浒苔(Ulva. Prolifera)属绿藻门石蒓科，广泛分布于河口和滩涂等生境中，对光照强度、盐度和海水温度等条件适应范围广，繁殖能力强。浒苔等大型藻类在一定时期内爆发性增殖和大规模漂移聚集形成一种海洋生态异常现象，称为绿潮。绿潮爆发突然、强度大、分布面积广，自2008年至今，我国已连续8 a爆发绿潮灾害，对海洋渔业、旅游业和交通运输业等相关产业都造成了巨大的影响，为了减小和避免浒苔爆发带来的不利影响，需要对浒苔时空变化特征进行大范围的监测和预警^[1-2]。

目前，一些学者已就浒苔发生和发展规律，在不同海域进行了大量的研究，取得了较多研究成果。其中，吴玲娟等^[3]、Keesing J K等^[4]分别根据监测到的浒苔信息分析了浒苔的成因，并采用数值模拟的方法追溯浒苔来源，发现浒苔灾害主要来源于黄海南部江苏连云港和盐城近海海域大规模的紫菜养殖区，李德萍等^[5]、李曰嵩等^[6]通过分析浒苔爆发时期遥感监测信息和海面风场监测资料发现海洋环境对浒苔的发生具有重要作用，吴孟泉等^[7]、宋晓丽等^[8]分析了多年的浒苔时空分布信息，发现浒苔灾害的发生时间为5~8月，重灾区在山东半岛中段沿岸，高松等^[9]、郑向阳等^[10]通过模拟浒苔灾害的漂移路径，发现受到海面风和表层流的影响，移动路径每年不同，黄娟等^[11]分析了多年的卫星监测资料发现浒苔总体向北漂移，还有一些学者对多源数据浒苔信息提取方法^[12-15]进行了一系列研究和评价。但是以上文献多从海洋环境角度分析浒苔灾害的分布特征，却忽略了浒苔自身的生长趋势对它们的影响，而且逐年连续观测并分析浒苔来源、漂移路径及繁殖扩张分布规律的研究较少。本研究试图从浒苔生长周期的角度，利用MODIS遥感数据获取2008~2015年间的浒苔灾害信息，逐年探讨浒苔每个生命阶段的繁殖扩张分布规律，为进一步预测浒苔灾害的发生和发展提供基础信息和科学依据。

1   材料与方法

1.1   数据来源

MODIS(中分辨率成像光谱仪)具有36个光学通道，实现了从0.4 μm(可见光)到14.4 μm(热红外)全光谱覆盖，搭载在Terra和Aqua两颗卫星上每天过境2次，每2 d实现一次全球观测。MODIS数据具有1000 m、500 m、250 m三种不同分辨率，其中，250 m的产品涵盖了红外和近红外2个通道，可以应用于云、植物和土地覆盖等领域。MODIS数据的这些特性，有利于连续、大面积的获取浒苔信息，监测浒苔爆发情况。本研究所用数据均来自NASA数据共享网站，根据浒苔繁殖生长特征，主要选择2008年~2015年共8 a为研究周期，获取每年5月至8月无云或少云的MODIS 1B级数据为数据源，并进行了几何校正和辐射校正，表 1为研究所用MODIS数据的时间信息。

表  1  MODIS数据时相信息

Tab.  1  Time information of MODIS data

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1.2   研究方法

浒苔在海面上大面积聚集，叶绿素含量较高，含有浒苔的水体与陆地植被在可见光~近红外波段的光谱曲线极其相似，因此可以把浒苔看成是含有大量水体的健康绿色植被，运用归一化植被指数法或比值植被指数法提取出它的分布信息。刘振宇等^[16]分别对比了这两种方法发现比值植被指数法提取的浒苔信息阈值范围较大，可以更好地剔除云的影响，因此本文选取空间分辨率较高的250 m的数据产品采用比值植被指数法提取浒苔信息。

其中:R_NIR、R_RED分别为近红外、红光波段的反射率。批量计算出RVI后，为了避免浒苔与水体的光谱混合现象，尽可能完整的提取出浒苔信息，本文将MODIS 1B数据第二波段、第一波段和第三波段生成的RGB假彩色合成图像作为参考，与通过不同阈值分割提取的浒苔二值图进行对比验证，确定合适的阈值，提取浒苔信息。虽然各影像因水体环境等因素不同，阈值不同，但通过实验发现，浒苔的RVI阈值约为0.8。将提取出的浒苔信息与分辨率为30 m的Landsat影像提取的浒苔信息进行比较，进一步验证浒苔提取信息的精度，结果表明MODIS影像提取的覆盖面积受分辨率和生命周期影响较大，但利用ArcGIS提取的浒苔灾害的辐射影响范围约为Landsat影像提取的影响范围的1.12倍，符合研究的精度要求。

图  1  流程图

Fig.  1  Flow chart

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将最终确定的浒苔覆盖信息导入到ArcGIS中，利用ArcGIS软件提取每年首次监测到的浒苔出现的位置，计算浒苔分布范围的几何中心、影响范围和影响面积，并根据浒苔的覆盖面积和影响面积计算出聚集度，对浒苔的漂移路径和扩张规律进行量化研究，分析浒苔时空变化特征和规律。

2   结果与讨论

2.1   浒苔发生初期空间分布特点

统计分析历年MODIS数据首次监测得到的浒苔信息(图 2)，可以发现，浒苔首次被MODIS数据监测得到的时间为每年的5月中旬到6月上旬，其中，2013年发现时间最早，为5月11日，2009年发现时间最晚，为6月7日。利用MODIS数据首次监测到的浒苔灾害主要发生在黄海南部江苏盐城和长江口附近海域(120.5°~125.0°E，31.0°~35.0°N)，或聚集或松散，形状较为狭长。覆盖面积2015年最小，为0.45 km²，2008、2013年最大，为110 km²，其余各年首次监测得到浒苔的覆盖面积在20~60 km²之间。影响面积2009年最小，为85 km²，2008年最大，为2453 km²其余各年首次监测得到浒苔的影响面积在280~1040 km²之间。

图  2  2008~2015年首次浒苔被遥感影像监测到的分布信息

Fig.  2  The distribution of Ulva. Prolifera when it is recogonized by satellite images for the first time from 2008 to 2015

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2.2   浒苔灾害漂移趋势分析

利用MODIS数据监测浒苔信息，由监测结果发现浒苔会经过“出现~发展~爆发~治理~消亡”的生命过程^[17]。获取每年浒苔出现、发展、爆发、治理阶段空间分布范围的几何中心，利用浒苔灾害影响范围几何中心的位置分析其漂移趋势特征如图 3。

图  3  2008~2015年浒苔生长及漂移趋势

Fig.  3  The drifting trend and time series distribution of Ulva. Prolifera from 2008 to 2015

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由图可以看出，2008~2015年间，浒苔从发展到消亡阶段漂移路径主要集中在34°~36°N，122°~124°E区域内，辐射影响范围包括盐城、连云港、日照、潍坊、青岛、烟台及附近海域。从2008年起浒苔最初被MODIS数据监测到时均出现在江苏盐城市北部和长江口附近海域，随着浒苔的生长和爆发，浒苔均会先向西北漂移至苏北外海海域，然后再进入黄海。其中，利用MODIS数据首次监测到的浒苔斑块出现在盐城市北部外海海域的2008年、2009年、2011年、2015年，浒苔斑块和其影响范围的几何中心向北偏东方向移动，而出现在长江入海口附近海域的2010年、2012年、2013年、2014年，浒苔斑块和其影响范围的几何中心向北偏西方向移动。因此，首次监测到的浒苔斑块位置相似的年份漂移路径趋势相似。

同时，浒苔灾害影响范围的漂移路径具有年际变化特征，2008年与2011年浒苔先由盐城海域东北方移动至日照及附近海域，然后向西北方向移动影响青岛海域，继续向北漂移直至消亡，其中，2008年浒苔分布比2011年更靠近青岛海域，对青岛海域造成了巨大的影响。而2009年与2008年完全不同，浒苔漂移过程绕开了青岛沿岸，未给青岛带来损失。2010年浒苔先从盐城外海向西靠近江苏沿岸，然后向北影响日照、青岛，最终消亡。2012年、2013年移动路径相似，都是由盐城与南通的外海区域先向西北移动到江苏与山东交界海域，然后向东北方向移动，影响青岛及附近海域，2013年更偏向西。2014年浒苔一路向东北漂移，并未对中国海沿岸造成损失与影响，2015年与2008年相似，但在向西北侵袭青岛之后便转向东北方向。进入治理期之后，由于人为干扰和生境变化等因素，移动路径难以估计规律。

2.3   浒苔灾害空间分布年际变化特征分析

将遥感影像提取的浒苔分布信息，利用ArcGIS进行面积计算和空间叠加分析，得到浒苔灾害8 a间的空间分布年际变化特征。可以看出浒苔灾害从出现到发展阶段，其斑块主要的发展趋势表现为由南向北汇聚和生长，除有些年份初期阶段会表现整体的漂移现象，总体的发展规律表现为由南向北的扩张趋势，但是扩张的强度和具体位置有所区别。

由图 3可以看出，2008年、2009年、2010年和2015年，浒苔灾害由南向北生长和扩张，即由盐城方向向青岛及周边海域聚集和发展。其中，2008年6月29日前后浒苔覆盖面积达到最大2050 km²，影响范围达到21135 km²，波及盐城、连云港、日照和青岛。2010年和2015年，浒苔灾害向青岛、日照海域聚集和发展的同时，又向东南部大面积聚集和发展，影响连云港、盐城市海域。其中，2010年7月7日左右，浒苔覆盖面积虽然只有667 km²，但影响面积已达538 08 km²，是历年来浒苔爆发时期最大影响面积。

2011、2012、2013、2014年表现出与以上4年不同的生长规律，浒苔灾害在发生的初期，生长的同时也在短时间内整体向北漂移，其中2012、2013、2014年浒苔斑块由长江入海口附近海域迅速整体漂移至连云港附近海域，2011年在发生的初期，狭长浒苔斑块分别分布在盐城北部海域和连云港外海海域。

所以，从浒苔最初出现到爆发阶段，虽然浒苔灾害影响范围的几何中心整体向北移动，浒苔斑块总体表现为向北部聚集、生长和扩张的趋势，但整个黄海海域浒苔灾害出现的海域附近沿岸一直受到灾害的侵袭和影响。因此，根据现有的基于海面风场的浒苔灾害预报模式，结合浒苔斑块的生长、扩张趋势可以更准确的预报浒苔灾害的发生和影响。而当浒苔进入治理期后，由于治理和生境变化的不同，浒苔灾害的空间分布变化特征难以估计。

2.4   聚集度变化特征分析

浒苔在生长、爆发和消亡的过程中，其覆盖密度特征也在发生变化，比如2014年6月24日(浒苔灾害爆发时期)和2014年7月11日(浒苔灾害治理时期)，它们的浒苔覆盖面积分别是561 km²和558 km²，但2014年7月11日的浒苔影响面积要远大于2014年6月24日的面积，表明该时期虽然影响范围增大，但密度降低。本研究利用浒苔分布聚集度这一参数对2008~2015年研究区浒苔灾害的覆盖密度特征进行研究，如图 4为2015年不同时期浒苔聚集度变化图。

图  4  浒苔聚集度变化

Fig.  4  The change of Ulva. Prolifera covering desity

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可以看出在整个浒苔的生命周期中，浒苔最初出现时密度小，在浒苔的生长阶段，随着浒苔生长速度加快，小斑块浒苔不断聚集，浒苔大面积扩张的同时，其密度也很快增大，随后，浒苔不断的繁殖填充和扩张，聚集度增大直至达到浒苔爆发高峰时期，覆盖密度也达到最大值。当浒苔进入治理阶段，由于人工干预拦截、捕捞和生境变化的影响，浒苔数量减少，分布松散，因此覆盖密度不断减小直至浒苔完全消失。

3   结论

(1) 通过卫星数据监测到浒苔最早爆发时间在5月中旬到6月上旬之间，最初监测得到的浒苔信息主要集中分布在江苏省盐城市北部和长江口附近海域，影响区域形状狭长。

(2) 从2008年起浒苔最初均出现在江苏盐城市北部和长江口附近海域，随着浒苔的生长和爆发，浒苔均会先向西北漂移至苏北外海海域，然后再进入黄海，具有明显的年际变化规律。其中，最初出现在同一区域的浒苔，在该阶段漂移路径相似。

(3) 浒苔斑块在发现初期有些年份会表现出整体向北漂移的现象，在生长过程中，虽然空间分布状态在海面风场、流场等环境因素的作用下整体由南向北生长和漂移，但浒苔斑块的汇聚和扩张依旧影响灾害出现和生长的整个海域，是浒苔灾害分布的重要因素。

(4) 在生长和爆发阶段，浒苔灾害的聚集度随着生命阶段的不同而发生变化，进入治理期后，虽然空间分布特征难以估计，但覆盖密度不断减小直至浒苔完全消失。

本文分析了连续8 a浒苔的出现时间、覆盖面积、影响范围和漂移路径信息，确定了浒苔发展变化趋势，为浒苔的长期监测和防治提供了数据信息支持。