利用Himawari-8卫星数据监测叶绿素a的日变化动态及沿海地区面临的挑战

《Science of Remote Sensing》：Diurnal dynamics and coastal challenges in chlorophyll-a monitoring using Himawari-8 satellite data

本研究通过对比2019年春分、夏至、秋分和冬至期间Himawari-8与Sentinel-3卫星的叶绿素-a浓度数据，验证了Himawari-8在海洋生物地球化学监测中的应用潜力。采用系数变异（CV）阈值筛选（CV<0.2）和时空配准方法，发现两者在低仰角（0°-40°）区域相关性较高（r≈0.79），但高仰角区域（>40°）存在显著低估（误差达12%-19%）。近海区域昼夜波动幅度达0.2 mg/m3，但无法确认其与浮游植物生长的直接关联。研究证实Himawari-8全盘扫描能力可有效补充极轨卫星的观测盲区，但需改进大气校正算法以提升高仰角和复杂环境下的精度。

　　### 氯叶绿素浓度的卫星观测与海洋生态监测

在海洋生态监测中，氯叶绿素-a（Chl-a）浓度是一个关键指标，能够反映浮游植物的生物量。传统的观测方法主要依赖于极轨卫星，如SeaWIFS、MODIS、MERIS和OLCI，这些传感器虽然能提供高精度的Chl-a浓度数据，但它们的观测频率较低，通常只能提供每天一次的观测，无法捕捉到那些在短时间内触发生态事件的变化。例如，浮游植物在白天吸收太阳光和营养物质进行生长，这一过程往往会在几小时内发生显著变化，而极轨卫星的低频率观测则可能错过这些变化。因此，迫切需要一种能够提供高频观测的卫星传感器，以更全面地理解海洋生态系统的动态变化。

相比之下，静止轨道卫星因其固定的观测位置和较高的观测频率，成为解决这一问题的潜在方案。静止轨道卫星如Himawari-8，能够提供每十分钟一次的观测，覆盖范围广，且能够实时监测海洋表面的变化。这种高频数据在海洋生物学和沿海动态监测中具有重要意义。然而，Himawari-8并非专门的海洋颜色监测卫星，其数据在某些区域可能会受到观测角度和大气校正的限制，从而影响其对Chl-a浓度的估计精度。

### Himawari-8与Sentinel-3的Chl-a数据一致性分析

为了评估Himawari-8在海洋颜色监测中的可靠性，本研究通过与Sentinel-3的Chl-a数据进行对比，分析了Himawari-8的观测一致性。Sentinel-3是专门用于海洋颜色监测的卫星，其数据被视为参考标准。研究选取了四个不同时间段的数据，对应2019年的夏至、冬至和春分、秋分，涵盖了不同季节和地理位置。通过应用一致的质量控制标准，如将系数变异（CV）设定为0.2，可以有效过滤掉不一致的数据点，从而提高数据的可靠性。

分析结果显示，在June、September和December这三个时间段内，Himawari-8和Sentinel-3的Chl-a浓度数据之间呈现出较高的相关性，约为0.82。然而，在March期间，相关性下降至0.685，这主要是由于在高观测角度（视测角）下，Himawari-8对Chl-a浓度的估计存在偏差。具体而言，在低视测角区域（小于35°），Himawari-8的Chl-a浓度估计值偏高，而在高视测角区域（高于35°），其估计值偏低，偏差范围可达12%至19%。这些偏差主要集中在视测角45°至55°的区域，表明在某些观测条件下，Himawari-8的Chl-a数据可能不够准确。

为了进一步验证这些观测偏差，研究还采用了不同区域的案例分析。在沿海地区，Himawari-8的Chl-a浓度在中午时段的变化可以达到0.2 mg/m3，而在远离海岸的开放海域，这种变化则较为平缓，通常小于0.05 mg/m3。这表明Himawari-8在不同地理区域的观测能力存在差异，尤其是在复杂的水体光学特性区域，如沿海和入海区，其数据可能受到悬浮沉积物和有色溶解有机物（CDOM）的影响，从而导致偏差。

### 观测角度对Chl-a浓度估计的影响

本研究还分析了观测角度对Chl-a浓度估计精度的影响。观测角度是指卫星传感器与地表之间的夹角，通常影响大气校正的准确性。Himawari-8的观测角度范围从0°到65°，而Sentinel-3的观测角度则较为有限，主要集中在低角度区域。通过将数据按照观测角度划分，研究发现，在低观测角度（小于40°）区域，Himawari-8和Sentinel-3的Chl-a浓度估计结果较为一致，相关性较高，而高观测角度区域则表现出较大的偏差。

具体而言，当观测角度超过40°时，Himawari-8的Chl-a浓度估计值明显低于Sentinel-3。这可能是由于Himawari-8在高角度区域的传感器灵敏度较低，导致对低浓度Chl-a的检测能力受限。此外，大气校正算法在高角度区域可能无法充分考虑地球曲率和太阳角度对辐射路径的影响，从而影响Chl-a的估计精度。因此，对于高角度区域的Chl-a数据，需要更加严谨的大气校正模型，以提高其准确性。

### 高频数据在海洋生态研究中的应用潜力

尽管Himawari-8在某些条件下存在观测偏差，但其高频数据仍然具有重要的应用潜力。例如，在监测海洋生物生产力时，高频数据能够捕捉到浮游植物在短时间内因光照和营养物质变化而产生的快速生长现象。此外，静止轨道卫星的观测能力在沿海和入海区尤为突出，能够提供更详细的区域变化信息。这些数据对于研究海洋生态系统中的短期变化，如浮游植物的生长周期、藻类的暴发等，具有重要的参考价值。

然而，目前的研究还未能完全证明Himawari-8观测到的Chl-a浓度变化是否直接反映了浮游植物的生物量变化。这可能是由于某些非生物因素，如光化学淬灭（NPQ）效应或短期水体输送，也可能导致Chl-a浓度的变化。因此，未来的研究需要进一步验证这些变化是否与浮游植物的生物活动有关，或者是否仅仅是由于光物理或光学特性变化所引起的。

### 静止轨道卫星的前景与挑战

静止轨道卫星在海洋颜色监测中的应用前景广阔，但其仍面临一些挑战。首先，观测角度和大气校正的限制可能导致某些区域的数据偏差。其次，静止轨道卫星的观测范围虽然广泛，但在特定地理区域，如高纬度地区，其数据的可用性可能受到太阳角度和地球曲率的影响。此外，静止轨道卫星的传感器设计和算法优化仍有待进一步改进，以提高其在复杂光学条件下的数据准确性。

为了克服这些挑战，研究建议开发更加先进的大气校正模型，特别是针对高角度和复杂光学条件下的校正方法。同时，可以借鉴Himawari-8的经验，优化其数据处理流程，提高其在沿海和入海区的观测精度。此外，静止轨道卫星的高频观测能力使其在实时监测和应急响应中具有独特优势，未来可以应用于海洋生态监测、灾害预警和环境评估等多个领域。

### 未来研究方向与建议

本研究的结果表明，Himawari-8在低观测角度区域的Chl-a数据与Sentinel-3具有较高的一致性，且其高频观测能力为海洋生态研究提供了新的视角。然而，在高观测角度区域，Himawari-8的Chl-a数据仍存在一定的偏差，这需要进一步研究和优化。此外，静止轨道卫星的观测数据在某些情况下可能受到云层和日光反射的影响，导致数据缺失或不准确。因此，未来的研究可以结合多种卫星数据，如Sentinel-3和Himawari-8，以提高数据的可靠性和适用性。

另外，静止轨道卫星在监测海洋生物生产力方面具有潜力，但其数据的解释仍需谨慎。例如，Chl-a浓度的昼夜变化可能不仅仅反映浮游植物的生长活动，还可能受到其他环境因素的影响。因此，需要结合其他海洋数据，如水温、盐度和营养物质浓度，以更全面地理解Chl-a的变化机制。

综上所述，静止轨道卫星如Himawari-8在海洋颜色监测中具有重要的应用价值，但其数据的准确性仍需进一步提高。通过优化大气校正算法和传感器设计，可以提高其在复杂光学条件下的观测精度。同时，结合多种卫星数据，可以增强对海洋生态系统的理解，为海洋环境监测和管理提供更加可靠的数据支持。