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卫星揭秘全球湖库水色变化,数据显示近20年中国湖库在变清澈

2021-03-10 09:41

北京日报副刊

不久前,中国科学院空天信息创新研究院张兵研究员团队发布了全球首套湖库遥感水色指数科学数据集,反映了全球范围千余个大型湖库在过去近20年的水色长时间序列时空变化趋势。数据集及其获取方法发表在《自然》杂志旗下的《科学数据》期刊。


2月21日,江西九江鄱阳湖都昌水域。

湖库为人类社会提供了重要的饮用水资源、工农业用水资源、渔业资源、娱乐活动场所以及生态环境资源,与人类生产生活的关系至关重要。那么,全球首套湖库遥感水色指数科学数据集是怎么获取的?主要得出了哪些结论?本报约请研究者向读者做简要介绍。

1 水体颜色现场调查历史已逾百年

水体颜色是太阳光照射到水中,与水中物质相互作用的结果,是湖库的基本光学参数之一。水中的显色组分——水分子、浮游藻类、悬浮物、有色可溶性有机物等对光照的吸收和散射作用共同决定了水体呈现的颜色。


全球大型湖库2000-2018年平均水色指数分布图。

我们在日常生活中也可以发现:纯净的自然水体,如青藏高原的一些清澈的湖泊和干净的水域通常呈蓝色,这主要是大气散射和水分子对太阳入射光共同作用的结果;浮游藻类多的水体,如太湖、巢湖等富营养化严重的湖泊通常呈绿色,这主要是浮游藻类色素叶绿素a与入湖阳光相互作用的结果;富含泥沙的水体,如黄河和一些河口地区水体通常呈黄褐色,这主要是悬浮泥沙的颜色决定了更多反射光集中在黄褐色谱段;此外,也有一部分有机质含量高的湖库水体通常呈褐色或暗黑色,它们的颜色与有色可溶性有机物的颜色密切相关。

水体颜色已有一百多年的现场观测历史,在现场调查中通过手持式福莱尔水色计把自然水体颜色分为从深蓝到红棕色的21个级别,用于记录海洋以及内陆湖库水体颜色。水色指数Forel-Ule Index(简称为FUI)来源于福莱尔水色计,包括1至21之间的21个整数,FUI水色指数越低即水体颜色越偏蓝色;反之,水色指数越高即水体颜色越偏向黄红色。

2 水色指数能够反映水体水质情况

前面说过,水中的显色组分——叶绿素、悬浮物、有色可溶性有机物共同决定了水体呈现的颜色。那么,水色指数与我们常规理解的水质参数有什么联系呢?水色指数能否反映水体水质呢?答案是肯定的。

为了构建湖库水色指数与湖库水质参数的关系,张兵研究团队组织了几十次地面与卫星同步观测的湖库水体光谱和水质参数采样实验,足迹遍布中国大江南北,同时也通过广泛的国内外科技合作收集了大量国内外湖库地面实测数据,这些湖库包括清澈的青藏高原湖泊、北美五大湖湖泊,也包括浑浊富营养化的长江中下游湖库和富含有机质的欧洲湖泊。通过这些星地同步实验数据,进行了详尽的水色指数与水质参数关系分析,研究发现FUI水色指数与水体营养状态和水体透明度有较好相关性,能够用来进行水体营养状态分级和水体透明度定量反演,指示水体的综合水质状况。

3 利用卫星遥感技术提取湖库水色指数

虽然通过传统的水体现场观测可以方便测量水色指数,但这种实地测量方式成本高、采样点代表性低、时效性差,难以获取大区域内完整的湖库水色指数记录。

卫星遥感技术的出现恰恰解决了这一难题。相比传统的现场监测,卫星遥感具有低成本、快速、大范围、连续监测的显著优势,可以逐像元获得大面积长时间尺度的更全面的水环境监测数据,便于发现污染物的时空分布特征和迁移规律,是一种有效的环境监测手段。随着国内外遥感卫星技术的不断发展,基于卫星遥感的水质监测正在发挥着越来越重要的作用。

那么,怎样利用这些卫星遥感影像提取出湖库水体的水色指数呢?

近几年,随着卫星遥感的发展,张兵研究团队通过把色度学理论引入遥感研究中,以遥感图像可见光波段组合作为输入,构建了遥感图像中水体颜色色度参数计算的模型算法,并利用福莱尔水色计中每个颜色级别的色度参数建立查找表,进而提取FUI水色指数。与此同时,团队也发展了一系列面向大范围湖库水体的卫星遥感图像处理方法和数据统计方法,包括遥感图像大气校正方法、湖库水体边界自动化提取方法、全球湖库定位编号统计方法等,成功通过卫星遥感图像数据构建出全球范围长时间序列的湖库水色指数科学数据集。

研究团队发布的全球首套湖库遥感水色指数数据集,包括全球范围1049个面积大于25平方公里的大型湖库。数据集分为基础信息和湖库FUI水色指数数据两个部分。在基础信息部分,提供了水体基本信息,包括湖泊识别号、名称、经纬度、水体面积、冬季是否结冰、所在国家/地区以及所在大洲名称;在FUI水色指数数据部分,提供了湖库2000-2018年月度和年度FUI水色指数长时间序列数据。

4 数据显示近20年中国湖库在变清澈

在2000年以后,国家加大了水环境保护力度,在行动上深度落实“绿水青山就是金山银山”的理念。那么,自2000年以来我国大型湖库水环境究竟发生了怎样的变化?

通过数据集及相关研究显示:近20年以来中国大型湖库清澈程度总体呈上升趋势,其中,青藏高原湖库清澈程度上升明显,东部地区湖库清澈程度上升趋势相对较弱。

据研究分析,青藏高原湖库清澈程度上升主要与近几十年该地区气候变化有关;而东部地区湖库清澈程度的微弱上升趋势,表明近20年我国在东部湖库水污染防治与区域环境治理方面取得了一些成效。

比如,长江中下游地区大型湖库FUI水色指数主要在7至15之间,其中自然湖泊水体较浑浊,如太湖、巢湖、洪泽湖等,水色指数主要在10至15之间,而该区域的人工水库水体相对清澈,水色指数主要在7至9之间;该区域湖库水色指数有下降趋势,表明水体在近20年变清澈;其中两个人工水库(新安江水库、柘林水库)水色指数下降显著,年变化率达0.04以上,表明清澈程度有明显上升。

而青藏高原地区大型湖库FUI水色指数主要在3至8之间,水体清澈;该区域大型湖库水色指数平均年下降率达0.05,其中74%的湖库水色指数呈下降趋势,35%的湖库下降趋势显著,表明该地区湖库清澈程度在近20年上升明显。

同时,通过该数据集初步发现,在过去近20年中全球有36%的大型湖库水色指数呈显著下降趋势,表明湖库清澈程度上升,这些湖库主要集中在寒冷地区;同时只有8%的大型湖库水色指数呈显著上升趋势,表明这部分湖库清澈程度下降,其在全球各大洲不同区域均有零散分布。研究人员推测,自然湖泊清澈程度上升的主要原因可能来自于全球气候变化造成的水量增多和流域生态环境治理成效,清澈程度下降的主要原因是人类生产生活造成的水体污染和流域干旱等原因,不同区域的详细分析论证工作将在后续陆续展开。

延伸阅读

近20年全球其他湖区的水色变化

北美五大湖:

FUI水色指数主要在3至8之间,其中苏必略湖、密歇根湖和休伦湖水色指数较低,主要在3至5之间,水体较清澈;伊利湖和安大略湖水色指数较高,主要在5至8之间,水体相对浑浊;在过去20年水色指数全部呈下降趋势,表明水体清澈程度明显上升,且较清洁的三个湖泊水色指数下降率较高,较浑浊的湖泊水色指数下降率反而较低。

欧洲中部地区湖库:

该区域大型湖库FUI水色指数主要在5至8之间,湖库较清澈;其中,71%的湖库水色指数呈明显下降,表明近20年湖库清澈程度上升。

非洲东部地区湖库:

该区域大型湖库FUI水色指数主要在4至16之间,湖库清澈程度差异较大;其中,55%的湖库水色指数下降,表明水体清澈度上升,45%的湖库水色指数上升表明水体清澈程度下降。

(原标题:数据显示近20年中国湖库在变清澈)

来源:北京日报 作者:王胜蕾 张兵

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