卫星遥感珊瑚礁白化概述

卫星遥感珊瑚礁白化概述 卫星遥感珊瑚礁白化概述 第29卷第9期 2009年9月 生态 ACTAEC0L0GICASINICA Vo1.29.No.9 Sep.,2009 卫星遥感珊瑚礁白化概述 潘艳丽,唐丹玲', (1.遥感与海洋生态环境研究中心(RSMEE),热带海洋环境动力学中国科学院重点支验室,中国科学院南海海洋研究所,广州510301 2中国科学院研究生院,北京100049) 摘要:珊瑚礁白化是由于珊瑚失去体内共生的虫黄藻或者共生的虫黄藻失去体内色素而导致五彩缤纷的珊瑚礁变白的现象,严 重的白化可以带来珊瑚礁的死亡.国内外研究明海水温度升高和珊瑚礁fLj化关系最为紧密.卫星遥感能够提供大范围,同 步与连续的海洋数据,如海水表层温度和海色数据,从而能够及时监测和预测珊瑚礁的白化.基于AVHRR(AdvancedVery HighResolutionRadiometer),NOAA(NationalOceanicandAtmosphericAdministration, US)开发了全球监测珊瑚礁白化的方法,热 点(HotSpot)和周热度(DHW)两种主要指数.目前,我国珊瑚礁白化现象的监测和研究明显滞后于国际动态,迫切需要发展和 利用星遥感的方法监测南海珊瑚礁白化状况. 关键词:珊瑚礁门化;卫星遥感;热点;周热度;海水表层温度 文章编号:1000.0933(2009)09—5076.05中图分类号:Q178文献标识码:A Generalintroductiontosatelliteremotesensingofcoralreefbleaching PANYan—Li'.TANGDan.Ling'' 1ResearchCenterofRemoteSensingofMarineEcology~Environment(RSMEE),LaboratoryofTropicalMarineEnvironmentalDynamics(LED),South ChinaSeaInstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Gaangzhou510301,China 2TheGraduateSchoolofChineseAcademyofSciences,Bering100039,China ActaEcologicaSinica,2009,29(9):5076—5080. Abstract:Coralreefbleaching,theecologicalphenomenonofwhiteningofreefs,resultfromthelossofsymbiotic zooxanthellaeand/orareductioninphotosyntheticpigmentconcentrationsinzooxanthellaeresidingwithinthegastrodermal tissuesofhostanimals,anddeathofcoralreefcouldbecausedbyseriousbleaching.Evidencesshowthathighseasurface temperature(SST)havecloserelationshipwithcoralreefbleaching.RemotesensingtechnologycanprovideSSTandocean colordatawithlargecoverageinbothspaceandtime,andSSTdatacanbeappliedinmonitoringandforecastingcoral bleaching.BasedonAdvancedVeryHighResolutionRadiometer(AVHRR),NationalOceanicandAtmospheric Administration(NOAA)hasdevelopedsomeremotesensingtechniquesandproductstomonitorglobalcoralbleaching, HotSpotandDHWaretwomostimportantproductsamongthem.ResearchoncoralbleachinginChinaisbehindhandinthe world,thatcallsmoreintensivestudiesoncoralbleachingusingsatelliteremotesensing. KeyWords:coralreefbleaching;satelliteremotesensing;HotSpot;DHW;SST 珊瑚礁被誉为"蓝色沙漠中的绿洲",是海洋中非常独特的生态系统,生活在珊瑚礁 区的物种异常丰富. 20世纪90年代以来全球珊瑚礁持续衰退,除了受到异常气候(如厄尔尼诺)的影响 外,全球气候变暖的趋势 也给珊瑚礁的生长带来了不利影响.珊瑚礁白化是由于珊瑚失去体内共生的虫黄 藻或者共生的虫黄藻失去 基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向资助项目(kzcx2-yw一226);中国科学院,国家外国专家局创新团队国际合作伙伴资助项目;中 国科学院南海研究所知识创新领域前沿资助项目(LYQY200701);广东省自然科学基金团队资助项目(8351030101000002) 收稿日期:2008—05?06;修订日期:2009—04—08 $通讯作者Correspondingauthor.E—mail:lingzistdl@126corll(DLTANG),;Yanli79@tom.con 9期潘艳丽等:卫星遥感珊瑚礁白化概述 体内色素而导致五彩缤纷的珊瑚礁变白的现象.珊瑚礁白化引起珊瑚礁死亡的报道最早出现于20世纪80 年代J,此后又有类似的珊瑚礁白化事件的报道.5_,不断有证据表明珊瑚礁白化的时间频率和强度有不断 增加的趋势.虽然造成珊瑚礁白化的原因有很多,例如:过低的海水温度,淡水的流入_1,病菌的腐 蚀"等等因素,但是海水温度的异常升高目前被认为是珊瑚礁大面积白化事件发生的最主要原因?Hj. 卫星遥感的方法除了可以研究珊瑚礁的地貌特征?还可以研究珊瑚礁的生长环境特点包括海水表面温 度,叶绿素,悬浮物,降雨量和太阳辐射等,目前研究珊瑚礁常用的卫星遥感器通常有以下3类:(1)中分辨率 多光谱卫 星:LandsatTM(ThematicMapper),SPOT(SystemeProbatoiredeI'ObservationsdelaTerre ),IRS( IndianRemoteSensingSatellite),这3种卫星可以观测珊瑚礁的地貌,确定浅水礁石地位置,对珊瑚礁种类(5 种以内)进行区分,对珊瑚礁在水下的深度进行测量,还可以研究珊瑚礁海域地叶绿素浓度,有害藻类以及悬 浮物等方面;(2)卫星辐射 计:AVHRR(AdvancedVeryHighResolutionRadiometer),ATSR(Along—TrackScanning RadiometerandAdvancedAlong—TrackScanningRadiometer),它们可以研究珊瑚礁海区的海面温度,紫外辐射, 云层覆盖以及悬浮物和海水环流等状况;(3)低分辨率多光谱卫星遥感器:SeaWiFS(SeaWideField.of-view Sensor),MODIS(ModerateResolutionImagingSpectroradiometer),主要可以研究珊瑚礁生长的海水温度,叶绿素 浓度,有害藻类,悬浮物以及海洋环流和沿岸环流等. 1遥感研究珊瑚礁的进展 遥感研究珊瑚礁的报道最早见于1977年的ICRS(TheInternationalCoralReefSymposium)3,Hopley和 Steveninck193用空中红外摄影术研究珊瑚礁,发现珊瑚礁对红外线的反射率取决于与其共生的虫黄藻的浓 度.Armstrong在1981年的ICRS4会议录里发表了遥感研究珊瑚礁的文章,他在1936,1951,1963,1971, 1978和1979年对波多黎哥的珊瑚礁进行空中摄影,并且对珊瑚礁进行了实地考察,然后把二者比对,结果发 现有两个区域的珊瑚礁在43a内发生了很大的变化.Armstrong指出用空中摄影的方法可以记录珊瑚礁的覆 盖率等信息,这些信息非常有用,如果将来珊瑚礁由于受到人类的影响或者自然灾害而退化时,这些信息就提 供了参照,用以估计珊瑚礁受损的程度. 从1985年开始有了用卫星遥感的方法研究珊瑚礁的报道.Pirazzoli'?对珊瑚礁的研究基于Landsa~,他 把实测的珊瑚礁区水深和由Landsat记录的水深值进行比对,绘出详细的珊瑚礁的水深图.Bainbridge_2对 LandsatMSS和SPOTXS的珊瑚礁图像进行信息准确度的评估,结果表明SPOTXS 珊瑚礁的有关数据和实地 实测数据有很高的吻合性,LandsatMSS的表现要差一些,这与两个遥感器的空间分辨率有关,SPOTXS的分 辨率更高一些.在国内近几年也出现了卫星遥感为手段研究珊瑚礁的报道,侧重点是解译卫星数据得到珊瑚 礁图片,进而对珊瑚礁的地貌等信息进行研究?. 1996举行的ICRS8会议上出现了遥感水温的方法研究珊瑚礁白化的报道,Strong_2发现当海水表面温 度超过月平均最高温度1oC时,珊瑚礁白化就会出现,提供海水表面温度数据库的遥感器是AVHRR.值得注 意的是Strong的这篇报道只是用遥感海水表层温度研究珊瑚礁白化的一个开始,1997,1998年的厄尔尼诺 效应带来的全球海水温度的升高造成了全球各地珊瑚礁的大面积白化,从而引起了科学家对珊瑚礁白化与海 水温度关系的持续关注和深入研究,目前监测水温成为预测珊瑚礁白化的有效方法.在一般情况下,区域海 面温度大于该区平均夏季最高温度1?,持续时间达到数天或者数星期,就会导致珊瑚礁白化的发生. 2卫星遥感研究珊瑚礁白化的方法 早于1997年,NOAA(NationalOceanicandAtmosphereAdministration)/NESDIS(NationalEnviro nmentalSat— ellite,Data,andInformationService)就开始研发遥感卫星全球50kin分辨率的珊瑚礁白化温度产品白化热点 (HotSpot)和周热度(DegreeHealengWeeks,DHW),把它们作为研究与珊瑚礁白化有关的海水温度压力 (ThermalPress)的指数8_.产品基于AVHRR接收的遥感数据(),主要依据HotSpot和DHW来判断珊瑚礁的健康状态,也即 判断珊瑚是否发生白化以 及白化的级别.目前,越来越多的科学家用这些产品来研究本国乃至全球的珊瑚礁,澳大利亚科学家用它们 5078生态 来研究2002年大堡礁的白化现象,对比了现场观测数据和卫星数据,结论是HotSpot和DHW能成功地监测 2002年大堡礁海域的温度异常,可以对大堡礁的白化提前预警.目前,HotSpot和DHW逐渐被证明可以 对大范围珊瑚礁白化的发生提供成功率相当高的预测]. 2.1珊瑚白化热点(CoralBleachingHotSpots): 热点HotSpot(cIC)是基于50km分辨率夜间温度和最大月平均温度计算得来_3,公式如下: HotSpots=SST— analysis—SST— interpolated— MMM MMM:最大月平均温度值(maximummonthlymeanclimatology) SST_ interpmated— MMM= 等+6l 式中,SST—analysis为50km分辨率夜间温度,该数据每周发布两次,D…为采集SST—analysis的日期, D.为采集SST—analysis的当月的15号(采集时间晚于l5号时)或者上个月的15号(采集时间早于l5号 时),b为采集SST—analysis当前月的(采集时问晚于15号时)或者前一个月(采集时间早于15号时)的月平 均温度值,b为采集SST—analysis当月的(采集时间早于15号时)或者下个月的(采 集时间晚于15号时)月平 均温度值,D.为b.数据发布的日期,D:为b数据发布的日期. 2.2珊瑚礁白化周热度(DegreeHeatingWeeks) DHW=0.5?HWH.,(当HWH?1?时) 式中,HWH为半周热点(half-weeklyHotSpot),即以半周为时间分辨率计算的热点. 周热度DHW是指珊瑚礁在3个月内承受的热应力的累积,一个DHW(单位:cIC周)表示温度超过 MMM1oC的时间为一个星期,两个DHW表示温度超过MMM1?的时间为两个星期,或者温度超过MMM2~C的 时间为一个星期,以此类推.根据对一些珊瑚礁白化事件的现场观察(包括1998全球大范围的白化现象), 当DHW达到4时相当比例的特殊珊瑚虫种类会开始白化,当DHW达到8时,大部分珊瑚种类会白化并同时 伴随着大面积的死亡. 2.3珊瑚礁白化预警系统 NOAACRW(CoralReefWatch)开发了"珊瑚礁 卫星白化预警系统(SatelliteBleachingAlert,SBA)", SBA系统的运作始于2005年7月,该系统可以提供 实时信息,为珊瑚礁管理者,科学家和对珊瑚礁的现 状比较热心的人们提供了研究珊瑚礁的有效工具. 珊瑚礁白化预警级别共有5个(表1). 3卫星遥感监测中国南海珊瑚礁白化的迫切性 我国的珊瑚礁资源丰富,是位于印度尼西亚,澳 大利亚,菲律宾,法国(包括位于赤道附近的一些珊瑚 礁资源很丰富的附属小国),巴布新几内亚,斐济,马 尔代夫之后的世界第八位,但是我国对珊瑚礁的重视 程度却相当之低,对于珊瑚礁白化现象的监测和研究 都明显滞后于国际动态.国内虽然有珊瑚礁白化的 表1珊瑚礁白化预警 Table1SatelliteBleachingAlertlevelsofcoralreefs 珊瑚礁白化 预警级别 CoralReefBleaching AlertLevel 警报标准 AlertCriterion 无危险NoStress 白化监视 BleachingWatch 白化警告 BleachingWarning 白化警报级别1 BleachingAlertLevel1 白化警报级别2 BleachingAlertLevel2 HotSpot?O 0<HotSpot<1 l?HotSpotand0<DHW<4 1?HotSpotand4?DHW<8 1?HotSpotandDHWI>8 零星报道,但一般都是以新闻的形式,鲜见严谨的研究文章,但是这并不意味着没有必要研究我国珊瑚礁的白 化,根据我国珊瑚礁科学家对南沙群岛,海南三亚以及雷州半岛等礁区的考查经验看,珊瑚礁白化在这些地方 发生的可能性存在,目前的难题是用什么样科学有效的方法去深入研究它.在"Statusofeoralreefsofthe world"的系列着作中,依照区域(国家)对全世界珊瑚礁的健康状况进行定期报道,我国南沙群岛,也称 Spratlys(spratlyislands),被划规在东南亚珊瑚礁区,菲律宾,马来西亚和越南的珊瑚 礁白化报道中出现了我 9期潘艳丽等:卫星遥感珊瑚礁白化概述5079 国南沙群岛部分岛礁的珊瑚礁白化情况,例如在"Statusofcoralreefsoftheworld,1998"中,记载了我国中 业岛(菲律宾称为Pag—asaIsland)的珊瑚礁从1998年7月中旬开始发生白化. 对珊瑚礁进行野外实地考察需要人力,物力以及大量的经费投入,我国南海的珊瑚礁岛礁众多,被分为五 个礁区,共有上百个岛礁,尤其是南沙群岛距离我国大陆十分遥远,致使对珊瑚礁的研究受到诸多限制,所 以迫切需要引进和发展新的技术.卫星遥感的优点是能够提供大范围,同步与连续的海洋数据并且成本较 低,许多遥感卫星都可以提供连续实时的海洋表层水温数据,由这些数据可以进一步得到预测珊瑚礁白化的 指标,目前是热点(HotSpot)和周热度(DHW).综上所述用卫星遥感监控和预测我国珊瑚礁生态状况,是完 全可行的 References: [1] [2] [3] [4] [10] [11] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] 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