利用Sentinel-2对半干旱沿海水体进行高分辨率浊度制图：评估时间匹配与模型稳健性

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：High-resolution turbidity mapping in semi-arid coastal water bodies using Sentinel-2: Assessing temporal matching and model robustness

　　

**要点摘要**

- Sentinel-2浊度反演在±1至±6天的匹配窗口范围内进行了测试
- ±3天时达到最佳平衡：RMSE = 1.18 NTU，R2 = 0.68（留一交叉验证）
- 模型性能在±3至±6天的匹配窗口范围内相对稳定
- 三个光学区与水深地形和潮汐水动力相关联
- 该方法为半干旱泻湖提供了实用参考

**引言**

浊度是沿海水域的一个基本光学参数，反映了悬浮颗粒物的浓度——包括陆源沉积物、生物碎屑和浮游植物——并对光穿透、光合生产力以及浅水沿海食物网中的能量传递起着主要控制作用（Moore, 1980；Dogliotti et al., 2015；Feng et al., 2020；Wang et al., 2021）。在河口、泻湖和大陆架环境中，浊度具有空间异质性和时间动态性，响应于潮汐强迫、风驱动再悬浮、河流输入以及从数小时到数年不同时间尺度上的季节性水动力变化（Bustamante et al., 2009；Doxaran et al., 2009；Neukermans et al., 2012；da Silva and Castelao, 2018）。因此，浊度的监测需要能够解析沿海系统全空间范围内多尺度变异性观测方法——这是单独的离散原位采样无法满足的要求（Doan et al., 2015；Chowdhury et al., 2023；Villota-González et al., 2023）。

卫星遥感已成为实现沿海和河口环境连续、空间明确的浊度监测的主要工具。Sentinel-2多光谱成像仪（MSI）具有10–60米的空间分辨率，在Sentinel-2A/2B联合星座下的五天重访周期为光学复杂的近岸系统提供了高分辨率水质反演的能力，而这些系统对于MODIS或OLCI等较粗分辨率的传感器来说在空间上是不足的（Caballero et al., 2018；Sent et al., 2021；Chowdhury et al., 2023；Eljaiek-Urzola et al., 2024；Kong et al., 2025）。将红波段出射水反射率与浊度相关联的半经验算法已在各种沿海环境中得到广泛应用和验证，从大潮河口到浅水热带泻湖（Nechad et al., 2009；Nechad et al., 2010；Dogliotti et al., 2015；Katlane et al., 2024；Chowdhury et al., 2025）。

这些卫星方法在业务化应用中的一个基本挑战是原位测量与卫星过境之间的时间不匹配。在海洋颜色科学中，地面实况数据与卫星采集数据的配准——即匹配问题——长期以来已被认为是模型校准质量的决定因素（Bailey and Werdell, 2006；Zibordi et al., 2009）。Bailey and Werdell (2006)和Zibordi et al. (2009)等已建立的协议是为专门的验证活动而开发的，在这些活动中，原位数据被明确收集以与卫星过境同步进行，通常在±1至±3小时的时间窗口内。然而，大多数区域和国家项目中沿海水质监测的现实情况则根本不同——特别是在发展中国家、数据稀缺地区和长期环境监测网络中。现场观测通常是出于管理或生态评估目的而非卫星验证而收集的，与卫星采集的严格时间共配准在操作上既不可行也不被优先安排（Schr?der et al., 2024；Liu et al., 2025）。其结果是，用于沿海系统卫星模型校准的大多数可用原位数据集表现出一天到几天的时间不匹配，然而相对于开放海洋环境中研究的亚日窗口，反演精度对这些偏移的敏感性却远远没有得到系统的关注。

这一挑战并不局限于任何单一区域或传感器，只有少数研究直接针对光学水质反演的时间窗口敏感性进行了研究；这些研究是本工作的最接近的先驱研究。Concha et al. (2021)在针对AERONET-OC参考数据评估Sentinel-3/OLCI和Sentinel-2/MSI的多种验证协议时，证明时间配准标准的选择——包括可接受的时间窗口（从±1到±3小时进行测试）——会实质性影响有效匹配的数量和结果精度统计量。Schr?der et al. (2024)随后进行了（据我们所知）迄今为止最全面的评估，联合评估了Sentinel-2 MSI和Sentinel-3 OLCI针对德国112个水体（湖泊和水库）的原位数据进行Secchi深度、叶绿素-a和浊度反演的空间聚合和时间窗口选择；他们证明最佳匹配窗口是系统相关的，在光学动态水体中通常需要更短的窗口。在更接近非同步监测数据集的多天时间尺度上，Liu et al. (2025)利用中国内陆湖泊22年的MODIS记录，证明±3天和±7天的时间窗口产生统计上不同的悬浮沉积物产品，在高浊度条件下像素级偏差超过25%，从而建议运营产品采用更短的±3天窗口。

综合来看，这些研究确立了时间匹配容差是一个一级、系统相关的方法学参数，而非固定惯例。然而，这些研究要么是在开放海洋条件下进行的，采用专门的、近乎同步的采样（Bailey and Werdell, 2006；Zibordi et al., 2009；Concha et al., 2021），要么是在内陆的、以静水湖泊和水库网络为主、潮汐强迫可忽略的条件下进行的（Schr?der et al., 2024；Liu et al., 2025），并且它们依赖于支持灵活空间聚合策略与时间窗口测试的大型多站点数据集。在受潮汐影响的半干旱沿海泻湖中——那里潮汐流和风驱动再悬浮造成的亚日到天级的水动力强迫可能施加了比目前研究的静水系统更短且更突然的退相关时间尺度——类似的时间退相关行为是否成立仍未被检验。此外，现有的多站点框架并非设计用于在精细（±1天步长）分辨率下表征单个数据稀缺系统的逐天时间退相关响应，也没有将此与能够隔离窗口宽度对反演稳健性特定贡献的留一交叉验证和Bootstrap设计相结合，从而独立于混杂的空间聚合选择。浅水沿海泻湖和半封闭河口进一步加剧了这一差距，因为它们受到潮汐周期、间歇性风事件和数小时至数天时间尺度上沉积物再悬浮驱动的快速浊度变化的影响（Gómez-Valdés et al., 2003；Morales-García et al., 2024），这与开放海洋和深部河口系统典型的白天至周的生物地球化学退相关不同（Liu et al., 2025）。

在墨西哥，基于卫星的水质监测已被应用于内陆水库和湖泊系统（Arias-Rodriguez et al., 2021；Villota-González et al., 2023；Pereyra-Laguna et al., 2025），但尽管半干旱沿海泻湖具有重要的生态和社会经济意义，卫星监测在其中仍然基本缺失。恩塞纳达·德·拉萨斯泻湖（Ensenada de La Paz, ELP）——一个位于下加利福尼亚半岛西南边缘的浅水半封闭沿海泻湖——代表了一个这些方法学挑战与管理需求交汇的系统。该泻湖支撑着城市、旅游和水产养殖活动，并且受到工业径流、废水排放和城市排水污染的文件记录（Pérez-Tribouillier et al., 2015；Sánchez et al., 2020；Becerra-Rueda et al., 2024；López, 2020）。主要由风致沉积物再悬浮和潮汐平流驱动的高浊度限制了光穿透，控制了整个系统中底栖光照可用性的空间范围（Morales-García et al., 2024）。系统性的浊度监测尚不存在，现有原位数据是为水质评估而非卫星验证而收集的，这使得ELP成为在业务化现实条件下评估时间不匹配后果的理想试验案例。

本研究解决以下核心问题，在日尺度分辨率下加以检验：在浅水、受潮汐影响的半干旱沿海泻湖中，Sentinel-2衍生的浊度反演对原位观测与卫星过境之间时间不匹配的敏感性如何，以及当原位数据未与卫星采集同步收集时，什么时间匹配窗口能产生最稳健的校准性能？本研究的贡献是方法学而非算法的：我们有意采用一个已建立的、先前已验证的半经验算法（Nechad et al., 2009；Nechad et al., 2010），而非开发新的反演公式，从而使反演步骤本身保持不变，这样任何识别出的敏感性都具体归因于时间匹配窗口的选择而非算法引起的不确定性。模型稳健性通过嵌套留一交叉验证和Bootstrap框架进行评估，系统地应用于从±1到±6天、以日分辨率递进的时间匹配窗口——将上述回顾的匹配敏感性方法扩展到未解决的受潮汐影响的、数据稀缺的沿海环境。ELP被用作墨西哥太平洋沿岸及全球类似干旱区沿海系统中广泛存在的浅水半干旱沿海泻湖类别的代表性案例研究——这些系统的特点包括监测基础设施有限、事件尺度水动力能量高和管理压力大。除提供本地适用的浊度监测产品外，本研究为研究人员提供了一个可转移的评估框架，用于在类似的受潮汐影响的、数据稀缺沿海环境中，使用非同步的非原位数据集时建立可辩护的时间匹配标准。

**研究区域**

恩塞纳达·德·拉萨斯泻湖（ELP）是一个位于拉巴斯湾南部扇区的浅水沿海泻湖，位于墨西哥下加利福尼亚半岛西南边缘（24°06′–24°10′N，110°19′–110°25′W）（图1）。该泻湖部分被一个被称为"El Mogote"的沙质屏障所封闭，将其与开阔海湾隔开。潮汐水道系统由两条约0.6公里宽、4公里长的平行水道组成，深度从入口处的约7米递减至约4米……

**数据分析**

原位观测的分析揭示了所有站点的浊度与Secchi深度之间明确的反向关系（图2）。以高浊度值为特征的时间和地点一致地与较低的水透明度相关，如下降的Secchi深度所示，反映了悬浮颗粒物对水柱中光衰减的强烈控制。此外，各组站点在两个变量上都表现出相似的统计分布……

**时间匹配与模型稳健性**

留一交叉验证（LOOCV）分析表明，模型性能对用于匹配原位和卫星观测的时间窗口是敏感的。最佳平衡模型是在Δt=3天窗口下获得的（RMSE≈1.18 NTU，R2≈0.68，BIAS≈0.01），反映了时间代表性与样本可用性之间的平衡。这些结果表明，适度的时间不匹配（≤3天）对于浅水沿海……卫星衍生的浊度产品的校准和验证可能是可接受的。

**结论**

本研究证明了在浅半干旱沿海泻湖中，Sentinel-2衍生的红波段反射率在用于估算表面浊度的有效性，即使原位与卫星观测之间存在不完全的时间共配准条件。Nechad et al. (2009)的半经验算法经过本地校准，并通过留一交叉验证进行评估，在一系列时间匹配窗口下提供了可靠的浊度反演，在±3天窗口下表现出平衡的性能……

**CRediT作者贡献声明**

Felivalentín Lamas-Torres：写作——审阅与编辑，写作——初稿，可视化，软件，方法学，形式分析，数据管理，概念化。Rafael Cervantes-Duarte：写作——审阅与编辑，写作——初稿，可视化，指导，方法学，形式分析，概念化。Leonardo Tenorio-Fernández：写作——审阅与编辑，验证，指导，数据管理。Joel Artemio Morales Viscaya：写作——审阅与编辑，验证……

**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影响到本文所报告的工作。

Felivalentín Lamas-Torres | Rafael Cervantes-Duarte | Leonardo Tenorio-Fernández | Joel Artemio Morales Viscaya