一种近海海洋低氧状况的推测方法
阅读：972发布：2020-06-12
专利汇可以提供一种近海海洋低氧状况的推测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开一种近海海洋低 氧 状况的推测方法，首先获取工作区域 水 深地形、 水体 跃层、底层溶解氧及遥感表层叶绿素等资料；对工作区域进行网格划分，按月份及网格对历史数据重 采样 ，统计均值和最小值；获取位于近海海洋跃层上下的浮标组实时测量的时间序列数据，计算等效叶绿素值；以浮标点和统计相关模型结合等效叶绿素值计算工作区域其他网格点的溶解氧值；以网格各点的溶解氧值计算低氧范围，以工作区域最小溶解氧值计算低氧程度。本发明利用低氧单点浮标观察数据，结合叶绿素水色遥感图像数据，给出了工作区域的低氧范围和低氧程度。，下面是一种近海海洋低氧状况的推测方法专利的具体信息内容。
1.一种近海海洋低氧状况的推测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取工作区域水深地形、水体跃层、底层溶解氧及遥感表层叶绿素多年历史调查资料；
(2)对工作区域进行网格划分，按月份及网格对历史数据重采样，统计均值和最小值；
(3)获取位于近海海洋跃层上下的浮标组实时测量的温度、盐度、溶解氧、叶绿素时间序列数据；
(4)以浮标的深度及实时测量的温度、盐度日均值计算跃层强度；
(5)获取工作区域范围内与浮标时间序列同期的叶绿素遥感均值图像数据，计算与表层叶绿素等价修正后的底层有机物的耗氧系数；
(6)以水体溶解氧平衡建立网格中任意两点的统计相关模型；
(7)以浮标点和统计相关模型结合等效叶绿素值计算工作区域其他网格点的溶解氧值；
(8)以网格各点的溶解氧值计算低氧范围，以工作区域最小溶解氧值计算低氧程度。
2.根据权利要求1所述的一种近海海洋低氧状况的推测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述水体跃层包括低氧发生月份期间的跃层强度和跃层深度。
3.根据权利要求1所述的一种近海海洋低氧状况的推测方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：对目标工作区域范围按经纬度方向进行空间网格化剖分；在低氧发生月份期间，按月份及网格点对水深、跃层强度、跃层深度、底层溶解氧、表层叶绿素进行重采样，计算网格范围内各网格点上述参数的均值和最小值；计算溶解氧最小值所在处的平均水深，定为参考水深；计算底层溶解氧小于3.0mg/L位置的跃层强度均值，定为参考跃层强度，得到工作区域底层溶解氧小于3.0mg/L的低氧月份和持续时间。
4.根据权利要求1所述的一种近海海洋低氧状况的推测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述与表层叶绿素等价修正后的底层有机物的耗氧系数通过下式得到：
kchl＝h×|d-d0|/do×(rog kg)
其中，kchl是与表层叶绿素等价修正后的底层有机物的耗氧系数，do为参考水深，d为待计算网格点水深，h是表层叶绿素估算底层有机物的系数，rog为有机物耗氧的碳氧比，kg为有机物中含碳量系数。
5.根据权利要求1所述的一种近海海洋低氧状况的推测方法，其特征在于，所述步骤(6)建立的网格中任意两点的统计相关模型为：
其中， 是网格点a的水体溶解氧推测值， 是浮标点b所在网格点观测量与历史调查溶解氧统计均值之差， 是网格点a与浮标点b所在网格点之间的历史调查底层溶解氧统计均值之差， 浮标点b所在网格点深度修正后的kchl， 是网格点a深度修正后的kchl， 是浮标点b所在网格点的表层叶绿素数据， 是网格点a的表层叶绿素数据，是网格点a与水平扩散量统计均值的偏差量， 是浮标点b所在网格点与水平扩散量统计均值的偏差量。
一种近海海洋低氧状况的推测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及到一种近海海洋低氧状况的测算方法，尤其涉及一种集成浮标观察和卫星遥感数据进行目标区域底层溶解氧的测算方法，如所希望那样以经济的方式，通过建立统计经验模型，利用卫星遥感获取的表层叶绿素信息计算目标区域水体底层溶解氧水平，及时有效地获取低氧范围和程度等相关信息。
背景技术
[0002] 缺氧（Hypoxia）是指水环境中氧的含量处于较低水平或者氧被大量消耗。通常将溶解氧（Dissolved oxygen,DO）浓度小于3.0mg/L的水体称为低氧水体。近岸海域的低氧现象，通常发生在河口及近海陆架海域，它与人类活动导致的近岸水体富营养化，与入海河水各季节的径流量、营养物质、季风及上升流等水文因素密切相关，属季节性缺氧。近岸海区低氧现象从上世纪50年代开始就已经成为影响海洋生态环境健康发展的灾害之一，发生频率从1950年之前只有在近20个海区监测到低氧发生，至21世纪初全球范围内已有不少于2
400个海区发生低氧，覆盖面积超过245,000km ，主要集中在人口密集度高、营养物质排放量大的北半球近岸海区（Diaz and Rosenberg,2008）。
400个海区发生低氧，覆盖面积超过245,000km ，主要集中在人口密集度高、营养物质排放量大的北半球近岸海区（Diaz and Rosenberg,2008）。
[0003] 溶解氧是海洋生态系统中重要的环境参数，是海洋中大多数生物赖以生存的物质条件，对维持海洋生态系统非常重要。海水中溶解氧浓度的分布、变化与温度、盐度、生物活动和水体运动等密切相关，对了解海区的生态环境状况具有重要意义。低氧问题的出现常常造成底层生物量减少，本地物种小型化，并导致鱼类患病率增加，生物多样性降低，最终造成生态系统结构的改变和破坏。在中国，低氧现象是长江口及其附近海域季节性的环境问题。90年代末，李道季等(2002)在长江口外海域发现水体溶解氧低至1.0mg/l，而水体溶解氧2.0mg/l的缺氧区面积可达13,700km2。陈镇东等（2007）认为，长江口及其附近海域的低氧现象与该区域生源有机物及河流携带的有机物沉降到底层水体有关。该区域季节性低氧也涉及到长江冲淡水扩散、层化强度、台湾暖流水入侵、上升流、营养盐供应、有机质（包括陆源有机质）水平输运和陆架宽度、地形等因素有关（张经et al.,2010）。
[0004] 低氧现象的形成是个复杂的过程，受到多种因素的共同影响。一般认为，水体层化是缺氧形成的外部物理背景，底部有机质分解耗氧是缺氧形成和发展的生物地球化学内因（Rabalais,et al.,2010;Zhu et al.,2011）。沉积物或水体底层含有的大量有机物，在一定条件下发生降解作用，消耗大量氧气，导致溶解氧降低。但如果水体交换很好，生物降解消耗的氧气会得到及时的补充，海洋也形不成低氧现象。所以生物因素并非是造成海洋低氧的必要条件。海洋中低氧区的形成还需要物理因素的存在，比如，水体层化使底层水体难以与上层溶氧较高的水体进行交换，从而使底层溶解消耗后得不到有效补充，造成低氧区的形成。该层化作用包括盐度层化、温度层化等，一般在河口水域温度较高的季节，大量高温、低盐、低密度的淡水覆盖在表层，容易使底层高盐、高密度海水形成独立水团，导致层化作用，使表层氧气难以与底层交换。因此海洋中低氧区的形成还与水域的地形地貌、流场、温度等物理因素有关（Wang，2009）。因而，水柱(体)层化是指形成盐跃层(或密度跃层)界面，水体的垂向交换受到阻止，是缺氧形成的必要条件。一般在风力较弱的春季，大量冲淡水从河口排入海湾，易形成盐跃层(或密度跃层)，阻止水体垂向混合和交换，随着气温上升，层化作用在夏季达到高峰。长江口等河口底层水季节性缺氧只发生于密度跃层以下的水体，一般形成于春末夏初，在仲夏达到高峰，在夏末秋初结束，具有明显的季节特征。
[0005] 河口季节性的低氧现象具有年度和季节变化性，区域低氧的范围、厚度和低氧程度受多种环境因子的控制。观察低氧现象：卫星遥感监测的特点是空间覆盖范围大，时间同步性好，时空的分辨率较高；船舶监测具有监测参数最多和获取数据质量最高的优点，但其空间覆盖范围少，时间同步性差，时空分辨率也较低；锚系浮标是实现缺氧区水体剖面生态与环境参数长期监测的唯一有效手段，但其受平台和传感器两大技术因素的制约。因而，科学合理地认知低氧的空间分布与低氧程度，在于最大限度地有效利用多种监测手段，分析低氧发展演化规律及其变化趋势。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种近海海洋低氧状况的测算方法。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种近海海洋低氧状况的测算方法，包括如下步骤：
[0008] （1）获取工作区域水深地形、水体跃层、底层溶解氧及遥感表层叶绿素等多年历史调查资料；
[0009] （2）对工作区域进行网格划分，按月份及网格对历史数据重采样，统计均值和最小值；
[0010] （3）获取位于近海海洋跃层上下的浮标组实时测量的温度、盐度、溶解氧、叶绿素等时间序列数据；
[0011] （4）以浮标的深度及实时测量的温度、盐度日均值计算跃层强度；
[0012] （5）获取工作区域范围内与浮标时间序列同期的叶绿素遥感均值图像数据，计算等效叶绿素值；
[0013] （6）以水体溶解氧平衡建立网格中任意两点的统计相关模型；
[0014] （7）以浮标点和统计相关模型结合等效叶绿素值计算工作区域其他网格点的溶解氧值；
[0015] （8）以网格各点的溶解氧值计算低氧的面积，以工作区域最小溶解氧值计算低氧程度。
[0016] 进一步地，所述步骤（6）中，以近海海洋跃层以下水体的溶解氧平衡方程为基础，考虑水体初始溶解氧程度、垂直及水平方向的氧交换以及水体和底质的有机物耗氧，结合历史调查资料，建立溶解氧统计模型，以不同网格点上等效叶绿素浓度之差计算不同位置间的耗氧差异。
[0017] 本发明的有益效果是，本发明给出了集成单点浮标观察和卫星遥感数据进行目标区域底层溶解氧的测算方法，以经济的方式，通过建立统计经验模型，利用单点浮标实时监测及卫星遥感获取的表层叶绿素数据计算目标区域底层溶解氧水平，及时有效地获取与低氧有关的面积和程度等相关信息。附图说明
[0018] 图1是本发明近海海洋低氧状况的推测方法的构架图；
[0019] 图2是近海海洋低氧状况的测算方法的流程框图；
[0020] 图3是应用网格化测算目标区域近海海洋低氧状况的示意图。
具体实施方式
[0021] 溶解氧是海洋生态系统中重要的环境参数，是海洋中大多数生物赖以生存的物质条件，对维持海洋生态系统非常重要。通常将溶解氧浓度小于3.0mg/L的水体称为低氧水体。低氧现象的形成是个复杂的过程，受到多种因素的共同影响。一般认为，水体缺氧的形成与水体层化和底部有机质分解耗氧有关。前者是缺氧形成的外部物理背景，后者是缺氧形成和发展的生物地球化学内因。
[0022] 在季节性低氧期间，目标区域水体出现层化现象，使表层氧难以与底层溶解氧交换。利用单点监测浮标、结合卫星遥感水色数据可以推算目标区域底层水体其他位置的溶解氧水平。对近海海洋季节性低氧状况进行推测，包括低氧范围及低氧程度。如图1所示，系统包括低氧海洋浮标、卫星地面站、浮标信息处理终端、人机交互终端、低氧信息处理终端和通讯网络构成。低氧海洋浮标利用数据链路和邮件服务器将监测数据传送给浮标信息处理终端，水色遥感卫星将水色遥感数据发送到卫星地面站，卫星地面站、邮件服务器和信息处理终端通过互联网相互连接。
[0023] 本发明一种近海海洋低氧状况的推测方法，包括以下步骤：
[0024] 1、获取工作区域水深地形、水体跃层、底层溶解氧及遥感表层叶绿素等多年历史调查资料；
[0025] 确定目标工作区域范围，取得工作区域的水深地形，不同月份的水体跃层、底层溶解氧及遥感表层叶绿素等多年历史调查资料，水体跃层信息包括低氧发生月份期间的跃层强度和跃层深度。
[0026] 2、对工作区域进行网格划分，按月份及网格对历史数据重采样，统计均值和最小值；
[0027] 对目标工作区域范围按经纬度方向进行空间网格化剖分。在低氧发生月份期间，按月份及网格点对水深、跃层强度、跃层深度、底层溶解氧、表层叶绿素进行重采样，计算网格范围内各网格点上述参数的均值和最小值；计算溶解氧最小值所在处的平均水深，定为参考水深；计算底层溶解氧小于3.0mg/L位置的跃层强度均值，定为参考跃层强度，得到工作区域底层溶解氧小于3.0mg/L的低氧月份和持续时间。
[0028] 3、获取位于近海海洋跃层上下的浮标组实时测量的温度、盐度、溶解氧、叶绿素等时间序列数据；
[0029] 浮标组位于目标工作区域范围内，避免位于历史数据中溶解氧极小值和极大值附近区域；浮标组至少包括2个水体潜标，在潜标布置前测量水体跃层深度，水体潜标分别位于浮标所在点跃层深度位置的上下两侧，记录上下浮标的深度；潜标的测量值至少包括温度、盐度、溶解氧、叶绿素；测量频率一天2次以上，测量间隔均匀，测量值的时间序列大于3天，至少包括低氧推测日期前后各1天。
[0030] 4、以浮标的深度及实时测量的温度、盐度日均值计算跃层强度；
[0031] 计算浮标组位于水体跃层两侧潜标的深度差，计算2个潜标所测量温度、盐度的日均值，至少包括低氧推测日期前后各1天，判断跃层强度是否大于参考跃层强度。
[0032] 5、获取工作区域范围内与浮标时间序列同期的叶绿素遥感均值图像数据，计算等效叶绿素值；
[0033] 获取目标工作区域范围内与浮标时间序列同期的叶绿素卫星遥感数据，均值数据可以为月平均值、半月平均值等，月或者半月的时间不得迟于低氧推测日期前1天，当叶绿素卫星遥感空间分辨率与网格化的空间位置不一致时，对叶绿素数据进行网格化重采样，计算等效叶绿素。
[0034] 有机物引起的溶解氧消耗量Ro和底层有机物浓度有关，可以表达为：
[0035] R0=rogkgg
[0037] g=h×Cchl+g'
[0038] 其中，Cchl是遥感观测的表层叶绿素数据，h是表层叶绿素估算底层有机物的系数，g'是一个小的修正量，可忽略。
[0039] 相同的有机物在不同深度的水体中引起的氧消耗量不同，有机物耗氧需要进行深度修正。因而，采用深度值计算等价叶绿素值修正底层有机物耗氧：
[0040] kchl=h×|d-d0|/do×(rogkg)
[0041] 其中，kchl是与表层叶绿素等价修正后的底层有机物的耗氧系数，do为参考水深，d为待计算网格点水深，可用系数k统一表达公式中的其他系数(hrogkg)。
[0042] 6、以水体溶解氧平衡建立网格中任意两点的统计相关模型；
[0043] 建立跃层以下水体溶解氧平衡方程,溶解氧平衡方程包括初始溶解氧水平Opre（mg/L），溶解氧垂直扩散效应Ove（r mg/L），溶解氧水平扩散效应Ola（t mg/L），溶解氧水体耗氧Ow（c mg/L），溶解氧底质耗氧Ose（d mg/L）：
[0044] Oobs=Opre+Over+Olat-Owc-Osed
[0045] 其中，Oobs是水体溶解氧测量值。
[0046] 设定 为历史调查底层溶解氧统计均值，对于工作区域范围内的任意网格点a，与目标工作区域范围内布置的浮标点b所在网格点之间的溶解氧关系表达如下：
[0047]
[0048]
[0049]
[0050] 其中， 是网格点a的水体初始溶解氧值， 是浮标点b所在网格点的水体初始溶解氧值， 是网格点a的历史同期的水体初始溶解氧均值， 是浮标点b所在网格点的历史同期的水体初始溶解氧均值， 是网格点a的底质耗氧值， 是浮标点b所在网格点的底质耗氧值， 是网格点a的历史同期的底质耗氧均值， 是浮标点b所在网格点的历史同期的底质耗氧均值， 是网格点a的溶解氧垂直扩散量， 是浮标点b所在网格点的溶解氧垂直扩散量。
[0051] 将跃层以下水体溶解氧平衡方程中溶解氧水体耗氧和水平扩散效应表达为历史调查底层溶解氧统计均值与其偏差ΔO，则溶解氧平衡方程可表达为：
[0052]
[0053] 其中， 是历史调查水体溶解氧水平扩散量的统计均值，ΔOlat是与水平扩散量统计均值的偏差量， 是历史调查水体耗氧量统计均值，ΔOwc是与水体耗氧量统计均值的偏差量。
[0054] 则目标工作区域范围内的任意网格点a，与工作区域范围内布置的浮标点b所在网格点之间的溶解氧关系可以改写为历史调查底层溶解氧统计均值与其偏差，如下式：
[0055]
[0056] 其中， 是网格点a的水体溶解氧水平， 是浮标点b所在网格点的水体溶解氧水平， 是网格点a的水体溶解氧水平的统计均值， 是浮标点b所在网格点的水体溶解氧水平的统计均值， 是网格点a与水平扩散量统计均值的偏差量， 是浮标点b所在网格点与水平扩散量统计均值的偏差量， 是浮标点b所在网格点的与水体耗氧量统计均值的偏差量， 是网格点a与水体耗氧量统计均值的偏差量。
[0057] 水柱的耗氧过程主要由有机物引起的消耗量和与水体溶解氧位置相关的水平扩散效应的差异量有关。其他位置的水体耗氧变化量与浮标处水体耗氧变化量表达为：
[0058]
[0059] 其中， 浮标点b所在网格点深度修正后的kchl， 是网格点a深度修正后的kchl， 是浮标点b所在网格点的表层叶绿素数据， 是网格点a的表层叶绿素数据。
[0060] 因而，其他位置的水体溶解氧水平与浮标处溶解氧水平具有统计相关性：
[0061]
[0062] 其中， 是网格点a的水体溶解氧推测值， 是浮标点b所在网格点观测量与历史调查溶解氧统计均值之差， 是网格点a与浮标点b所在网格点之间的历史调查底层溶解氧统计均值之差。
[0063] 结合各个网格点历史同期的遥感表层叶绿素与溶解氧统计结果，忽略步骤5中的公式中的Olat和ΔOlat，以上述公式解算各个网格点的系数k，并以各个网格点计算得到的系数k的均值作为推测中各点统一使用的系数k。
[0064] 在此我们展示了一种基于单点浮标观察的近海海洋低氧遥感统计模型。
[0065] 7.以浮标点和统计相关模型结合等价叶绿素值计算工作区域其他网格点的溶解氧值；
[0066] 结合步骤5和步骤6，按网格循环计算各点等价叶绿素值及水体耗氧，并进行溶解氧水平扩散效应操作。
[0067] 由于缺少溶解氧水平扩散效应的直接测量，网格点a与浮标点b所在网格点之间的ΔOlat差值采用0.1 mg/L为单位对各个网格点进行数学平滑，使得平滑后的水体溶解氧梯度满足该网格点历史同期的溶解氧梯度条件。
[0068] 8.以网格各点的溶解氧值计算低氧的面积，以工作区域最小溶解氧值计算低氧程度。
[0069] 地球的子午线L总长度大约40008km,在维度A的地区，在经向的长度为每度111.13公里，维向距离l为：
[0070] l=L×cos(A)/360
[0071] 网格单元的面积(平方公里)为：
[0072] s=12350.614×x×y×cos(A)
[0073] x为经向单元网格长度(度)，y为经向单元网格长度(度)。
[0074] 用浮标观察数据，通过低氧程度和低氧持续时间的长短，建立近海海域基于浮标实时数据的低氧危害指示参数，该参数以1至5表达低氧的危害程度，1为最轻微，5为最严重。
[0075] 低氧危害程度和持续时间的组合关系见下表：
[0076] 表1
[0077]
[0078] 本发明利用单点浮标观察数据，结合遥感图像数据，给出了工作区域低氧的面积和程度。
[0079] 下面，我们参照附图来说明本发明的具体实施形态。
[0080] 图1是表示与本发明实施形态有关的一种近海海洋低氧状况的推测方法的框架图。框架图包括人机交互终端1、水色遥感卫星2、卫星地面站3、低氧海洋浮标4、浮标信息处理终端5、通讯网络6和低氧信息处理终端7。使用者在确定工作区域后，利用人机交互终端1处理数据，收集并处理工作区域历史调查数据。水色遥感卫星2将水色数据传输给卫星地面站3，卫星地面站3按约定文件名和文件路径保存叶绿素均值数据。低氧海洋浮标4通过无线网络将实时监测数据传输给浮标信息处理终端5。低氧信息处理终端7通过网络获取并处理历史调查数据、水色遥感数据和浮标实时观测数据。卫星地面站、浮标信息处理终端、人机交互终端和低氧信息处理终端通过互联网相互连接。
[0081] 图2是近海海洋低氧状况的测算方法的流程框图。使用者按步骤1获取工作区域历史调查数据，数据包括水深地形、水体跃层、底层溶解氧及表层叶绿素等；按步骤2利用人机交互终端网格化并计算得到水体跃层和底层溶解氧的均值和最低值，确定工作区域溶解氧最小值的空间位置。利用低氧海洋浮标4和浮标信息处理终端5按步骤3获取浮标测量的温度、盐度、溶解氧、叶绿素等时间序列数据，按约定计算上述测量数据的均值，按约定保存日均值数据。按步骤4读取浮标测量温度的日均值数据，计算跃层强度，并以浮点所在点的跃层强度推断工作区域的跃层强度；按约定读取浮标测量底层溶解氧的日均值数据，判断浮点所在点是否出现低氧；使用者按步骤5获取卫星地面站处理的工作区域的叶绿素数据按月均值计算保存；按步骤6计算各网络点上的等效叶绿素；低氧信息处理终端按步骤5计算非浮标所在网格点的溶解氧值，按步骤7计算整个网格的溶解氧值，按步骤8计算溶解氧范围及低氧程度。
[0082] 如图3所示，在实施例中，工作区域范围为东经122-124，北纬29.5-32.5度，在此空间范围内，按经度0.25度，维度0.3度网格化为50×100个网格点。在经纬度设置浮标，浮标包括3个潜标，潜标分别位于跃层上下。
[0083] 在实施例中，水体溶解氧水平扩散效应处理采用0.1mg/L为单位对各个网格点进行数学平滑，使得平滑后的水体溶解氧梯度满足该网格点历史同期的溶解氧梯度条件：最低溶解氧所在位置向岸区域的溶解氧梯度条件为小于4.0mg/L经度方向每度，最低溶解氧所在位置向岸区域的溶解氧梯度条件为小于8.0mg/L经度方向每度。
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