墨西哥湾东北部浮游植物垂直迁移的VIIRS影像捕捉外文翻译资料

 2023-01-09 14:59:43

本科毕业设计（论文）

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墨西哥湾东北部浮游植物垂直迁移的VIIRS影像捕捉

作者：齐琳，胡传民，布莱恩.B.巴恩斯，李忠平

国籍：中国,中国，美国，美国

出处：赤潮藻

摘要：

2014年夏季，墨西哥湾东北部爆发了毒性腰鞭毛藻赤潮（赤潮），在此期间，通过无人机观测到腰鞭毛藻的垂直迁移。目前的研究表明，从可见光红外成像辐射仪（VIIRS）的卫星观测可以捕获2小时内发生的地表反射率和叶绿素浓度的变化，这可能归因于腰鞭毛藻的垂直迁移。这一论点得到了早期滑翔机测量、VIIRS衍生的表面叶绿素的显著变化以及短期反射变化与实地测量的腰鞭毛藻垂直迁移早期报告的一致性支持。使用准分析算法得到的结果也表明，两小时内总吸收系数和后向散射系数都有显著增加。因此，单极轨道卫星传感器一天两次的观测结果能够在短时间内推断浮游植物的垂直运动，由于其他传感器每天最多只能提供一次观测，因此很难用其他传感器捕捉到一现象，且交叉传感器的不一致性可能会增加合并传感器数据的困难。这些发现都有力地证明了对地静止卫星在研究短期赤潮动力学中的价值。

1、背景

腰鞭毛藻是引起墨西哥湾赤潮事件的最常见的有毒藻类，它会随着昼夜循环垂直迁移，以最大限度地利用光和营养物质。这种现象在实验室培养中已经被观察和研究了很多次。(Heil, 1986; McKay et al., 2006; Schaeffer et al., 2009; Levandowsky and Kaneta, 1987; Hand et al., 1965; Hunte, 1986; Kamykowski and Mccollum, 1986; Kamykowski et al., 1988, 1992)并且在现场中也出现这种现象(Kerfoot et al., 2004; Schofield et al., 2006)。然而，在实验室受控环境下研究过程中并不一定能完全还原实际环境条件，此外，垂直偏移现象的现场测量仅记录了腰鞭毛藻在该站点的行为，具有时空局限性。另一方面，虽然卫星遥感提供了大量的观测数据和气象数据，但大多数海洋彩色卫星每天最多只能观测一次热带及亚热带洋面，除非多个卫星协同观测，否则难以达到日际变化尺度的观测要求。可见光红外成像辐射仪为观测提供了可能（VIIRS，2012年-至今）其幅宽（3060km）使得某些特定海域的观测次数可以达到2次。

2014年7月至9月，墨西哥湾东北部到佛罗里达大湾区东北部区域爆发了由腰鞭毛藻引起的大规模赤潮事件，在此期间，几项研究记录了现场和遥感观测的赤潮大小、强度及随时间的演变(Hu et al., 2015; Qi et al., 2015; Elhabashi et al., 2016)。到7月底，赤潮的最大面积达到7000km2，最大腰鞭毛藻浓度超过一百万个细胞每升。使用滑翔机进行的实地测量表明，腰鞭毛藻以0.5-1m/h的速度发生垂直迁移(Hu et al., 2016)。在日出前后从8–10 m的深度开始向上移动，在日落前后从2 m的深度开始向下移动。虽然连续几天在能见度较好（30公里）的野外观测到腰鞭毛藻的垂直移动，但由于其缓慢运动（约400米/小时），滑翔机测量在空间和时间上仍然受到限制。

因此，本研究意图通过多个卫星观测组合来揭示赤潮水体光学性质的变化，由此可以推断出是否发生垂直偏移。一旦研究得到证实，可支持实现地球静止卫星一日多次监测特定海区的任务，例如地球海岸和空气污染事件后向散射系数监测的十年计划（Fishman等人，2012年Alisbury等人，2017年）。

2.数据与方法

根据赤潮爆发时间（2014年7-9月）从隶属于美国宇航局航天飞行中心(http://oceancolor.gsfc.nasa.gov)的搭载在Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪（MODIS）的二级数据中下载了2016年4月19日，空间分辨率达1公里绘制的等距圆柱投影图。这些数据包含标准的海洋数据产品，包括可见波段的光谱遥感反射率（Rrs，sr-1）、归一化荧光线高度（nflh，mW cm-2 mu;m-1 sr-1）、表面叶绿素浓度（chl，mg m-3）和质量控制标志（l2位标志，每个像素的32位值）。同样的，相同时间的VIIRS二级数据也从NASA官网(ftp://ftp.star.nesdis.noaa.gov/pub/ socd1/mecb/coastwatch/viirs/science/L2)上下载，并进行投影变化，转换为映射到相同的等距圆柱投影。VIIRS的数据产品与MODIS的数据产品类似，在680纳米左右没有光谱带，因此无法从VIIRS获得叶绿素荧光高度数据。此外，486nm处的微粒后向散射系数（bbp486，m-1）和多光谱总吸收系数（at（lambda;），m-1）源自准分析算法(QAA)的最新版本（版本6；http://www.ioccg.org/groups/software_oca/QAA_v6_2014209.pdf）（Lee等人，2002）。

由于VIIRS数据产品来自NASA和NOAA，因此首先对它们进行评估，以确定在本研究中使用哪种数据产品。事实上，尽管气溶胶模型查找表（LUT）和NASA L2GEN科学处理算法和NOAA MSL12处理之间的替代校准存在细微差异，但推导二级数据产品的原理是相同的，它们在绿色和红色波段的Rrs光谱非常相似。然而，蓝色波长的L2GEN-Rrs光谱形状在大视角下（此处未显示）似乎略微偏离了研究区域，这可能是由于偏振校正的残余误差所致。因此，在本研究中，使用来自MSL12处理的VIIRS数据。

在进行数据删选后，检查了五种产品：1）默认蓝绿带比CHL产品（OC3，Oreilly等人，1998），它作为MODIS和VIIRS的标准数据产品提供给用户社区[注意，尽管最近的算法更新切换到混合OCI算法（Hu等人al.，2012），对于Chlgt;0.25 mg m-3的沿海水域，默认算法仍然是OC3）；2）新的红绿带比CHL产品（RGCI，Le 等人.，2013；Qi 等人，2015），只能从VIIRS获得，因为其中一个光谱带（662-682 nm）部分覆盖了叶绿素荧光的光谱范围； 3）可见带中的Rrs。与此同时CHL浓度图像被用于检查赤潮的空间模式，提取了赤潮水体与非赤潮水体的Rrs光谱，以便进一步分析和解释。；4）bbp486，上层颗粒浓度的测量；5）at（lambda;），洋面的多光谱总吸收系数的测量。

2014年8月1日至16日部署了一架海洋滑翔机，对腰鞭毛藻赤潮及其周围环境进行采样。部署及其测量的详细信息见Hu等人。（2016年），滑翔机数据显示浮游植物在连续几天内垂直迁移。向上偏移似乎始于日出8-10米的深度，而向下偏移似乎始于日落2米的深度。滑翔机数据与Hu等人的图像像素大小相一致。（2016年），但在本研究中，滑翔机数据按时间（每30分钟）和深度（每1米）进行组合，以可视化时间变化。由于云量和测量时间的影响，滑翔机获得的数据并不与VIIRS获得是同一天的数据。

3.结果

图1显示了2014年7月30日的MODIS和VIIRS OC3 CHL图像。在大约3小时40分钟内，我们拍摄了4张图像：一张来自MODIS/TERRA，一张来自MODIS/AQUA，两张来自VIIRS。所有四幅图像都显示沿海岸线的chl值升高，但这种升高的值是由于悬浮沉积物和有色溶解有机物干扰造成的算法伪影（Cannizzaro等人，2013年）。除这些海岸特征外，所有四张图像均显示了近海赤潮（红色轮廓），从现场水样中确认为腰鞭毛藻赤潮（Hu等人，2015）。在赤潮中，从4张图片中可以看出CHL浓度随时间增加，但如果不进一步分析，很难得出这样的结论，因为1）经验OC3模型对富含有色溶解有机物（CDOM）的水域Chl浓度提取无效，特别是在0.5–20 mg m-3的CHL浓度范围内（Qi等人，2015）；2）MODIS和VIIRS相互独立的校准和处理，可能存在交叉传感器不一致。事实上，这两个MODIS传感器都在老化（MODIS/TERRA在轨了17年，MODIS/aqua在轨了15年，但这两个传感器都是为5年的任务寿命而设计的），近年来已经显示出退化的迹象(B. Franz, NASA/GSFC, personal comm.)。光谱分析得到的结果和VIIRS的比较也表明，对于同一赤潮事件，不同传感器获得的结果不一致。众所周知，MODIS/TERRA在蓝色波段存在问题。因此，尽管MODIS的nFLH数据产品有助于检测和跟踪赤潮（hu等人，2015年），MODIS OC3 CHL浓度数据产品也有助于识别图1中的离岸赤潮模式，为了观察短期变化，以下仅列出VIIRS数据。

图1.2014年7月30日的MODIS和VIIRS OC3 CHL浓度图像显示了3小时40分钟内CHL浓度的变化，但其中一些观察到的变化是由于算法伪影和交叉传感器不一致造成的。因此，它们在这里只是为了展示赤潮的空间格局。选择了赤潮爆发的四个位置（标注为1-4）来检查它们的Rrs光谱特性。

图2显示了使用从两个VIIRS通道收集的数据选取了4个代表性位置提取的VIIRS Rrs光谱（图1c）。尽管这两个过程的Rrs光谱在光谱形状和大小上都相似，但确实存在可观测差异，这可能是由于海洋的实时变化所致。为了评估这种推测，生成并检核了根据新的RGCI算法以及bbp486和at(lambda;)图像中的CHL浓度图像，并且将Rrs光谱形状的变化与先前的现场测量结果进行比较。

图2.4处观测点的Rrs光谱（#1-#4 ，来自图.1C）2014年7月30日不同时段测量得到的不同VIIRS通道数据。

图3显示在2小时内，两处VIIRS影像测量结果显示赤潮爆发时的CHL浓度（Aamp;B）和bbp486（Damp;E）不同。图3Camp;F中的差异图像表明，CHL浓度差异（15:41的观察值减去14:00的观察值）大约为5–10 mg m-3，bbp486的差异接近0.01 m-1。使用同一区域的数据对RGCI算法进行了调整和验证（qi等人，2015年），结果显示平均相对误差（MRE）为56%，无显著偏差。因此，这种CHL浓度算法在14:00到15:41的变化超过了算法的不确定性，这种情况是很常见的。这也高出15:41的bbp486的结果相一致。虽然卫星的Rrs数据产品（输入到RGCI算法）的质量取决于观测姿态，但两种观测几姿态是相似的，观测角度分别为61°和65°，方位角（相对于太阳）接近90°。因此，这样大的变化不太可能是因为Rrs中的几何变化或算法伪影来解释。相反，这些变化实际上可以用两个卫星通道之间观测到的腰鞭毛藻的垂直迁移来解释，如图4所示。

图3.VIIRS RGCI算法反演的CHL浓度和QAA算法得到的bbp486图像，一天内连续两次卫星过境。当地时间15:41的过境影像的Chl（b）和bbp486（e）高于当地时间14:00的过境影像（a和d），这可能是由于腰鞭毛藻的垂直迁移所致。（c）和（f）中的图像显示了这两个过程之间的差异。使用RGCI算法推导0.5到20 mg m-3之间的CHL浓度已在Qi等人中得到证明。（2015）。相对清澈的水域（CHLlt;0.5 mg m-3）的RGCI CHL不可信。

图4.滑翔机在2014年8月1日至4日期间测量了CHL浓度，与2014年7月30日VIIRS图像所示为同一次爆发。顶部1米的数据因噪音而被丢弃。数据分为30分钟（水平距离约为200米）和1米（垂直距离）。（a）蓝色和红色箭头分别标注当地时间14:00和15:41，对应于不同日期的两个VIIRS的过境影像；（b）-（d）8月1日、2日和3日的两次CHL浓度垂直剖面图。（为了解释本图图例中对颜色的引用，读者可以参考本文的Web版本。）

虽然从滑翔机测量得出的表面CHL浓度在15:41时并不总是比14:00时高（图4a），但高CHL浓度层厚度在15:41时（1-2 m水深之间的1 m）似乎比14:00时（1-3 m水深之间的2 m）更薄。第1天（8月1日，图4b），滑翔机数据充分证明了从腰鞭毛藻在14:00到15:41向上移动的假设，因为1到3 m之间的海水在15:41比14:00显示出更高的（5–10 mg m-3）CHL浓度，而5到10 m之间的深层海水则显示出相反的模式（即15:41的CHL浓度比14:00的低）。相比之下，8月2-3日的第2天和第3天（图4c-d）没有显示深层海水CHL浓度的显著变化，因此表层CHL浓度的变化可能源于水平变化而不是垂直变化。事实上，腰鞭毛藻的分布表是非常零散的，其种群浓度在数百或数十米内可以出现显著变化（Tomlinson等人，2004年）。这种小规模的变化不能被VIIRS（750m的分辨率）捕获，但可以被滑翔机捕获，即使在200m水平分舱之

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