第一篇：海洋與未來

誰掌握了海洋誰就掌握了未來

古羅馬哲學家西塞羅說：“誰控制了海洋，誰就控制了世界。”這種控制海洋的能力被稱為海權，此概念由美國海軍歷史學家馬漢在其代表作《海權對歷史的影響》提出。海洋面積占地球表面的71%，陸地部分分散的分布在大洋中。縱觀世界近代歷史，海權對大國興衰起著作用重要。自地理大發現以來，西班牙、葡萄牙、荷蘭、英國，美國世界霸主無一不是海權國家。以英國為例，英國分別與1588年與西班牙無敵艦隊1780-1784年與荷蘭進行海戰并取得勝利，奪取海上霸主地位，擁有廣闊的殖民地，成為“日不落帝國”。

近代以來海海權勢力壓倒陸權的現象比較復雜,可能有以下幾個因素:第一,在世界現代化過程中,由海洋貿易引發的先進生產技術和先進社會制度最初產生于沿海地區,如威尼斯、佛羅倫薩、熱亞那、荷蘭、英國、法國等,然后逐漸向原始農牧生產技術和中世紀集權專制狀態的內陸滲透。相對地處沿海的西歐國家而言,內陸國家都屬于后發展國家,在經濟、技術、政治、文化等變革方面經常滯后。第二,航海貿易經濟產生競爭的社會機制,激發了社會的創造發明欲望,成為科學技術進步的持續動力源。第三,由于國際間的沖突和自古延續的“叢林原則”主宰世界,這種持續的科學技術進步不斷地轉換為強大的軍事力量,而沿海國家在軍事上總是領先一步。第四,航海貿易的市場經濟制度撫育出能夠保障自身并與自身相適應的民主政治制度,民主政治社會比較具有凝聚力,內部消耗少。民主政治體制保證了個人自由權利和創造力的發揮以及社會財富積累、科學技術、軍事力量的持續正常發展。相反,具有長期農耕、游牧傳統的內陸國家往往采取與之相適應的高度集權體制,形成專制社會,對以市場經濟為基礎的現代化有著天然抵觸傾向,從而形成漫長的由專制社會向民主社會的過渡期,使得內陸國家在邁向現代化時步履蹣跚,在政治制度、科學技術、財富積累、內部凝聚力、軍事力量等方面全面落后于沿海國家。第五,海權國家的現代化一開始就重視現代國家制度與現代化的同步,陸權國家的現代化因國家制度過多地保留了古代落后的因素,不能形成必要的同步,對現代化的發展形成過多的障礙。

同時海洋國家中的海軍與陸軍空軍往往能形成一種協同關系，海洋國家的海軍必須具備在平時和戰時維護國家“海上生命線”的能力,承擔向涉及國家生存的海外地區投送陸軍的任務,尤其在戰爭時期要能夠戰勝對手的海軍,掃清海上投送路線上的障礙,還要為陸軍作戰提供源源不斷的后勤供應和兵力增援。有時海軍艦船火力直接掩護登陸作戰,支援陸軍軍事行動。尤其在制空權決定勝負的情況下,以航空母艦為主的海軍航空兵所提供的制空權對海外陸軍作戰意義重大。沒有海軍的保障,再強大的陸軍也無法抵達涉及國家生存利益的海外地域,并取得海外作戰的勝利。如果陸軍作戰失敗,海軍還負有把陸軍安全撤回本土、防止對方對自己本土入侵等任務。此外,海洋國家的海權戰略雖有防御本土的職責,但更重要的職能是保障海上運輸線的安全和向本土之外的地區投送陸軍兵力。因為威脅海洋國家結構的因素往往不在本土之內,而在本土之外。海洋國家重視海軍建設,把海權作為戰略重點并非忽視陸權的重要性。保護國家海外利益的軍事行動最終需陸軍來完成,如果投送到海外的陸軍不堪一擊,那么海軍再強大也是毫無意義的,所以海權國家同樣高度重視陸軍建設以及海外陸權投送的有效性。海權國家和陸權國家同樣地重視陸權控制能力,只是所關注的重點不是本土,而是本土之外的地區。海軍陸戰隊這一軍種的出現多少暗示了一種現象:海權國家的陸軍都具有海軍陸戰隊的性質。由于海外作戰所遇困難大于、多于本土作戰,所以海洋國家的野戰陸軍素質一般高于負責本土守衛的陸軍。強大的海軍可以在海上殲滅入侵之敵,從而大大減輕本土陸軍的負擔,并且在很大程度上承擔本土陸軍的功能。海軍越是強大,本土就越是安全。與其說“海權拱衛陸權”,不如說本土陸權的功能部分地轉移給了海權。因此,對海洋國家來說,不存在海權和陸權哪個更重要的問題,而是在整個國防體系運作中發揮各自不可替代的功能以及隨戰場空間變換二者如何協作的問題。

除了海洋的戰略效益之外，海洋的經濟效益也不容忽視。隨著陸地自然資源的日益枯竭和海洋勘測技術的迅猛發展，海洋的經濟效益日益凸顯。有的科學家預言21世紀是海洋的世紀。

海洋中的生物資源，礦產資源，海洋能資源也對國家經濟的發展貢獻越來越大。

中國作為一個傳統的陸權國家在近代化的實質由內陸農耕國家轉向現代海洋國家，正如美國歷史學家房龍寫道:“和印度一樣,中國也是一個半島,一個半圓形半島,而不是三角形。”從歷史上看,大凡半島形地區或遲或早會從陸權轉向海權,只是過程較緩慢,因為深受內陸經濟結構的制約,半島面積越大,內陸性格就改變得越慢。變化的契機主要來自外部商業經濟結構的移植,如古代希臘半島的許多城邦國家、意大利半島上的羅馬國家、斯堪的那維亞半島上的海盜國家、中世紀伊比利亞半島的西班牙人、今天的印度和中國。中國近代的歷史充分體現了海權在主權國家的歷史作用，中國近代史的開端由英國海軍轟開，鴉片戰爭，甲午海戰中國海軍受夠了窩囊氣。中國中國近代的有識之士也逐步認識到“興幫（邦）張海權”的道理，孫中山曾說：“海權興，則國興。”“海權操之在我則存，操之在人則亡”。中華人民共和國海軍于1949年4月23日于江蘇泰州成立。4月23日被欽定為海軍節。但在新中國的軍隊發展歷程中，開始海軍為空軍陸軍讓步最后軍隊建設為經濟讓路。海軍建設缺乏資金。按照局座張召忠少將的說法那段時間海軍一年都買不來一艘護衛艦，從此就再也買不了。海軍司令員劉華清到死都想看到中國的航母。現在中國海軍第二艘航母建成，局座在一次活動中淚崩，說我們海軍受了多少窩囊氣才有今天。局座的哭泣除了委屈同時包含了海軍的崛起，以前中國海軍的三大恥辱銀河號事件，南海撞機事件以及臺海事件不會再次發生。中國人民有能力守護并開發屬于中國的領土，中國海軍有能力走向深藍。

第二篇：海洋與中國未來

答題紙

（20 12 —20 13 學年 第 一 學期）

課號：_課程名稱： 海洋與中國未來改卷教師：

學號：姓名：得分：

海水養殖環境污染及控制對策

摘要：近年來隨著人名生活水平的改善，市場對海產品的需求量逐年增大，而傳統的海洋捕撈已經遠遠不能滿足這樣快速增長的需求，人們為了更快更方便的獲得海產品獲得利益的最大化，海水養殖產業就應用而生，但隨著海水養殖也的不斷擴展也暴露出很多問題。本文就綜述了近年來海水養殖迅速發展背景下我國海水環境污染的狀況和污染的種類，其中海水養殖中產生的海水富營養化和藥物污染成為海水環境最主要的污染類型，而海水養殖中物種的逃逸對海水環境也造成很大的影響間接的對海水環境造成污染，本文通過對海水環境污染的介紹也提出相應的控制對策。提出了一系列防治措施，以供參考。

關鍵詞：海水養殖；海水環境污染；控制辦法

隨著近幾年經濟的發展，人們生活水平的提高。人們的物質需求有了很大的提升，海鮮逐漸變為了平常家庭餐桌上的家常菜。伴隨著的則是海洋漁業生產的廣闊的發展前景，從我們的祖先開始就在近海展開了一系列的捕魚活動，而且近年來對近海的過度開發已經很難再捕到人們所要求的海鮮產品，近海的漁業資源已經基本耗盡。為了滿足市場對海產品的需求，海水養殖業就在這樣的環境下發展起來了。海水養殖作為海洋漁業的重要組成部分在人們的生活中逐漸重要起來。同時海水養殖也得發展緩解了過度的海水捕撈給海洋自然資源帶來的巨大壓力，近年來在海洋漁業產量中的比重不斷上升，地位也越來越重要。歷史上，我國漁業以捕撈為主，而自20世紀90年代初起,養殖產量開始超過捕撈產量。2004 年我國水產養殖總產量占全國水產品總產量的65%，世界總產量的70%以上[7]。俗話說物極必反，同樣迅速發展的海水養殖業也暴露出很多問題，如：目前養殖水體廣泛受到毒害物污染和大量使用農藥的污染，它嚴重影響到水產品出口和食物安全。并通過食物鏈對人類健康構成了威脅，而且對近岸海水自然環境系統的污染越來越嚴重。怎樣有效的控制水產養殖對水環境的污染成為近年來科學研究難點和熱點。

有研究認為，海水養殖對海洋的污染僅占海洋污染總量的5％ ；但有統計數據表明，我國近岸海域赤潮的發生規律與全國陸源污染的排放量不呈正相關關系，卻與沿海地區對蝦養殖量呈正相關關系[3]，可見海水養殖對海水環境的影響是巨大的。可海水養殖對海水環境的影響有哪些？下面我們來介紹一下海水養殖對海水環境的影響及其控制的對策。

1、海水養殖對海水環境的污染

1.1、海水的富營養化

海水養殖對海水環境造成的影響中最明顯也是最嚴重的就是養殖海域的海水富營養化。由于向養殖水體中投入大量餌料和有機物，加上生產操作缺乏嚴格規范，特別是過量施用或不合理施用使養殖水體中殘餌、排泄物、生物尸體、漁用營養物質等大量增加，造成氮、磷、以及其他有機或無機物質在封閉或半封閉的養殖生態系統中超過了水體的自然凈化能力，改變了海水中原有的氮含量以及磷含量等化學平衡，造成了海水水質變化。一旦撤出養殖系統隨著海水的不停流動，這種效應還可能會傳播和擴大到鄰近海域，最終由于營養鹽含量過高導致海水水體理化環境的改變，同時造成了養殖區域海域生態系統的能量流動障礙，形成惡性循環。從而導致對水體環境的污染，造成水質惡化。

我們還看到有些地方的養殖業仍沿襲傳統的養殖方式，向養殖水體投入有機肥，甚至是未發酵的有機肥，這些有機肥在養殖水體中分解要消耗大量氧氣，往往又產生一些氨氮、亞硝酸鹽、沼氣等有害物質，并造成水體富營養化，使得水體營養鹽升高，下層水體缺氧。這一做法往往使水體的富營養化直接惡化，而且殘餌及魚類排泄物沉入水底后，還會造成沉積環境中硫化物、有機質和還原物質含量升高。這些問題不但會影響到養殖系統自身的安全，而且嚴重威脅到周邊水體環境的安危。

研究者對河北省昌黎縣水產養殖進行研究發現：高、中密度養殖區的無機氮和無機磷含量遠遠大于其他養殖區的含量，這主要是在養殖過程中高密度區要投入更多的餌料產生更多的排泄物的緣故。而且原來沉積在泥土中的無機氮和無機磷在一段時間會重新回到水體對環境產生影響。研究也發現水體富營養化會不僅會導致海產品的品質下降，還會導致海水中浮游植物群落的結構發生改變，使發生赤潮的幾率大大的增加。沉積在水底的無機鹽使底層海水底層的微生物活動加劇是海水底層的含氧量急劇降低影響底層需氧物種的生存。所以如何控制海水養殖中海水不被富營養化成為當務之急。

1.2 養殖藥物對海水的污染

在養殖的過程中由于養殖密度高，水質受到嚴重的影響，養殖的水生生物極易患各種疾病，為了防范各種疾病，在養殖過程中要投入大量各種化學消毒劑、抗生素、激素、疫苗等化學藥品用于防治病害、清除敵害生物、消毒和抑制污染性生物、在防治細菌性疾病的時候要大量的投入抗生素，如土霉素、呋喃唑酮(已禁用)、含氯制劑、含碘制劑等，這些藥物在起到防病治病的同時，也會對養殖環境造成污染。尤其對水中的微生態系統造成損害，使水中的自然凈化能力降低。另外，不加選擇和判斷地使用大量的多種藥物會使海域細菌發生基因突變從而破壞生態平衡，而且還會加劇水生動、植物病害，最終形成惡性循環；同時水生動、植物耐藥性增強，增加了疫病防治的難度。抗生素造成沉積物中生物群落量和質的改變，抑制沉積物的降解速率，如減弱水體降解有機碳的能力，造成生態系統中物質循環和能量流動的不暢。更為嚴重的是藥物在水生動、植物體內積累，殘留量增大，直接威脅消費者身體健康。

據報道，1987 年挪威的水產養殖業使用了4815 t 抗生素類藥物，1990 年用量比種植業所用還要多；英國水產養殖中常用的化學藥物就有23 種；我國在養殖防病中,曾使用過近500 種中西藥[8]。這還不包括使用的其他藥物。而我們國家存在的問題是藥物的過量使用和濫用。這些對海洋安全構成了嚴重的威脅。這些問題都是急待解決的。

1.3 生物多樣性影響

在養殖過程中養殖的海產品在一些特殊的情況下會發生逃逸，比如臺風天氣或者養殖設備發生損壞時。有的時候逃逸的數量還很龐大。而這些逃逸的種群或者個體會或多或少會對養殖場周邊的自然水域的生態環境產生影響。一般情況下養殖的逃逸魚在野外生存的能力較差，與海域中的土著魚類進行長期的種群競爭的可能性比較小。但是，即使是短暫性的競爭也會導致野生種群的物種發生一定的變化，最終影響到海域野生種群的自然變化和自我調控。有關研究發現意外逃逸的養殖魚群和有意移植的養殖魚群通過掠奪食物造成原有種群的滅絕會和自然環境中的種群雜交產生新的物種或者與原有的物種產生競爭使得生物多樣性受到影響[2]。而且這些魚可能隨著洋流的方向擴散大量繁殖，成為生物入侵者使得人們在處理這一物種的過程中付出沉重的經濟負擔。更為嚴重的，很多魚類寄生蟲病是人畜互傳的，會對人類的健康將造成威脅。

現代的海水養殖中有些魚類被人為的改造了基因，以產生更好的經濟效益。而養殖的這些轉基因的新物種在豐富生物多樣性的同時也給自然及的物種多樣性帶來了隱患。一旦這些養殖的魚類逃逸很有可能對海域生態系統中的基因多樣性產生危害。雖

然這些魚適合在養殖的環境下生存，在野外環境下生存能力極大地下降，但不可避免的是魚群之間的雜交問題。比如轉基因的魚具有大體型和快增長的優勢與土著魚適應環境的優良基因雜交則有可能長生出一種無敵的物種，嚴重影響到土著魚的生存。對土著魚的原有基因產生污染，使得物種的基因多樣性減少。更為甚者原有的土著物種有可能在競爭的環境中處于劣質直至滅絕。

海水養殖使海水富營養化，海水環境的惡化直接影響到海水中大量物種的生存環境，在網箱養殖的過程中集中產生很多的排泄物和過量的投料使得大量的有機物質和氮、磷有機質的沉積，這些物質沉積到海水底部使得海水底部的微生物種群發生很大的變化，微生物作為分解者會大量的繁殖來降解這些有機質。但微生物的大量繁殖使得洋底部海水含氧量大量減少，影響到底層生物的生長。而且隨著氧含量的生長微生物作用降低，有機質繼續大量沉積。沉積到一定量的時候，使得海水中的浮游生物種群群落發生變化，發生赤潮。而赤潮的發生又會使得海水大面積的缺氧，造成更大的生態環境的危機。

海水養殖場所的建造也會對近岸的環境和地理地貌發生改變，影響到近岸生物物種的生存，我們不再一一例舉。

2、環境污染的對策

我國人口眾多,可供利用的資源有限,對水域的利用將是糧食生產的最大可能場所。水產養殖將是今后我國漁業生產的重要投資項目。然而在面對海水養殖對海洋環境造成的日益顯現的影響，我們在憂慮的同時也要加強對污染源頭的控制，我們面對海洋各種環境危機時有哪些措施可以應對，怎樣做到海水養殖的可持續發展，變得越來越重要。首先我們的政府要發揮政府職能，對嚴重污染環境的養殖場進行改造，可以給養殖戶一定的補償鼓勵其對養殖設施進行改造。而且可以對養殖戶進行培訓，然他們知道養殖過程中要如何投料，根據什么投料。怎樣去用藥，什么癥狀用什么要，也可以讓科技所上門指導使濫用魚藥的狀況發生改變。

我們也要建立嚴格的監管制度，對海洋的環境達到實時監控。建立健全法律法規體系。合理規劃養殖面積及品種,建立漁業用藥限制及養殖廢水排放等水質標準,嚴格控制濫用漁藥現象,加強養殖水處理及廢水排放的管理,為發展生態漁業提供充足的法律保障。

可以和科研單位加強合作，重新建立一套海水養殖的模式，如實現生態養殖，不同水層養殖不同的種群，實現餌料的最大化的利用，從而徹底的改變現有的養殖模式。加

強營養與飼料學研究,優化飼料結構及投喂方式,減小餌料投放量,增大飼料利用率,改變單一的精養模式,采用有效的混養模式等,最大限度減小沉積量[6]。另一方面加強對海水養殖中產生的廢物沉積的處理技術，使得廢物沉積的量減到最小，實現底層沉積物的廢物重新利用。

參考文獻：

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第三篇：可持續發展與未來課程——海洋酸化

海洋酸化與可持續發展

世界上的海洋，其溫度、化學成分、洋流和生物驅動著全人類居住的地球系統，我們的雨水、飲用水、氣候、海岸線、許多食物，甚至我們呼吸的空氣中的氧氣，最終都是由海洋提供和調控的。2017年6月7日在紐約聯合國總部舉行的首屆聯合國海洋大會聚焦海洋可持續發展，此次會議較受關注的問題有兩個方面：一是如何養護海洋，治理海洋酸化；二是保持海洋的可持續發展。因此，對海洋酸化進行有效治理是建設可持續發展未來的一個極其主要的方面。

一、海洋酸化含義及形成原因

海洋酸化（Ocean Acidification）指的是海洋從大氣中穩定吸收由人類活動所排放的CO2從而導致海水pH值持續下降的現象。根據德國全球變化問題咨詢理事會的研究，現在海洋所儲存的CO2總量約為大氣的50倍，陸地生態系統和土壤的20倍。海洋不僅是一個重要的CO2庫，同時也是最重要的長期CO2匯。

由于大氣與海水間的分壓差，一部分人源CO2會溶解于表層海水中，經過一段時間后，CO2被洋流帶入海洋深處。海洋現在每年約吸收20億噸碳，這個數目大約相當于IPCC報告中所估計的人類活動所造成的碳排放量的30%。根據IPCC計算，海洋在1800年至1995年間共吸收了約1180億噸碳，這相當于48%的化石燃料燃燒累積所排放的CO2量，或者27~34%的人類活動引起的總CO2排放。目前，已經能在深達1000 m的海水中探查到人源CO2，CO2在海洋中的表現與在大氣中的有所不同，在大氣中其化學性質是中性的，而在海洋中其化學性質卻是活性的，溶解的CO2使得海水的pH值下降，導致海水酸化。

二、海洋酸化的危害

近年來，海洋酸化和海洋污染造成的不利影響日益嚴重，受到海洋酸化負面影響最大的是位于熱帶和亞熱帶的珊瑚。海洋酸化可能毀掉珊瑚礁生境，浮游植物和浮游動物是魚和其它海洋動物的主要食物來源，它們同樣會受到負面影響。

科學家們已經確定海洋上升的酸度正在對珊瑚礁內的海藻和珊瑚蟲造成傷害。美國地質調查局（USGS）的Ilsa B.Kuffner參與的一項實驗證明，珊瑚蟲通過鈣化作用來形成它們的骨骼，而當海水吸收CO2時會使得海水碳酸鹽離子的飽和度降低，從而導致鈣化作用的下降。海洋酸化對于那些緊緊附在礁石上生長的藻類也有負面影響。Kuffner的實驗結果顯示，在高溫和高酸度環境下，藻類會變軟，變得不健康，而且抵抗力也會隨之下降。

此外，從現在起到2030年，南半球的海洋將對蝸牛殼產生腐蝕作用。這些軟體動物是太平洋中三文魚的重要食物來源，如果它們的數量減少或是在一些海域消失，那么對于捕撈三文魚的行業將造成影響。

三、海洋酸化治理的具體目標

預計到2025年，預防和大幅減少各類海洋污染，特別是陸上活動造成的污染，包括海洋廢棄物污染和營養鹽污染；到2020年，通過加強抵御災害能力等方式，可持續管理和保護海洋和沿海生態系統，以免產生重大負面影響，并采取行動幫助它們恢復原狀，使海洋保持健康，物產豐富；到2020年，根據國內和國際法，并基于現有的最佳科學資料，保護至少10%的沿海和海洋區域；到2030年，增加小島嶼發展中國家和最不發達國家通過可持續利用海洋資源獲得的經濟收益，包括可持續地管理漁業、水產養殖業和旅游業。

四、治理海洋酸化的技術措施

1、使用核技術和同位素技術來預防海洋酸化。據悉，世界上有大約十億人依靠海產品來獲得動物蛋白，此種技術可以有效檢測海洋有機體對于有害二氧化碳排放帶來的海洋酸化的反應，以此來保護我們的海洋物種、人們的生活和經濟發展。

2、通過在各層級加強科學合作等方式，減少和應對海洋酸化的影響。

3、增加科學知識，培養研究能力和轉讓海洋技術，以便改善海洋的健康，增加海洋生物多樣性對發展中國家，特別是小島嶼發展中國家和最不發達國家發展的貢獻。

4、向小規模個體漁民提供獲取海洋資源和市場準入機會。

5、建立國際法律框架。根據《聯合國海洋法公約》的有關規定，建立保護可持續利用海洋及其資源的國際法律框架，加強海洋和海洋資源的保護和可持續利用。

五、中國及世界其他海洋地區的工作近來取得的成果

2017年6月7聯合國會議上中國提出將積極推動藍色經濟發展，為海洋的全球治理作出貢獻。中國承諾，到2020年中國海洋經濟綜合實力和質量效益進一步提高，海洋產業結構和布局更趨合理，海洋經濟調控與公眾服務能力進一步提升。具體措施包括促進海洋漁業、海洋油氣業等海洋傳統產業轉型升級，促進海洋裝備制造業、海洋可再生能源業等海洋新興產業加快發展等，預期新增涉海就業人員250萬人。

在得到有效管理和充足資源的情況下，世界其他海洋地區的工作近來也取得了突出成果。2017年，保護區覆蓋了13.2%的國家管轄范圍以內海洋環境，0.25%的國家管轄范圍以外海洋環境，以及5.3%的全球海洋面積。

總而言之，此次“構建藍色伙伴關系”的重要倡議有十分重要的意義，通過建立多邊、雙邊、區域、全球等各層面、各類型合作關系共同解決海洋問題，通過各種國際合作平臺，各國不僅能分享好的海洋實踐，還能共同研究如厄爾尼諾等與海洋有關現象，完善對海洋的認知，發展藍色經濟，從而有效治理海洋酸化，保護環境可持續發展。

第四篇：海洋與中國未來論文分析

海洋環境與保護

劉丹寧

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13材料

摘要：現代經濟發展已逐漸由內陸向海洋發展，海洋得到進一步開發，但同時伴隨著海洋環境的破壞，海洋環境污染一直較為嚴重，海洋生物受到直接傷害。污染甚至導致毒素在生物體內累積，從而影響到人類。所以海洋環境保護刻不容緩。海洋環境常用保護技術很多，常規理化監測包括檢測理化因素如溫度、鹽度；金屬化合物，非金屬化合物等方面。而隨著科學技術的發展，生物監測是環境生物技術中的重要組成部分，通過對生活在污染環境中的動物、植物和微生物的理化因素、生命特征、健康狀況等因子的觀察測定來監測污染物對海洋環境產生的影響。生物監測綜合性高、反應迅速、成本低，實踐中與理化檢測結合使用。

關鍵詞：海洋污染 環境保護 生物監測

近幾年的海洋沉積物質量監測結果表明，我國近海和遠海海域的海洋沉積物總體上保持良好，沉積物污染的潛在風險較低，但部分近岸海域沉積物受到比較嚴重的污染，尤其是一些河口、海灣的沉積物污染較重。海洋生物是海水環境和沉積環境污染的直接受害者，并且污染物對海洋生物的影響具有累積作用，其體內的污染物含量反映了其生存環境的質量，可食用生物質量的好壞對人體健康更是有著直接的影響。

而海洋環境破壞的源頭還是人類。

首先，從文化角度來說，大部分中國人對海洋環境的保護意識是很少的。用生活垃圾填海、農業用藥的不合理處置等使許多魚類、貝類產卵場、棲息地被破壞。由于中國公眾的海洋環保意識淡薄，使海洋遭到嚴重損害。資料表明，受陸源排污影響，約80％的入海排污口鄰近海域環境污染嚴重。所以要根治海洋問題，首先是提高所有公民的海洋環保意識。

第二，從政治角度來說，最根本的是決策者的眼光并未放長遠，導致立法不全和執法不嚴。比如，海洋監察手段落后和執行力不足。國家海洋局每年承擔常規海洋環境監測，以及兩次污染基線調查、陸源污染及重點排污調查、幾個海灣的海洋環境容量與總量控制調查，以對近岸海域污染物排放總量進行控制。目前，海洋環境容量的大小和污染源的對應關系仍不清楚，還不能有針對性地控制污染物質的排放，從而最大限度地減少污染。還有，涉海行政部門協調不夠。根據現行法規，海洋環境保護的管理工作由國家海洋局、國家環保總局、交通部、農業部、海事等部門以及沿海地方人民政府組織實施。各部門根據分工對不同類型的污染源實施監督治理。盡管法律明確規定了涉海各部門的職權范圍，但各部門職能交叉、機構重復設置的問題依然存在。而且海洋部門不上岸，環保部門不下海，機構間和部門間缺少協作。環保、海洋、海事、漁政、軍隊環保部門共同參與海洋污染治理，互相扯皮的現象隨之產生，影響了海洋環境污染的治理效果。所以，在政治方面上應該多借鑒外國經驗，多聽取大眾意見，爭取做出最優的決策，還應該精簡機構，明確各個部門責任，以及獎懲措施。

第三、從經濟的角度來看，首先是人口和資源對海洋的壓力。人類社會的發展，人民生活水平的大幅度提高，人口的急劇增加，使資源的供求量相應增加。陸地資源的稀缺性，使人類不得不到海洋去獲取資源。解決人口、環境和資源三大問題，主要依靠海洋。其次是社會經濟發展的影響。隨著我國市場經濟建設的不斷推進，海洋經濟得到了發展，但對海洋環境的污染也隨著沿海經濟的增長而上升，對海洋環境產生了極大的負面影響。主要表現在企業對海洋環境造成的污染、近岸養殖業對海洋環境的污染、船舶對海洋環境的污染、來自海洋石油勘探的污染、海洋開發活動決策失誤所造成的污染、港口建設對海洋自然生態環境的污染等方面。所以，在經濟發展方面，不應僅僅追求GDP量的多少，而更應該加強環境的監管，對于污染較大的堅決取締，對于排放嚴加控制。

最后，是現代科技在軍事之中的應用引起的破壞。海洋污染除了由于大量工業三廢、生活垃圾、農藥、石油等所導致外，還有海洋放射性污染。海洋放射性污染通過生物體富集或食物鏈富集輻射整個海洋環境，危害人類或其他生物。現代高技術的發展和應用已經深入到現代海戰武器(如激光炮、電磁炮、微波武器等)之中。此外，目前一些國家建立了海底核基地，其海底核實驗活動直接或間接對我國海洋環境產生的危害也是相當嚴重的。所以應該盡量把實驗范圍局限在一定范圍內，對于在這些過程中產生的廢物要及時處理[1]。

海洋環境保護從海洋環境監測開始。我將主要從生物監測方面來探討海洋環境保護。污染物是進入海洋后使環境的正常組成發生直接或間接有害于生物生長、發育和繁殖的變化的物質[2]。所以一種物質進入環境中后達到一定的濃度數量，并且能持續一定的時間才能稱作污染物。污染物在環境中也會隨著環境的變化而產生一定的變化，如人體吸收鹽酸鹽會轉變成亞硝酸鹽。

所謂生物監測，利用生物個體、種群或群落對環境污染或變化所產生的反應闡明環境污染狀況，從生物學角度為環境質量的監測和評價提供依據。利用生物對環境中污染的物質的敏感性反應來判斷環境污染的一種手段。用來補充物理、化學分析方法的不足。如利用敏感植物監測大氣污染；應用指示生物群落結構、生物測試及殘毒測定等方法，反映水體受污染的情況。簡單來說，生物監測是“以生物個體、種群或群落為研究對象、材料或手段而進行的反映環境質量的監測”[3]。

生物監測方法的建立是以環境生物學理論為基礎的。根據監測生物系統的結構水平、監測指示及分析技術等，可以將生物監測的基本方法大致分為四大類，即生態學方法、生理學方法、毒理學方法及生物化學成分分析法[4]。

生物監測具有理化監測無可比擬的綜合性、真實性和靈敏性，可及時反映污染物的綜合毒性效應及可能對環境產生的潛在危害，為優先控制污染源的研究、進一步的理化分析及污染物優先控制提供可靠的技術資料[5]。隨著現代科學的發展，對于環境的理化監測方法已經十分成熟了，不管在技術上還是設備上都有了很先進的手段，一些儀器甚至能快速準確的分析出污染物的種類和數量，然而這些測定均需要進行實時采樣，也就是說這些理化監測的方法所得到的結果均為瞬時結果，雖然可以通過長期多組的方法來減小誤差，但仍然具有一定的缺陷，因為環境是時時刻刻在發生變化的，各種化合物之間也在不斷的發生各種反應，所以這種實時的監測方式會慢于環境的真實狀況。而生物監測則能在一定程度上有很大的進步。

首先生物群落生活在大環境中，生物群落的性質、動態和健康狀況直接反映了環境的變化，不僅包括了理化參數的測定，也包括了那些未測定的因子以及未知因子間相互作用的結果，還包括了污染物和環境因子的連續性和累積作用的反映[6]。

其次生物監測所利用的生物群落始終生活在環境中，匯集了整個生長時期中環境因素改變的情況，能更真實的反映污染物在環境中遷移、轉化和富集規律，一般物理、化學監測手段相對只能反映取樣前后環境情況的，而生物監測能更為全面地了解污染物對環境造成的長期效應。這些對于研究污染物對人體的危害則更有意義。

再者有些設備儀器尚且不能測出某些微量元素的濃度，而某些生物則對這些元素很敏感，一點濃度的變化可能會讓生物的生理生化指標發生一些改變，這樣通過測定這些生物的生命指標就能知道環境污染物的變化。同時，監測生物對微量污染物有生物放大作用，通過在生物體內不斷累積從而濃度增加，利于監測。這是理化方法所不能實現的。

最后生物監測的成本較低，不需要復雜的儀器設備和大量的實驗室分析工作，相對來說簡單易行，成本低。這也便于實現監測點、站結合，構成經濟便利、有效實用的監測網絡。

雖然生物監測有種種優點，但也不乏缺點。如生物監測不能測定污染物的種類和實際濃度。因為生物監測是根據生物個體或者種群群落的行為健康狀況來反映環境的變化，所以不能具體反映出污染物的種類和實際濃度。生物監測在靈敏性和專一性方面不如理化監測。生物對環境污染有一定的自我調節能力，所以在一定程度范圍內甚至可能不產生影響。生物監測一般需時較長，且具有延后效應，即污染物的危害可能會經過一段時間后才能通過生物反映出來，且一旦有所反映，就已經產生了較大危害，錯過了最佳的防治時問。所以生物監測與理化監測必須結合進行，相互取長補短。

現代生物監測的方法包括通過測定生物體內污染物的含量判定環境質量；通過觀察生物在環境中受傷害現象判定環境質量；通過測定生在環境中的生理生化反應判定環境質量；通過測定環境中生物群落結構和種類變化判斷環境質量[7]。總的來說，環境污染生物監測的方法是利用生物典型受害癥狀來測定，如海洋植物葉片傷害癥狀、動物器官畸形、微生物種類單一等。利用生物體內污染物及其代謝產物含量分析來監測，如動植物和微生物在污染環境中不同程度的吸收積累的污染物成分測定。利用生物的生理、生化指標監測，生物受污染時的生理生化指標的變化比可見癥狀反應靈敏、迅速，適宜用作環境監測。雖然生物監測的方法很多，但是在選擇指示生物的時候也要注意到某些生物之間的作用，或者是在一定環境條件下，生物間的相互作用，這些作用可能會改變生物的個體或者群落特征，而這些不是環境污染物的作用引起的改變可能會影響生物監測的準確性。

現代生物監測還有一些新技術也逐漸應用到該領域，如生物傳感器、核酸探針、聚合酶鏈式反應、生物芯片等。環境污染的生物監測是環境治理不可或缺的一環，在未來的環境保護和治理中，生物將得到更多的開發與應用，生物監測也將結合理化測試得到更大程度的應用[8]。

我們在開發海洋，但不能破壞海洋。所以海洋環境的保護是現代面對的一個大的問題。從國家到各地沿海城市也頒布過相應的法律法規來規定海洋環境的保護，但這些都是治標不治本。海洋保護人人有責。每個人都能自覺加入到海洋保護的行列中去。從個人到企業到國家。生物監測是目前環境保護中重要的一環，海洋生物多樣性更是讓這種方法的實施有很大的前景和可能，以生物監測為基礎，多種理化監測的方法共同結合的海洋環境監測方法是現在的主流保護方法。也讓海洋環境保護更加準確有效。參考文獻：

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第五篇：海洋水色成像儀綜述-歷史與未來

海洋水色遙感器發展趨勢初探

胡楊 14213376 水文學及水資源 引言

海洋水色遙感是指利用地球軌道衛星上搭載的遙感儀器獲得的海洋表層離水輻射亮度研究海洋現象或海洋過程的新興遙感技術。海洋水色遙感的原理是通過衛星傳感器接收信號的變化, 來反演水體中引起海洋水色變化的各種成分的含量, 如葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、可溶有機物含量等[1]。通常, 我們按照其光學性質的不同, 把海水分為一類水體(開闊大洋)和二類水體(近岸海域)。一類水體的水色主要由浮游植物及其伴生生物決定, 二類水體的光學成因則比較復雜, 但它也是水色探測的重點。因為它與人類關系最密切, 受人類的影響也最強烈。遙感技術是唯一一種能夠在全局視野上監測海洋的技術手段, 通過它監測和研究一類水體和二類水體的水色, 并結合海面風場、溫度場、洋流、海面波浪等數據, 人類能夠更好地了解海洋并及時認知到海洋的動態變化。正因為如此,近幾年的海洋水色遙感技術方興未艾, 被廣泛地應用到氣象預報、漁業規劃、環境監測及領土劃分等領域[2]。

海洋水色遙感起始于1978年美國國家宇航局的海岸帶彩色掃描儀(CZCS)的成功發射。盡管CZCS作為一次實驗性質的嘗試只有一年的工作計劃, 但直到1986年之前, 它都持續提供著有實用性的數據[3]。隨后, 到了上個世紀90年代中后期, 人類又陸續發射了模塊式光電掃描儀(MOS)、海洋水色溫度掃描儀(OCTS)、地球反射偏振和方向性探測儀(POLDER)和海視寬視野傳感器等。這些傳感器的發射與應用使得人類對于海洋水色的探測逐漸變得成熟起來[4]。進入21世紀后, 人類面臨著愈來愈大的環境挑戰, 并由此帶來了認識海洋和研究海洋的迫切需要。在此背景下, 遙感技術在海洋水色探測方面的應用越來越廣泛, 一大批先進的海洋水色遙感器被搭載在了衛星平臺上。比較有代表性的有美國Aqua和Terra衛星平臺上的中分辨率光譜成像儀(MODIS)、歐洲Envisat1衛星平臺上的中等分辨率成像頻譜儀(MERIS)、日本ADEOS2衛星平臺上的全球成像儀(GLI)、印度遙感衛星IRS平臺上的海洋水色監測儀(OCM)、韓國多功能衛星Kompsat平臺上的海洋多光譜掃描成像儀(OSMI)以及中國臺灣福衛一號上的海洋水色照相儀(OCI)[5]。我國的海洋水色探測起步較晚, 但發展迅速。比較著名的有神舟3號上的中分辨率光譜成像儀(CMODIS)、HY1A及HY1B上的水色水溫掃描儀(COCTS)、海岸帶成像儀(CZI)等, 它們是當前國際海洋水色遙感的主流傳感器。

隨著包括遙感技術在內的全球科學技術的不斷進步, 更多功能強大的海水水色探測器將會被搭載到遙感平臺上, 從而使得對于海洋水色的研究不斷走向深入。未來幾年新增的海洋水色傳感器主要有可見光紅外成像輻射儀(VIIRS)、第二代海洋水色監視儀(OCM-2)、地球靜止海洋水色成像儀(Geo-stationary Ocean Color Imager, GOCI)、海洋和陸地顏色儀(Oceanand Land Color Instrument, OLCI)、第二代全球成像儀(SGLI)、超光譜成像儀(HSI)、以及改進型COCTS及CZI等[6][7]。2 過去的海洋水色遙感器 2.1 CZCS

海岸帶掃描儀（The Coastal Zone Color Scanner）是第一個用來測量海洋水色的航天傳感器。盡管在它以前也有不少可以檢測海洋水色的航天傳感器，但他們的光譜波段、空間分辨率以及活動范圍等特性都是以陸地或者氣象為最優化對象的，應用在海洋水色方面有不少局限。但是CZCS的各種特性都為水色遙感服務，而排斥其他類型的遙感[8]。

它有6個光譜波段，其中四個是主要用來檢測水色的，它們的帶寬都是20nm，分別以443nm，520nm，550nm，670nm為中心波段；第五波段寬100nm，以750nm為中心，更適宜陸地遙感；第六波段是熱輻射波段（在傳感器運作一年的時候就停止運行了）1-4波段用來檢測水域或者瞬時視場角內水汽含量很高的陸地、云層。

2.2 OCI 由日本NEC公司承制的海洋水色成像儀是四鏡頭并列CCD推掃式相機。

圖1 OCI成像儀結構

外形尺寸為(長×寬×高):35cm×38cm×34.5cm, 質量為16.8kg, 遙感的中心波長分別是443、490、510、555、670、865nm, 構成一個六波段七通道海洋水色成像儀。第七通道與第四波段是完全相同的, 即為555nm波段。OCI 的波段選擇與美國SeaSTAR衛星的SeaWIFS八個波段中的六個完全相同, 而與日本ADEOS衛星的OCTS十二個波段中的四個完全相同[9]。海洋水色成像儀視角為60°, 使海洋水色成像儀在600km高空時可覆蓋690km寬的地面, 地面分辨率可達800m×800m。

為了簡化設計并確保系統的可靠性, 在海洋水色成像儀的設計中沒有機械運動部件, 其成像動作完全由線型CCD敏感器件與衛星軌道運動所構成。

ROCSAT-1利用S-band通道傳回衛星上的數據, 其數據傳輸速率可達1.39Mb/s。最大時海洋水色成像儀可使用其80%的傳輸速率(約1Mb/s)傳送光譜數據, 多于這個傳輸限制的光譜數據必須先存放在星上的固態存儲器內。這個存儲器容量有2Gb, 因此海洋水色儀繞行軌道一圈, 最多只能用其中3%的時間攝像。這相當於拍攝兩張700km×700km的六波段相片[10]。

OCI是一全折射式望遠鏡系統,每兩個波段公用一個望遠鏡(B1/B2, B3/B4,B5/B6), 第7通道采用B3/B4組合的光學系統。為了減小色差, 三組望遠鏡分別獨立設計, 系統的F數為7。第四組與第二組望遠鏡相同, 重復選擇555nm“黃光”波段作為第7通道的原因是, 該中心波長是水體色素變化的鉸鏈點, 無論高濃度與低濃度葉綠素水體的信息提取都需要用該波段的數據與其他波段的數據相除而得到。而OCI 的主要探測目標就是葉綠素濃度和浮懸泥沙, 該探測波段具有備份的作用, 以能滿足臺灣海區水色探測。同時, 如果望遠鏡光學系統有某種退化, 那么它也是一種比較的手段[11][12]。

敏感器件為法國湯姆遜公司的TH7811A型CCD, 其上有1728個像素, 每一個像素為13μm×13μm。使用時分為三段, 兩側段各有832個像素, 以二像素合一的方式形成各有416個擴展像素, 中間段則有64個像素, 因此在600km高空時, 兩側的地面分辨率為800m2, 而中間段則為400m×800m。開始設計時, 選用日本NEC公司的μpD3571型CCD, 它有3584個像素, 每像素的尺寸是7μm×7μm。采用4元4線并一元的采樣方式, 即16個像素并為1個像素的方式。

2.3 SeaWiFS Seastar衛星上裝配的SeaWiFS儀器如圖2所示。OSE正在制造SeaWiFS衛星,并將探測儀的結構的子合同轉包給休斯公司桑巴巴拉研究中心(Hughes/Santa Barbara)(SBCR),將在1994年初用“飛馬”助推器送到軌道上[13]。不象雨云7號飛船帶9臺儀器,SeaStar將只帶SeaWiFS儀器。掃描器有光學、探測器、前放和掃描機構,裝在飛船架子的星下點那面。電子艙有指令、遙測和電源等功能。裝在飛船架子的內表面,與掃描器直接相對。儀器的總重量大約為49kg[14][15]。

圖2 SeaWiFS掃描儀

這個儀器測量八個空間波段的地球輻射,同樣也測量飽和輻射率。因為它是經過優化用來觀測相對暗的海洋的,所以一般的云層和陸地區域將使探測器飽和。探測器的瞬時視場(IF0V)是每個象素1.6x1.6mrad,星下點的掃描角士58.30°。掃描平面可以相對星下點傾斜十20、0或一20 度,每個象素的值的數字化精度是10 bit,典型的信噪比(SNR)大約是600。探測器有四個可選擇的增益,兩個為地球目標,一個為月亮定標和一個為太陽的定標。3 未來的海洋水色遙感器 3.1 VIIRS

VIIRS是MODIS在未來的替代傳感器, 將被搭載在美國國家極軌業務環境衛星系統計劃預備計劃NPP及美國國家極軌業務環境衛星系統計劃NPOESSC1衛星上。首個遙感器搭載在NPP上,計劃于2011年升空。VIIRS是在MODIS的基礎上發展起來的, 用途非常廣泛, 其水色遙感功能和MODIS相仿, 輻射特征也差不多[16]。MODIS用于海洋水色遙感的有8個波段, 其空間分辨率為1000m, 而VIIRS的7個水色波段分辨率為800m[17]。

VIIRS重275kg, 功率為240W, 預計將在軌工作7年。星下點空間分辨率為400m, 掃描帶邊緣的空間分辨率約為800m。它將在星下點左右56的范圍內進行掃描, 每4個小時經過赤道一次, 刈幅約為3000km。共有22個波段, 可見光與近紅外9個, 中波紅外8個, 長波紅外4個, 還有一個用于低照度的可見光波段。用于海洋水色遙感共有7個波段, 全部分布在可見光與近紅外波段。圖3表示了VIIRS的可見光及近紅外波段的海洋遙感性能[18]。

圖3 VIIRS海洋水色遙感波段響應曲線圖

對于VIIRS的海洋水色遙感, 美國國家航空航天局(NASA)、美國國家海洋局(NOAA)以及美國海軍聯合建立了一個跨機構的數據校準驗證系統[19]。該系統以現有的海洋水色遙感器(如SeaWiFS、MODIS、MERIS、AVHRR等)為基礎架構, 將它們的數據與VIIRS取得的數據(又叫環境數據記錄, 簡稱EDR)進行全面的對比和校準, 以保證它們的一致性。

3.2

OCM-2 OCM-2是在第一代海洋水色監視儀(OCM-1)的基礎上發展起來的, 被搭載在已發射的Oceansat-2和即將發射的Oceansat-3上。OCM-2的幅寬為1420km, 每兩天就可以覆蓋印度全境一次, 局部區域覆蓋的分辨率為350m,其數據被實時下行到地面處理站進行處理, 而全球區域覆蓋的分辨率為4km, 其數據則被暫時存儲在衛星上[20]。OCM-2與OCM-1相似, 共設置了12個波段, 其中用于水色遙感的為8個波段。但它的波段設置在OCM-1的基礎上做了些許改動。如把OCM-1上的765nm波段移到了740nm處, 目的是減少氧氣吸收;把670nm處的波段替換為了620nm, 以便更好地觀測水體中的懸浮物質。OCM-2的數據將被用于如下方面:浮游植物及有害藻華監視;漁業動態監測;潮流、潮汐等對近岸水體中的懸浮物質的傳輸及疏散產生的影響;河口監測等[21]。

3.3

GOCI GOCI是韓國的新一代海洋水色遙感器, 主要用來監測朝鮮半島周圍的海洋水色。GOCI被搭載在韓國2010年發射的首顆地球靜止氣象衛星COMS(Communication, Ocean, Meteorological Satellite)上,COMS是韓國的一顆多功能衛星, 除了用來監測天氣變化外, 還兼具海洋遙感及通訊功能[22]。GOCI就是用來做海洋水色遙感的, 由EADSAstrium公司研制成功。它的主要任務是觀測以朝鮮半島為中心的一定范圍內的海洋環境的變化, 對該區域的海洋生態系統進行長期的和短期的監測并提供不斷更新的關于葉綠素、藻華等的數據。GOCI重約84kg, 功率略小于100W, 尺寸為1.39m0.89m0.85m。GOCI的精度非常高, 其輻射校正誤差小于3.8%,地面采樣距離為500m, 時間分辨率為1小時。GOCI的譜帶選擇剛好適應其進行水色遙感[23], 如表1所示:

表1 GOCI的基本參數

GOCI的波段設置與第二代水色遙感器如MODIS有許多相似之處, 很好地繼承了它們的優點。以412nm為中心波長的波段能夠很好地區分開活的藻類和死去的腐敗物(黃色物質), 而近紅外的兩個通道(745nm和865nm)主要用來方便大氣效應校正。對于大洋水, 這兩個波段的離水輻射都可以視為零, 因而可以很方便地計算出其他通道的純粹氣溶膠散射構成的路徑輻射以及分子散射和氣溶膠散射相互作用下的大氣路徑輻射。同MODIS相比, GOCI各波段的信噪比都有所提高, 這對于GOCI來說是不容易的。因為與處于低軌道的MODIS、SeaWiFS等第二代水色遙感器相比, GOCI距離水面更遠。而高信噪比的獲得, 歸功于CMOS技術在GOCI上的使用[24]。GOCI是世界上首個搭載在地球靜止軌道上的海洋水色遙感器, 雖然不能像其他極地軌道或是太陽同步軌道上的遙感器那樣提供全球視場的海洋遙感, 但是GOCI 能對以130E、36N為中心的一定范圍的海洋區域進行高光譜分辨率和高空間分辨率的遙感。同時, GOCI 的地球靜止軌道位置也使得它能在同一天內對同一區域進行多次遙感, 數據更新很快, 能進行高頻率的監測,有利于處理突發事件。因而與MODIS、SeaWiFS等第二代水色遙感器相比, GOCI在軌運行時, 將體現出以下優勢:

1、能夠很好地消除云層對水色遙感的影響。每日的10: 00-17: 00, GOCI 將對視場內的每一個目標進行8次觀測, 如此高頻率的觀測, 使得云層對衛星信號產生較大影響的可能性大大降低。

2、更有利于對赤潮的監測。赤潮也稱有害藻華(HAB), 是指在海水中浮游生物數量急劇增加而種類大量減少的情況, 此時某種或某幾種浮游生物占據了絕對優勢, 對其他海洋生物和海洋水質構成了嚴重威脅。因此及時獲知赤潮的發生并實時跟蹤其發展對于消除赤潮具有重要意義。GOCI的高時空分辨率的特征, 對于處理赤潮這種偶發性事件具有很大優勢。

3、為建立一個海洋每日循環性能數據庫提供了可能性。海洋是時時在變化的, 其循環機制包括碳循環、洋流、海面水汽循環等一直是人類研究的熱點。因此利用水色衛星的探測資料, 建立一個關于海洋每日循環性能的數據庫, 對于進一步了解海洋循環機理具有重要作用。

4、對于不同的觀測目的, 都能匹配合適的時間尺度。GOCI 對于興趣點, 既能提供長期觀測又能提供短期觀測, 這大大地擴展了它的應用范圍[25][26]。

3.4

SGLI

SGLI是針對全球成像儀(GLI)而說的, 是日本的新一代海洋水色遙感器, 將被搭載在 全球變化觀測(GCOM)中的GCOM-C1上, 計劃于2013年發射升空。GCOM是日本一項旨在觀測全球變化的長期衛星計劃。GCOM包括兩個衛星系列,GCOM-W和GCOM-C[27]。GCOM-W上搭載有先進微波掃描輻射計AMSR-2, 主要觀測與水有關的目標, 比如降水、水蒸汽、海面風速、海面溫度、土壤濕度以及積雪深度等。GCOM-C則主要觀測地表以及大氣中有關碳循環和地球輻射收支的現象, 比如云、氣溶膠、水色、植被覆蓋、冰雪等, SGLI是其主要載荷之一[28]。

SGLI的質量為400kg, 正常工作時功率為480w, 刈幅為1600km。主要由可見光和近紅外輻射計(VNR)以及紅外掃描輻射計(IRS)兩個部分組成[29]。VNR的光譜范圍從380nm到868.5nm, 共13個波段, 包括11個非極化波段和2個極化波段。在11個非極化波段中, 除了一個中心波長為763nm的波段因為用于一類水體的觀測而把空間分辨率定為1000m外, 其余的10個波段其空間分辨率均為250m。在這11個波段中, 有一個中心波長為380nm的窄波段值得注意, 它可以用來判別海面上空吸收性氣溶膠的存在并了解其相關性質,增加了大氣校正的精度。該波段還可以用來探測海水中的黃色物質。而另外兩個極化波段可以進行極化測量, 其中心波長分別為670nm和865nm。這兩個極化波段, 共有3個極化方向, 空間分辨率都為1000m。利用它們, 可以很好地解決水體耀光的問題。近年來研究發現, 二類水體中的初級生產力與其溫度存在一種線性回歸關系, 故而SGLI還設置了兩個熱紅外波段, 用來估計二類水體的初級生產力。SGLI 最終的海洋水色產品將會融合多個水色遙感器(比如可見光紅外成像輻射儀VIIRS)的數據。

SGLI擁有非常高的分辨率(250m), 因而它對于陸海交接處的變化非常敏感, 在監測二類水體時有著獨特的優勢。它能夠精準地探測出近岸水體中葉綠素濃度及懸浮物質、溶解有機物的相關性質。利用這些數據, 人類可以了解海水的初級生產力、水質等, 進而可以進行漁業規劃。SGLI還可以用來監測赤潮的發生。同時, 它能夠監測河口水的變化, 能夠幫助科學家了解人類活動對海洋的影響[30]。

水色成像儀在海洋學上的應用舉例 4.1

海水透明度反演

海水透明度是描述海水光學特性的傳統參數,也是最早的水光學現場調查參數。海水透明度與水體中懸浮物、葉綠素、黃色物質的含量和成分密切相關, 它是研究水團、流系, 水質監測及海洋初級生產力的重要參數。王曉梅等在黃東海光學試驗的實測數據基礎上建立了黃東海海水透明度的統計遙感反演模式。何賢強等根據水下光輻射傳輸理論及對比度傳輸理論, 建立了海水透明度的半分析定量遙感模式;利用556組實測海水透明度資料對模式進行了驗證, 結果表明衛星遙感反演的透明度與實測透明度的相關系數為0.84,平均相對誤差為22.6%。利用該海水透明度遙感反演模式和SeaWiFS衛星遙感數據, 制作了中國鄰近海域多年的海水透明度遙感產品, 并進行了中國鄰近海域透明度時空變化規律的遙感分析[31]。

4.2

海洋初級生產力反演

海洋初級生產力即海洋浮游植物光合作用的速率, 對深刻理解和研究海洋生態系統、碳循環及認識海洋在全球氣候變化中的作用等方面具有重要意義。相對于傳統的黑白瓶培養法, 遙感方法具有大面積同步、高頻度動態觀測的優勢。寧修仁等利用CZCS的葉綠素遙感分布, 結合漁場及赤潮等資料, 發現長江口和杭州灣及其毗鄰海域存在明顯的生物生產力的鋒面。李國勝等根據實測的葉綠素濃度數據, 修正了大洋的OC4v4算法, 建立了東海的二類水體葉綠素濃度的經驗反演模型, 并利用VGPM模型反演了東海的初級生產力。潘德爐等通過多年對東海、南黃海實測海洋初級生產力與環境數據的分析, 基于P-E(生產力與光照強度)曲線, 利用葉綠素濃度、海水透明度和光合作用有效輻射率等數據, 建立了適合我國海區特點的初級生產力遙感模型;與國外典型的初級生產力遙感模型比較, 該模型獲得的海洋初級生產力遙感數據能更好地反映我國渤海、黃海、東海的海洋初級生產力時空分布及其變化特征, 而且與實測的海洋初級生產力時空分布一致[32]。該模型已應用于我國海洋水色衛星HY-1A的COCTS遙感數據, 獲得了中國海區初級生產力的遙感分布圖。

4.3

水質參數反演

衛星遙感監測技術的發展, 同時也促進了對水色遙感應用領域拓展的進一步需求, 非光學活性的生物地球化學參數的遙感反演是遙感信息提取技術的一個發展趨勢。如氮、磷營養鹽和顆粒有機碳、溶解有機碳濃度等生物化學參數, 目前國際上已經有了初步的遙感反演探索, 國內也開展了相關的研究。

磷、氮是引起港灣、湖泊水體富營養化和誘發赤潮的主要環境因子, 也是我國近海水體環境污染最重要的評價指標之一。張穗等采用在水質評價中較常用的修正富營養化指數TSIM法, 利用總磷、總氮與葉綠素的相關特征得出適合河口特征的富營養化評價方法, 并在長江口的遙感影像上進行試驗,取得了較好的結果。張宵宇等根據杭州灣和嵊泗列島海域的實測數據, 發現研究海域懸浮物含量與顆粒態總磷呈正相關關系, 建立了遙感懸浮物含量和顆粒態總磷含量的遙感信息提取模式[33], 并利用SeaWiFS數據得到了長江口及附近海域顆粒態總磷分布的遙感產品。李小斌等利用珠江口海域2個航次36個站位的實測遙感反射率和總無機氮(TIN)數據, 基于偏最小二乘法, 建立了珠江口海域無機氮濃度估算的遙感模型。將該模型用于1998年12月31日的SeaWiFS資料, 與當日的實測資料對比, 遙感估算值的平均相對誤差為31.9%, 模型的穩定性較好。

顆粒有機碳和溶解有機碳含量分別表示海水中有機顆粒物和溶解物的含碳量, 是海洋水質和生態環境的重要指標, 同時也是海洋碳循環研究的關鍵參數。黃色物質CDOM和溶解有機碳DOC的生化光學特性研究在珠江口的研究中相對較多, 如Callahan等人研究發現在深圳河口北部, 水體的DOC和熒光性呈現線性相關, 隨著鹽度的升高,CDOM通過光化學轉化變為非熒光性物質, CDOM/DOC比值降低。陳志強等人在珠江口的研究認為,不同來源的有機質與不同的DOC和CDOM分布的控制機制, 導致珠江口CDOM和DOC之間沒有明顯的關系。國內對顆粒有機碳的遙感反演研究較少[34]。白雁和潘德爐等對中國近海有機碳的遙感反演機理進行了分析, 在固有光學量半分析算法的基礎上, 初步建立了黃東海海區顆粒有機碳和溶解有機碳的遙感反演技術方法[35]。

水體富營養化和赤潮是水質惡化的體現, 需要利用遙感技術進行有效的預警和監測。經過多年的技術積累, 利用衛星遙感離水輻射率與水色水溫等要素建立的離水輻射率多波段差值法、多波段差值比值法、水色水溫綜合法和歸一化植被指數法等多種赤潮信息的提取模式, 都已對赤潮的識別進行了成功的嘗試。趙冬至等采用太陽光激發的葉綠素熒光峰高度, 建立了不同藻類歸一化熒光高度與葉綠素濃度的關系, 提出了表征赤潮水體葉綠素熒光高度的波段優化法[36]。唐軍武等研究了大氣散射對歸一化植被指數法進行赤潮遙感監測的影響。目前在遙感赤潮信息提取方面, 現有的模式仍具有很強的經驗性, 有關的遙感業務化速報技術將在“十一五”的“八六三”項目支持下, 進一步深入研究。

結束語

21世紀, 隨著海洋的不斷開發, 其與人類的關系越來越密切, 包括海色遙感在內的海洋探測技術也必將取得日新月異的發展。展望未來, 靈敏度高、功能強大、系統化的海洋水色遙感器是適應潮流的必然要求。本文所介紹的這幾種水色遙感器只是未來幾年的主流, 它們也會在在更遠的將來被淘汰, 被更先進的儀器所替代。在全球數字化浪潮下, 數字化海洋也將在未來得到實現, 屆時, 網絡化的高精度的水色遙感器將揭開海洋的神秘面紗, 為人類監測全球變化、合理規劃環境及應對自然災害提供有力幫助。

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