《Marine Pollution Bulletin》：Measuring the plastic concentration in coastal areas: from Sentinel-2 to new technological alternatives
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海洋塑料污染监测中利用Sentinel-2卫星检测浮塑料聚集带（litter windrows）并回溯其聚集过程估算大范围海域塑料浓度，提出结合卫星遥感和模型方法的新技术路径，但受气象条件限制和数据不足影响仍需改进。
阿基莱·卡洛·恰帕（Achille Carlo Ciappa）
意大利那不勒斯帕尔特诺佩大学（Parthenope University of Naples）地球科学与技术系（DiST dept.）
摘要
沿海地区的大型塑料浓度表明需要在陆地采取紧急措施，以及这些措施是否有效。由于塑料在海面上的扩散和快速移动，测量大型塑料浓度具有挑战性，但当塑料聚集时，测量会变得简单一些。Sentinel-2卫星可以检测到漂浮垃圾的自然聚集现象（即所谓的“垃圾堆”），如果能够追踪这种聚集过程，就可以利用这些数据来估计大范围海域的塑料浓度。本文以亚得里亚海北部的一个案例研究为例，讨论了所使用的遥感技术和建模工具，并指出了现有方法中的不足之处。然而，垃圾堆通常形成于近海面的密度前沿，需要1-2天的中等风力（低于5 m/s）才能充分发展至可检测的程度。表面密度前沿的存在以及定期间歇性平静风的影响，限制了Sentinel-2卫星能够监测的沿海区域范围。仅凭卫星数据不足以测量任何沿海地区的塑料浓度；本研究提供的工具和信息表明，可以开发新的海洋仪器来补充基于卫星的监测方法。
引言
鉴于当前的塑料消费量，海洋塑料污染问题预计会日益严重。解决海洋塑料污染的关键在于从源头入手，即在陆地上控制塑料的生命周期（Jambeck等人，2015年；Borrelle等人，2020年）。好消息是，我们已经知道如何在陆地上控制塑料的生命周期；坏消息是我们缺乏相应的测量工具（Cózar等人，2024年）。
测量海洋塑料污染的必要性源于两个原因。首先，目前尚不清楚应采取哪些控制措施。除了那些众所周知的“热点”区域（如河流）之外，很难预测随机分散在陆地上的塑料何时何地会进入海洋。最好的方法是从邻近沿海地区开始监测。第二个原因更为重要且无可争议：沿海地区的大型塑料浓度是验证控制措施效果的重要指标——因为这些大型塑料是来自内陆地区的各种塑料进入海洋的入口（Lebreton等人，2017年）。
由于塑料颗粒在海面上分散且容易被风和洋流推动，因此通过船只难以准确估计其浓度（Goldstein等人，2013年；Martínez-Vicente等人，2019年）。在北大西洋西部进行的二十年船只调查显示，同一区域的塑料浓度变化幅度高达两个数量级，这使得难以判断其时间趋势（Law等人，2010年）。如果塑料能够聚集，测量将变得更加容易。虽然聚集过程在海洋表面自然发生，但形成的垃圾堆（也称为漂浮斑块）由于短暂存在而无法被船只直接观测，但可以通过卫星检测到。
由于分散的塑料无法直接测量，而聚集的塑料可以，本研究探讨了利用这些聚集过程来估计海洋塑料浓度的方法。研究的起点是欧洲航天局（ESA）Copernicus任务中的Sentinel-2卫星所检测到的漂浮斑块。实际上，如果能够追踪聚集过程并量化这些斑块中的塑料含量，就可以估算出这些材料来源区域的平均塑料浓度。本文以亚得里亚海北部的一个案例为例，尝试追踪了这种聚集过程。这只是一个概念验证，并非实际可行的方法，因为目前相关数据仍较为匮乏。文中介绍了所使用的遥感技术和建模工具，并指出了现有方法的局限性。
下一个问题是：Sentinel-2卫星检测到的漂浮斑块是在哪里以及何时形成的。事实上，这些斑块通常形成于具有特定海洋学和气象条件的沿海区域。因此，基于卫星的监测并不能覆盖所有区域，需要结合其他方法来补充卫星数据。关键在于在塑料聚集时进行测量；本研究提出的新技术正是为了解决这一问题。
本文的结构如下：第2节分析了产生Sentinel-2卫星检测到的漂浮斑块的表面聚集过程及其追踪方法；第3节展示了研究结果，包括从Sentinel-2检测到的河口垃圾堆中提取的信息、这些斑块被检测到的时间和地点，以及一种整合卫星监测数据的新技术；第4节讨论了研究方法和结果；第5节总结了研究的主要发现，并在四个附录中提供了更多细节。
方法与技术
本研究基于Sentinel-2卫星数据以及我们在塑料检测方面的丰富经验（Biermann等人，2020年；Themistocleous等人，2020年；Topouzelis等人，2020年；Moshtaghi等人，2021年；Sannigrahi等人，2022年；Ciappa，2022年；Kremezi等人，2022年；Hu，2022年；Damayanti等人，2022年；Kikaki等人，2024年；Cózar等人，2024年；Papageorgiou和Topouzelis，2024年；Ciappa和Budillon，2025年）。多光谱传感器是检测塑料的最佳工具，而Sentinel-2卫星是应用最广泛的卫星。
结果
本研究首先在一个亚得里亚海北部的河口垃圾堆上验证了所提出的工作流程。实验结果有两个方面：首先，尽管存在许多假设，该方法的有效性得到了验证；其次，研究揭示了表面聚集过程的相关特征。
讨论
本研究的第一部分探讨了利用Sentinel-2卫星检测到的漂浮斑块来估计大范围海域塑料浓度的可能性。这一假设基于这样一个事实：这些漂浮斑块的形成始于卫星观测之前的表面聚集过程。如果能够估算出斑块中的塑料含量并追踪其聚集过程，就可以据此估算出该区域的平均塑料浓度。
结论
测量大型塑料浓度具有挑战性，因为塑料颗粒在海面上容易被风和表面洋流带走。船只需要覆盖广阔的海域并持续数天才能获得准确的塑料浓度数据。关键在于在塑料聚集时进行测量，并通过建模来确定其来源区域。
表面聚集过程在海洋表面自然发生，形成的垃圾堆（即漂浮斑块）虽然短暂存在，但可以通过卫星检测到。
作者贡献声明
阿基莱·卡洛·恰帕（Achille Carlo Ciappa）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据验证、方法设计、调查实施、数据分析以及概念构建。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢Elena Cantoni对本文的审阅，以及Andrés Còzar博士和两位匿名审稿人的宝贵意见，这些意见有助于提升论文质量。
