卫星遥感数据在海底缺氧预测中的应用：以日本喷火湾为例

《International Journal of Remote Sensing》：Application of satellite remote sensing data for predicting the occurrence of hypoxia at the seabed: a case study in Funka Bay, Japan

本综述创新性地将卫星遥感数据（SST）与气象观测资料相结合，建立了可提前6个月预测日本喷火湾（Funka Bay）夏季海底缺氧（Hypoxia，DO<2 mL L?1）发生的模型。研究揭示了冬季海表热通量（特别是潜热通量QL和感热通量QS）及海岸亲潮（Coastal Oyashio）流入导致的低温海表温度（SST）是调控春季氧复苏和夏季缺氧发生的关键物理过程，为依赖底栖渔业资源的地区提供了无需现场观测即可实现早期预警的有效工具，具有重要的生态与经济意义。

　　

1. 引言

缺氧水体是指溶解氧（DO）浓度极低（通常定义为<2 mL L^?1或<3 mg L^?1）的水团，常见于封闭性或半封闭性水域。其形成源于氧气供需失衡：夏季强烈的太阳辐射导致水体分层，阻碍了表层富氧水与底层的混合；同时，春季产生的有机质沉降至海底，被细菌分解消耗大量氧气。缺氧对底栖生物（如比目鱼、鳕鱼）的生长和生存构成严重威胁，甚至导致大规模死亡，造成巨大的渔业经济损失。日本喷火湾是北海道重要的渔业区，曾于1995年发生因缺氧导致鱼类大量死亡并漂浮至海面的严重事件，2023年也观测到DO浓度低于1 mL L^?1的缺氧情况。因此，开发能够提前预测缺氧发生的系统，对于渔业防灾减灾至关重要。

2. 材料与方法

2.1. 研究区域

喷火湾是一个锥形封闭海湾，直径约50公里，最大深度107米。其水文环境受周边洋流系统（如夏季的黑潮分支津轻暖流和冬季的沿岸亲潮）的强烈影响。亲潮带来的低温低盐水流会增强水体分层，影响冬季的垂直对流和氧气复苏过程。

2.2. 预测模型的演进

研究团队前期（Miki et al., 2025）基于现场观测（如系泊站St. 30测量的10米水深温度）数据，建立了利用2月份海表热通量（主要为湍流热通量，即潜热通量Q_L与感热通量Q_S之和）和5米与75米之间的密度差（Δρ）来预测8月份海底DO浓度的经验模型（公式1）。该模型在2012-2019年间成功预测了缺氧的发生。

本研究旨在摆脱对现场海洋观测的依赖，开发一个完全基于长期、大范围开源数据的预测模型。由于卫星无法直接测量关键的密度差Δρ，而Δρ与反映亲潮流入的海表温度（SST）密切相关，因此，新模型（公式7）使用卫星遥感获得的SST作为替代指标，并与湍流热通量一起作为解释变量，通过多元回归分析确定系数，以预测8月份的DO浓度（DO_Aug）。模型输入数据扩展至2月和3月。

2.3. 数据来源

海表温度（SST）数据来源于哥白尼海洋环境监测服务中心提供的多卫星融合产品（Global High Resolution ODYSSEA SST），空间分辨率为0.1°×0.1°，使用经过质量控制的月平均夜间数据以避免日变化和云层影响。

气象数据（气温、风速、水汽压等）来自喷火湾沿岸六个气象观测站的月平均值。

溶解氧（DO）验证数据分为两个时期：2012-2023年使用St. 30系泊观测站安装在海底以上1米处的传感器连续监测数据；1995-1997年则使用训练船Ushio-maru通过CTD采水器结合Winkler滴定法在90-92米深度测量的离散数据。

3. 结果

3.1. 环境背景时间序列

喷火湾水温呈现明显的季节变化（2-22°C），夏季分层显著，冬季垂直均匀。海底DO浓度在8月达到年度最低值（可低至~1 mL L^?1），在2月达到年度最高值（~9 mL L^?1），且夏季DO浓度的年际变异性较大。1995、1996、2015和2023年均观测到严重的低氧事件（DO远低于2 mL L^?1的缺氧阈值）。

3.2. 关键预测因子分析

分析表明，8月份海底DO浓度与前一个冬季（特别是2月和3月）的SST存在显著相关性（3月SST与8月DO的相关系数r=0.82），而与当年春季和夏季的SST相关性较弱。这证实了冬季海洋过程对夏季缺氧状况的决定性作用。冬季SST的低值通常指示亲潮的流入，这会加强分层，抑制冬季对流性氧复苏。

3.3. 模型预测性能

基于2月数据的预测模型（公式8）和基于3月数据的预测模型（公式9）均能较好地再现观测到的8月DO浓度年际变化。其中，使用3月数据的模型预测精度更高（均方根误差RMSD为0.29 mL L^?1），成功预测了1995-1996年严重缺氧事件以及2013、2015、2023年的低氧状况。模型指出，1995年的严重缺氧与3月份亲潮流入导致SST骤降以及冬季风速偏弱（不利于海气热交换和 convection）密切相关。2023年的缺氧则主要与3月异常高温（减弱海表冷却）有关。

4. 讨论

4.1. 模型稳健性

通过将数据分为训练集（2012-2023）和测试集（1995-1997）进行验证，模型即使在仅使用后期数据训练的情况下，仍能较好地预测前期的严重缺氧事件，表明模型具有一定的稳健性。敏感性分析显示，在构成预测模型的变量中，SST的权重最大，其次是气温，风速的贡献相对较小。尝试加入卫星叶绿素a浓度作为生物生产力的代理变量，对模型改进效果不显著。研究承认样本量较小（共11个有效年份）是当前模型的局限之一。

4.2. 与其他缺氧海域的比较

与波罗的海、切萨皮克湾等全球著名缺氧区相比，喷火湾流域人口密度和农业用地密度均远低于后两者，表明其受人为营养盐输入的影响相对较小。同时，喷火湾与开阔大洋的水体交换较为频繁（至少每年一次），而波罗的海的交换周期可达数年甚至十年。这使得喷火湾的缺氧更主要地受自然气候变异（如冬季风强度、亲潮与黑潮暖涡的相互作用）调控的物理过程支配，而非长期人为富营养化，这或许是本研究能够成功进行物理机制主导的短期预测的重要原因。相比之下，墨西哥湾北部缺氧区的预测模型则高度依赖于密西西比河系的径流量监测。

4.3. 气候变异的影响

喷火湾冬季水温的年际波动（1-5°C）主要受源自鄂霍次克海的寒冷亲潮和源自黑潮的暖涡的影响。全球变暖背景下，鄂霍次克海海冰减少可能导致亲潮特性改变，进而影响喷火湾的热结构。目前，水温是预测的关键因子，但如果未来大气和海洋持续增温，气温的相对重要性可能会上升。

5. 结论

本研究成功开发了一个基于卫星遥感和气象数据的模型，可提前6个月预测喷火湾夏季海底缺氧的发生。模型的核心物理机制在于：冬季海表热损失（通过湍流热通量体现）驱动的对流和氧气向海底的输送是决定夏季底层氧含量的关键。任何不利于冬季海气热交换的因素（如高气温、低风速）以及增强水体稳定性的因素（如亲潮流入导致的低SST），都会抑制氧复苏，增加次年夏季发生缺氧的风险。该模型无需现场海洋观测，操作简便，有望为喷火湾及类似海洋环境的渔业管理提供有效的决策支持工具。未来研究可考虑纳入夏季津轻暖流流入等动态过程，以进一步提升预测精度。