到验证，这是在2003 - 2014年期间首次获得了有关渤海透明度的有用结果。对于渤海中央区域，2003 - 2014年8月（3.9米）的气候平均值Zsd显著低于1982 - 1983年8月（8.7米），1959 - 1979年（8-12米）和1972-1987年8月（8-14米）的实测值。这意味着20世纪80年代后期渤海中央区域的水体透明度大幅度降低，这是1980年代中期渤海周边地区经济快速发展的不好的副产品。另一方面，2003 - 2014年期间渤海中央区域的Zsd没有显著变化，表明该水体的水体透明度不会持续下降。这项工作的结果突出了由分析衍生的Zsd产品和卫星水色遥感在监测沿海海域水质方面的价值。
1.介绍
渤海（BHS）是中国工业化人口稠密地区（图1）所围绕的一个大型（77,000平方公里）和浅层（平均约18米）的半封闭边缘海域（图1）—— “ 环渤海经济圈”。渤海包括三个湾（渤海湾，莱州湾和辽东湾），并且是多于17条河流的主要接收地（例如张等，2007）。 在这些河流中，黄河排放量最大，汇入莱州湾，年排放量为1010立方米，年沉积物量估计为109吨（Milliman和Meade，1983年）。 最大水深约70米的渤海海峡是渤海与邻近黄海（YS）（例如，Xu等人，2009年）进行水体交互的唯一渠道。渤海也受季风的影响，冬季强北风占主导，夏季持续不断的弱南风占主导（Lee和Chao，2003）。
在1985年开展的“环渤海经济圈”经济改革后，由于城市化和工业化的程度加快而对渤海水体产生了各种影响。渤海虽然仅占中国海域2.6％，但其每年接收全国40％左右的直接排放污水（“中国环境年鉴”第四卷）。同时，为了灌溉和市政供水，大多数河流流入渤海已被控制（Fuggle和Smith，2000）。据了解，1960 - 1996年，渤海的溶解无机氮，温度和盐度呈上升趋势（Ning et al。，2010）。伴随着从1959年到1998年初级生产力呈下降趋势，1998年的渔业生物量仅为1959年的5％（Tang et al。，2003）。 2011年夏季在渤海西部观察到底部酸化。据指出，酸化是由频繁的有害藻类繁殖和密集的水产养殖而产生的当地生物有机物重新矿化诱发的（Zhai等，2012）。综上所述，渤海生态系统正在迅速退化（Gao et al。，2014; Liu et al。，2011; Xu，2011）。
然而，尽管过去几十年来渤海生态系统的这些变化令人担忧，但目前的状况和水质随时间的变化并没有被详细描述。 水体透明度是关键的水质参数之一，它不仅影响了我们对水环境的视觉感知，而且对关于水生生态系统的光线可用性提供了重要的信息。
图1.渤海的测量深度，其周围有17条河流，其中大部分已经被淹没，因此只有三条被注释。 灰线分别是渤海中部和三个海湾Zsd的空间平均计算得到的边界。 A和B站是朱和赵（1991）的两个抽样站， 是唯二位于渤海中部且有Zsd的月度记录的采样站。
有许多方法可以确定水体透明度。 其中包括塞克盘深度（Zsd，m），漫反射衰减系数（Kd，m-1）和电穿孔深度，但塞克盘深度用来记录水体透明度的时间最长（例如，Boyce等人，2012; Capuzzo等人，2015;Fleming-Lehtinen和Laamanen，2012; Philippart等，2013）。对于渤海，四个时期有大量的实测Zsd数据可用：1959-1979（Zhang，1983），1972-1987（Zhu和Zhao，1991），1982-1983（Fei，1986）和2003-2009（Qin et al。，2014; Xue et al。，2015）。然而，这些数据由于船舶调查的固有局限性，本质上是离散的和零星的，从而妨碍了对整个渤海水体透明度的时间变化进行彻底而客观的评价。
正如几十年前所展示的，卫星传感器重复观测是观察和评估大区域地球物理性质的时间变化的唯一可行方法（例如，Behrenfeld等人，2001; Chavez等人，1999; McClain，2009; Yoder等人，2002）。 水体透明度的研究也以相同的方式进行着（例如，Hicks等人，2013; Weeks等人，2012）。 有一些关于使用遥感方法对整个中国海水体透明度的报告。例如，发现渤海是所有中国海中具有最浅的塞克盘深度或透光深度的海（He et al。，2004; Shang et al。，2011）。然而，至今还没有关于渤海水体透明度变化的详细评估和分析。
在本文中，利用新的机械模型（Lee et al。，2015）生成的2003-2014年的MODIS Zsd时间序列，以及1959年的实测Zsd历史记录，我们争取解决在过去几十年中，整个渤海水体透明度的变化，并且试图全面了解推动这变化的影响因子。考虑到渤海生态系统的退化已被验证，我们假设至少与1980年代以前，那个在渤海周边地区没有启动经济改革的时代相比，渤海水体透明度现在有所降低。简而言之，本研究的目的是评估经济发展前后水分透明度的变化，看待变化趋势是否持续到现在。本研究结果可能指导渤海周边地区的未来经济发展以更环保的方式进行，可以作为其他在人类活动严重影响下沿海海域的一个例子。
2.数据和方法
2.1计算Zsd的算法
最近，Lee等人（2015）发现经典的水下能见度理论（Preisendorfer，1986）不能完全解释人眼对塞克盘的视线，并且开发了一种基于辐射传递的创新机械模型，通过MODIS的水色测量数据来估计Zsd：
（1）
这里是水体透明窗口处的遥感反射率（sr-1）（对应于最大透明度的波长），是人眼观察塞克盘的对比阈值，平均值为0.013 sr-1是基于Blackwell的测量值（Blackwell，1946）。该模型使用大于300个同一时间的全球测量数据的Rrs和Zsd进行了验证，这些数据涵盖了海洋，沿海到内陆水域，包括来自中国海的近二百个Rrs和Zsd的匹配数据，导致Rrs估计的Zsd与实测的Zsd之间的平均差异约为18％（Lee等，2015）。注意，这个18％的差异包括大于10％的实测Zsd不确定性.我们因此实现了这种新的模型（方程（1）），为渤海生成MODIS Zsd产品，而不是任何传统的经验算法（例如Chen et al。，2007 ; Morel等人，2007）或之前基于经典可见性理论的半分析算法（例如，Doron等，2011）。实证方法通常适用于用于开发经验关系的位置（和/或季节），但是当相同的经验公式应用于其他水体（或相同的水体但在不同的水体）时，容易出现错误和不确定性季节）。实施方程式（1）的详细说明可以在Lee等人（Lee等人，2015; Lee等人，2016）中查看。
2.2卫星数据
从美国航空航天局海洋生物学处理组（OBPG，http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/）获得了MODIS-Aqua 2级每日和3级月平均遥感反射率（Rrs）数据，并用最新更新的校正和算法（再处理R2014.0）进行处理）其中空间分辨率分别为大约1kmtimes;1km，4kmtimes; 4km。 用QAA算法（Lee et al。，2002）处理MODIS 月平均Rrs数据得到443nm（bbp（443））颗粒的后向散射系数。从2003年至2009年的QuikScatterometer（QuikSCAT）观测资料可获得月平均风场数据（http://podaac.jpl.nasa.gov），空间分辨率为0.25°times;0.25°（相当于约25kmtimes;25km）。用风速计算风风应力详见Shang等。 （2011）。
2.3平均值和异常值的计算
通常使用各种性质的时空平均值和异常值来解决地球物理特性的时空变化（例如，Behrenfeld等人，2006; McClain，2009; Shang等，2011）。按照这个惯例，我们分别计算了Zsd，bbp（443）和风应力的时空平均值和异常值。计算这些平均值和异常值的方法详见Shang等（2011）。
3.结果
3.1MODIS 的Rrs和Zsd的评估
Lee等人（2015）创新的Zsd算法性能（方程（1））通过同一时间Rrs和Zsd的实测数据进行评估，取得了很好的结果。它的性能将进一步通过MODIS和实测匹配站位来进行评估，以确保MODIS Zsd产品在时空研究上的质量。
在2011-2012年期间进行的实测，实测Zsd用直径为30厘米的常规全白色塞克盘（反射率为〜0.85）进行测量，实测Rrs使用GER 1500光谱仪（Spectra Vista 公司，美国），详见Shang等人（Shang等，2011; Shang等，2014）。
对原始分辨率（约1平方公里）的MODIS Rrs数据（二级）和实测的Rrs以及Zsd进行匹配。由于频繁而巨大的云覆盖在研究区域，很难严格遵循Bailey和Werdell（2006）推荐的方法。为了获取更多的匹配数据用于统计分析，时间差距被放宽到le;6小时，但空间窗口没有被放宽（即，以实测数据的位置为中心来检索MODIS数据），并且研究区域延伸到邻近的黄海（12个站）。最后，共匹配了20个站位（参见图2，这些匹配站位的位置）。为了统计评估，按照普遍的标准（例如，Hooker等，2002; Lee，2006;Meacute;linet 等，2007; Moore等人，2009），计算出三个指标作为实测数据（f）和卫星数据产品之间的一致性的度量。这些标准是一对数据组间相关系数（r），对数标度下的均方根误差（RMSE）和平均无偏差百分比差（ε）：
（2）
（3）
其中n是匹配的观测站位的总数。
在对分析推导出的MODIS Zsd评估之前，我们先评估了BHS和YS中标准的2级每日MODIS Rrs产品的数据质量。我们发现该研究区域的最新MODIS Rrs具有高质量（图3），在MODIS水色波段（412-667 nm）中RMSE范围在0.051和0.197之间，与其他海和开放海洋中发现的相似（例如Antoine等，2008; Bailey等，2010; Chaves等，2015;Meacute;lin等，2007）。
按照Lee等人（2015）的描述，将每日的MODIS Rrs带入最新版本的QAA（v6，Lee等，2015，http://www.ioccg.org/groups/software.html）得出MODIS波段的总吸收和反向散射系数。基于半分析模型（Lee 等人，2013）将这些固有光学特性进一步转换为每个采样站观测时的太阳角下的漫射衰减系数（Kd），并且确定每个采样站的MODIS波段中Kd的最小值。然后，根据等式 （1）算出Zsd，再进一步与匹配的实测值相比。结果为Zsd在2〜12m范围内，且RMSE为0.126，ε为23％（图4）。 这给了基于使用这种新的机械算法得出的MODIS Zsd时间序列来检验渤
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