基于衛星遙感觀(guān)測的藻類(lèi)水華時(shí)空變化和驅動(dòng)機制取得系列研究進(jìn)展
在流域高強度人類(lèi)活動(dòng)的影響下，全球絕大多數湖庫面臨著(zhù)不同程度的水體富營(yíng)養化問(wèn)題。水體富營(yíng)養化最為嚴重的后果是湖庫生態(tài)系統退化，表現為草型生態(tài)系統退化、藻型生態(tài)系統擴張、藻類(lèi)水華頻發(fā)暴發(fā)，而全球氣候變化又進(jìn)一步加劇了湖庫藻類(lèi)水華及其災害。近30年全球68%的湖泊藻類(lèi)水華的暴發(fā)強度、暴發(fā)規模和暴發(fā)頻次均呈顯著(zhù)上升趨勢。太湖、巢湖、滇池等標志性湖泊遭受藍藻水華的長(cháng)期困擾，而近年來(lái)洱海、丹江口、白洋淀、三峽水庫等水體的藻類(lèi)水華問(wèn)題也日益凸顯，我國已經(jīng)成為全球水體富營(yíng)養化程度最嚴重，藻類(lèi)水華暴發(fā)頻率最高、分布最廣的國家之一，對水源地飲用水安全、區域生態(tài)環(huán)境和人民的生命健康構成了巨大威脅。盡管經(jīng)過(guò)數年的環(huán)境治理，但我國藻類(lèi)水華并未有明顯好轉，其根本原因在于目前對藻類(lèi)水華暴發(fā)成因和機制的認識依舊不足。
衛星遙感具有快速、大范圍、周期性的特點(diǎn)，已經(jīng)成為湖泊藍藻水華監測和預測預警不可或缺的技術(shù)手段。本研究工作充分利用遙感觀(guān)測時(shí)空大尺度的優(yōu)勢，結合地面定位監測等技術(shù)方法，在衛星時(shí)間分辨率對藻類(lèi)水華遙感提取的影響、風(fēng)速對藻類(lèi)水華時(shí)空分布的影響以及藻總量對氣候變化的響應三個(gè)方面取得了一系列重要進(jìn)展。
藻類(lèi)在水體中垂向分布異質(zhì)且變化迅速，衛星時(shí)間分辨率差異對于準確捕捉湖泊浮游植物水華時(shí)空變化特征至關(guān)重要。研究基于2001-2020年太湖藻類(lèi)水華MODIS監測數據，生成時(shí)間分辨率為2天至30天的藻類(lèi)水華模擬數據集。利用多種統計學(xué)方法，揭示了不同時(shí)間分辨率的藻類(lèi)水華時(shí)空變化趨勢的差異及其對氣候因素的響應；并從日、月和年的尺度上分別量化了上述差異與時(shí)間分辨率之間的關(guān)系。研究表明，從基于不同時(shí)間分辨率的模擬數據集得出的藻類(lèi)水華時(shí)空變化趨勢存在顯著(zhù)的不一致性；隨著(zhù)時(shí)間分辨率降低，基于模擬數據集的水華面積與MODIS藻類(lèi)水華面積之間的關(guān)系逐漸減弱；藻類(lèi)水華對氣候因子的響應也隨時(shí)間分辨率在日、月和年尺度上的變化而變化。上述基于模擬數據的結論也得到了太湖、巢湖和滇池的MODIS、Landsat系列以及Sentinel衛星藻華監測數據的驗證。研究結果不推薦基于低時(shí)間分辨率的衛星數據來(lái)揭示長(cháng)期的藻類(lèi)水華動(dòng)態(tài)，建議選用靜止軌道衛星數據以及時(shí)間分辨率小于3天的衛星數據開(kāi)展湖泊藻華日常遙感監測。
風(fēng)速是氣候變化對東亞大氣環(huán)流的顯著(zhù)影響因素。盡管風(fēng)并不是富營(yíng)養化湖泊藻類(lèi)生長(cháng)的主要環(huán)境因子，但直接影響著(zhù)藻華的發(fā)生強度和規模。本研究以中國三大典型富營(yíng)養化湖泊（太湖、巢湖和滇池）為研究區，基于2000-2018年MODIS衛星遙感影像，定量評估了風(fēng)對三大湖泊藍藻水華發(fā)生規模的影響，明確了富營(yíng)養化內陸湖泊發(fā)生藻華（藻華面積/水域面積＞4%）的風(fēng)速閾值，解析了風(fēng)速季節性變化與藻華發(fā)生周期的關(guān)系，深化了風(fēng)通過(guò)水動(dòng)力場(chǎng)藻類(lèi)的空間分布格局影響的認識。研究表明：（1）三個(gè)湖泊風(fēng)速及藍藻水華發(fā)生規模變化規律差異顯著(zhù)，這與三個(gè)湖泊的地理位置以及常年季風(fēng)類(lèi)型差異密切相關(guān)；（2）風(fēng)速和藻華面積的月均值呈現顯著(zhù)負相關(guān)；當風(fēng)速<3m/s，藻華面積與風(fēng)速的關(guān)系為顯著(zhù)的線(xiàn)性負相關(guān)(r = 0.928~0.962, p < 0.01)；（3）風(fēng)速3m/s被認為是發(fā)生藻華（藻華面積/水域面積＞4%）的閾值；（4）三個(gè)湖泊不同月份風(fēng)速與藻華規模的相關(guān)性比較類(lèi)似，尤其是在每年的5-9月份，三個(gè)湖泊的風(fēng)速均與藻華規模呈現顯著(zhù)的負相關(guān)，且溫度較高的月份，負相關(guān)越強；（5）風(fēng)速和風(fēng)向是形成不同水動(dòng)力場(chǎng)的主導因素之一，基于水動(dòng)力場(chǎng)的散度場(chǎng)直接影響著(zhù)藻華的空間分布格局。
富營(yíng)養化湖泊藻類(lèi)垂向分布非均勻性，造成采用水體表層葉綠素a濃度無(wú)法準確、科學(xué)地表征湖泊藻總量時(shí)空分布。水柱內的藻總量因為可以真實(shí)反映水柱內的藻類(lèi)含量信息，成為代表水體中藻量信息的新指標。該研究以巢湖為研究區，基于2000-2018年MODIS衛星遙感影像，重構了2000-2018年巢湖藻總量長(cháng)時(shí)序數據，解析了巢湖藻總量時(shí)空變化規律，定量評估了氣候變化因子對巢湖藻總量時(shí)空變化的影響，深化了風(fēng)通過(guò)水動(dòng)力場(chǎng)對藻總量的空間分布格局影響的認識。研究表明：（1）巢湖全湖藻總量2000-2018年每年以0.569t Chla速率呈現逐漸增長(cháng)的趨勢；（2）巢湖全湖藻總量呈現雙峰年際變化模式；（3）巢湖單元水柱藻總量呈現西部湖區最高，尤其西部湖區的北部沿岸帶，東部和中部湖區的中部區域相對較低；（4）單元水柱藻總量對月際、年際尺度上溫度變化響應比較敏感，而風(fēng)速則直接影響著(zhù)每日的單元水柱藻總量的空間分布格局，較高的溫度和偏低的風(fēng)速促進(jìn)了湖泊中浮游藻類(lèi)的生長(cháng)，風(fēng)則通過(guò)湖泊的水動(dòng)力過(guò)程對藻總量空間分布細節產(chǎn)生直接影響；（5）隨著(zhù)氣候變化的加劇，巢湖富營(yíng)養化狀況將面臨著(zhù)更多的挑戰。
相關(guān)研究成果發(fā)表在國際權威期刊ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, Remote Sensing, Water Research。研究得到國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、碳專(zhuān)項項目和面上項目，中國科學(xué)院科學(xué)儀器研發(fā)項目，以及南京地理與湖泊研究所青年科學(xué)家小組等項目的聯(lián)合資助。
https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2022.07.017
https://doi.org/10.3390/rs13040800
https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117786