《Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography》：Studying the Impact of Sea Surface Temperature (SST) Changes and El Ni?o Phenomenon on Coral Reefs Bleaching around Kish Island in the Northern Persian Gulf: A Remote Sensing Approach
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本研究基于1982-2022年NOAA数据及MODIS Aqua卫星影像，利用DHW指数分析吉利岛周边海表温度变化趋势，结合Mann-Kendall检验和Pierce Skill Score评估珊瑚白化阈值（5.3°C周），发现DHW以0.025°C周/年的速率上升，厄尔尼诺事件显著加剧热应力，揭示长期监测对缓解气候威胁的重要性。
Fatemeh Shabani|Mohammad Raie|Keivan Kabiri
伊朗德黑兰沙里夫理工大学土木工程系
摘要：
珊瑚礁是生物多样性最丰富的海洋生态系统之一，但正日益受到环境压力的威胁，尤其是由海表温度（SST）升高引起的珊瑚白化现象。因此，监测SST的变化对于珊瑚保护至关重要。本研究利用“度数加热周数”（Degree Heating Weeks, DHW）指数来分析波斯湾北部基什岛周围的热异常情况，该指数能够量化珊瑚所承受的累积热应力。1982年至2022年的SST和DHW数据来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）。趋势分析采用了Mann-Kendall检验和Sen的斜率估计方法，同时使用Pierce Skill Score来评估表明珊瑚白化风险的DHW阈值。此外，还研究了厄尔尼诺现象与DHW之间的关系。空间和时间上的SST变化通过谷歌地球引擎（Google Earth Engine）处理的MODIS Aqua卫星数据进行了分析。结果显示，2017年8月至9月的最大SST和DHW值分别为35.17°C和13.6°C周，DHW呈每年0.025°C周的上升趋势。DHW阈值被确定为5.3°C周。空间分析表明，波斯湾南部和北部海岸的热应力正在增加，尤其是在基什岛附近。最后，厄尔尼诺事件与较高的DHW值相对应，凸显了其对珊瑚白化的影响。这些发现强调了长期监测在减轻气候对珊瑚生态系统威胁方面的重要性。
引言
珊瑚礁是重要的浅水生态系统，通过提供食物、庇护所和生态服务支持着近25%的海洋物种[1]、[2]。除了其生态作用外，珊瑚礁还通过渔业、旅游业和海岸线保护为沿海经济做出重大贡献[3]。尽管如此，到2011年，人类活动和自然压力已经破坏了全球19%的珊瑚礁，剩余的75%的珊瑚礁栖息地仍面临威胁[4]、[5]。在这些威胁中，珊瑚白化是导致珊瑚礁衰退的最主要原因。白化通常由环境压力因素触发，如海表温度（SST）升高、盐度异常、海洋酸化、pH值波动和化学污染等，这些因素最终可能导致大规模的珊瑚死亡[6]、[7]、[8]、[9]。虽然有多种压力因素参与其中，但与全球气候变化相关的SST升高被广泛认为是导致白化的最关键因素[7]。为了评估与温度相关的压力，已经开发了多种指数，包括气候热阈值、最大3天平均SST（Max3d）和度数加热周数（DHW）指数[10]、[11]、[12]。
度数加热周数（DHW）指数用于测量累积热应力，是目前预测白化和珊瑚死亡最常用的工具[10]。根据van Hooidonk等人（2012年）的方法，DHW是过去12周内每周SST异常值与1971–2000年夏季气候基线相比的累积和[10]、[13]。可以定义一个阈值，超过该阈值后，珊瑚白化的概率会显著增加。这种方法已成功应用于多个地区，包括加勒比海和印度洋[10]、[11]。波斯湾位于伊朗南部，是全球最温暖的海域之一，拥有珍贵但脆弱的珊瑚生态系统[14]。其极端的环境条件使其成为研究珊瑚对全球变暖反应的天然实验室，有助于了解未来几十年其他地区珊瑚礁可能的表现[15]、[16]。许多研究利用遥感和实地调查探讨了波斯湾的SST动态及其与珊瑚白化的关系[17]、[18]、[19]。波斯湾北部的基什岛以其较高的珊瑚多样性和活体覆盖率而闻名[20]。以往的研究已经考察了SST异常对珊瑚礁范围、白化强度和底栖生物分类的影响[6]、[7]、[20]、[21]。
最近的研究进一步强调了波斯湾珊瑚礁日益增加的脆弱性。研究表明，即使是微小的SST升高也会显著影响基什岛周围的珊瑚健康，表明珊瑚对热异常非常敏感[21]。同样，其他研究报道了波斯湾海洋热浪的频率和强度的增加，这与反复发生的白化事件直接相关[22]。在区域层面上，一项海洋污染公报的分析显示，1982年至2020年间波斯湾和阿曼湾的海洋热浪范围几乎翻了一番，表明整个海域的珊瑚群落面临越来越大的热应力[23]。这些结果共同强调了针对波斯湾珊瑚的热应力影响的局部和长期监测的紧迫性。
大规模的气候因素也起着重要作用。厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是一种起源于太平洋的海洋-大气耦合现象，会在温暖（厄尔尼诺）和寒冷（拉尼娜）阶段之间交替[24]。其温暖阶段与全球范围内的SST升高、降雨异常和珊瑚白化密切相关[25]、[26]。在伊朗，厄尔尼诺事件导致北部降雨增加，而南部地区降雨减少且SST升高，使波斯湾的珊瑚特别脆弱[27]、[28]。虽然全球范围内已经探讨了ENSO与珊瑚白化之间的关系[29]，但针对基什岛的长期DHW阈值估计和趋势分析仍然有限。
鉴于白化阈值因地区而异，并且会随着长期SST的变化而变化，必须定期估计和更新特定地点的阈值[10]。在大时间和空间尺度上进行直接的原位监测往往不切实际；因此，基于卫星的遥感技术为持续监测提供了可靠的替代方案。本研究使用了美国国家海洋和大气管理局（NOAA）1982年至2022年的SST数据以及通过谷歌地球引擎（GEE）平台处理的MODIS Aqua影像，以（i）计算DHW趋势，（ii）使用Pierce Skill Score（PSS）检验估计局部白化阈值，（iii）分析白化年份的空间和时间SST变化，以及（iv）评估厄尔尼诺事件与热应力之间的联系。这种综合方法建立在早期区域研究的基础上，为波斯湾北部珊瑚的热脆弱性提供了更新的见解。
材料与方法
本节描述了用于评估基什岛周围SST和DHW的数据来源和分析方法。首先，对SST数据进行处理以生成DHW时间序列，并使用PSS检验确定白化阈值。接下来，使用Mann–Kendall检验和Sen的斜率估计方法评估长期DHW趋势。最后，利用MODIS Aqua卫星数据和GEE平台绘制白化年份的空间和时间SST变化图。
DHW和SST图表及趋势
图2展示了1982年至2022年间基什岛周围海域SST变化的时间序列。在此期间，最高水温记录为2017年8月11日的35.17°C，最低水温记录为1983年2月7日的19.47°C。SST图表与相应的DHW图表一起展示。
图3展示了1982年至2022年间基什岛周围的DHW值。2017年9月22日结束的那周，DHW达到最大值13.6°C周。
结论
本研究分析了基什岛周围SST和DHW的时间变化，以展示热异常对珊瑚的影响。进一步使用Mann–Kendall检验和Sen的斜率估计方法评估了DHW趋势。此外，利用通过GEE平台处理的MODIS卫星数据生成了白化年份的夏季平均SST地图，以及波斯湾温暖月份的月平均SST趋势图。本研究的主要发现如下：
CRediT作者贡献声明
Keivan Kabiri：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念构思。Fatemeh Shabani：撰写——初稿、可视化、软件应用、正式分析。Mohammad Raie：撰写——审稿与编辑、验证、监督
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
