呼伦湖蓝藻水华时空分布特征及适宜气象条件分析

林 聪，王雅莹，董越，赵岳冀，曲学斌

（呼伦贝尔市气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021008）

蓝藻水华暴发是在一定的营养、气象、水文和生态环境条件下形成的藻类过度繁殖和聚集现象，是水环境因子和气象因子综合作用的结果[1]。蓝藻水华暴发时不仅会破坏水体景观，还会在其生长和死亡过程中消耗大量溶解氧，释放毒素，引起水中生物死亡，严重时还会威胁湖泊周边的饮水安全，破坏生态系统平衡[2]。因此快速准确掌握湖泊蓝藻水华暴发的时空规律及所需的气象条件，可以较好地为政府部门提供科学决策依据，做好蓝藻水华的应急处置工作。由于蓝藻水华暴发时，水中的叶绿素a 会显著增加，导致蓝藻覆盖湖面和无藻湖面的光谱特征发生明显差异，而利用卫星遥感技术可以快速、有效地捕捉到这种差异，因此遥感监测已成为目前监测蓝藻水华暴发的主要手段之一[3]。刘晓艳等[4]基于MODIS 影像和归一化植被指数（NDVI）揭示了太湖蓝藻水华暴发的时空规律。袁俊等[5]利用MODIS 和Landsat 影像联合开展巢湖蓝藻水华空间分布规律研究，获得巢湖蓝藻水华暴发的长时间序列数据。李加龙等[6]结合遥感及气象水文数据开展滇池蓝藻水华暴发特征及驱动因子研究，表明风速、温度和日照长度对水华暴发均起到了主要作用。杭鑫等[7]在太湖蓝藻水华遥感解译的基础上，结合气象台站观测数据对蓝藻水华暴发的适宜气象指数进行分析，并建立了预测太湖蓝藻水华的气象指数模型。

呼伦湖是我国第五大湖，地处呼伦贝尔大草原腹地，在区域生态环境保护中具有特殊地位[8]。目前国内开展的蓝藻水华卫星遥感监测研究主要集中在太湖、巢湖、滇池等南方水体[9]，呼伦湖的蓝藻水华研究极少，但由于气候变化等因素影响，2022 年呼伦湖出现了较大面积和较长时间的蓝藻水华暴发，蓝藻水华问题开始备受关注[10]。结合遥感技术开展蓝藻水华暴发时空特征及适宜气象指标研究，可以为呼伦湖蓝藻水华的监测、预警和应急处置提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

呼伦湖位于内蒙古东北部，新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗和扎赉诺尔区交界处（117°00′～117°41′E、48°30′～49°20′E），湖面呈不规则长方形，面积在2 100 km2以上，最大水深为8 m，平均水深为5.7 m[11]，GF-1 号卫星的呼伦湖遥感影像如图1 所示。该地区属于中温带半干旱大陆性气候，总体呈现出冬季寒冷漫长、夏季温凉短促、春季干燥风大、秋季气温骤降的气候特点。呼伦湖的年平均气温为9.6 ℃，年平均降水量为256.7 mm，年平均蒸发量为1 634.1 mm，年平均风速为3.3 m/s，冬季湖水的封冻期达170～180 d，而蓝藻水华的暴发均出现在6—9 月。

图1 呼伦湖高分卫星遥感影像

1.2 蓝藻水华遥感解析方法及数据源

蓝藻水华的解析方式采用目前应用最为广泛的NDVI 方式，该方法具有计算简便、解析范围准确等优点[12]，其计算公式为

式中：ρnir为近红外波段反射率，ρred为红光波段反射率。结合呼伦湖蓝藻水华发生时的INDVI监测数值，设定湖面0.2≤INDVI＜0.5 的区域为轻度蓝藻水华暴发区，INDVI≥0.5 的区域为重度蓝藻水华暴发区，湖面出现轻度（或重度）蓝藻水华面积超过50 km2即为有轻度（或重度）蓝藻水华暴发。

遥感影像数据源采用TERRA 卫星（MODIS 传感器）的2013—2022 年呼伦湖6—8 月逐日遥感影像，分辨率为250 m，每天过境1 景，去除湖面云系覆盖超过20%的影像后，共获得354 景影像。气象数据采用呼伦湖周边满洲里市、新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗3 个国家级气象站的平均日观测数据。

2 结果与分析

2.1 蓝藻水华暴发时间特点

本研究使用的影像数据及蓝藻水华的解析情况如图2 所示，MODIS 影像的有效监测天数占研究期总天数的38.4%。在有效监测的354 景影像中，共有67 景存在蓝藻水华，每年都有蓝藻水华出现，其中23 景存在重度蓝藻水华，仅2014、2016 和2019 年没有重度蓝藻水华暴发。从蓝藻水华暴发的时间来看，大部分年份集中在每年7 月中旬至8 月中旬，其中2014 年和2022 年初始暴发最早（6 月下旬）；2018、2019 年初始暴发最晚（8 月上旬）；2014 年结束暴发最早（7 月中旬）；2018、2020 和2021 年结束暴发最晚（8 月下旬）。

图2 呼伦湖遥感影像数据解析情况

2.2 蓝藻水华暴发的空间分布特点

将每年轻度以上蓝藻水华的暴发按发生次数累加后的空间分布如图3 所示。可见，2022 年是呼伦湖蓝藻水华暴发最为严重的一年，已有影像中湖面蓝藻水华的平均暴发次数为5.3 次，出现过蓝藻水华的湖面占全部湖面的99.8%，暴发5 次以上的区域占全部湖面的67.9%。暴发次重的年份为2013 年和2021 年，湖面蓝藻水华的平均暴发次数分别为1.0 次和0.7 次，出现过蓝藻水华的湖面占全部湖面的59.1%和41.3%，均远低于2022 年。暴发范围最少的年份为2016 年，出现过蓝藻水华的湖面仅占全部湖面的6.7%。从蓝藻水华的易暴发区域来看，呼伦湖的南部湖湾区和北部沿岸区是蓝藻水华最多发的区域，蓝藻水华在西北部湖岸的暴发情况明显重于东南部湖岸。由于遥感影像在云系影响下常监测时间呈离散性，因此难以准确描述每次湖面蓝藻水华暴发区的连续演变过程。

图3 2013—2022 年呼伦湖蓝藻水华暴发次数空间分布

2.3 蓝藻水华暴发的适宜气象条件

统计有效监测影像对应日期的日最高气温、日最低气温、日平均风速和日最大风速，并以1 ℃和1 m/s为区间，统计总蓝藻水华和重度蓝藻水华的暴发次数，同时将暴发次数与各区间的有效监测总次数相除，得到各区间的蓝藻水华暴发概率。如图4 所示。在日最高气温小于23 ℃、日最低气温小于9 ℃且大于20 ℃、日平均风速大于6 m/s、日最大风速大于10 m/s 这4 种气象条件时，没有蓝藻水华暴发。在重蓝藻水华发生的日最高气温、日最低气温、日平均风速、日最大风速区间对应的总蓝藻水华暴发占比分别为88.1%、88.1%、94.0%和98.6%，可见重度蓝藻水华暴发时的气象条件也是主要蓝藻水华暴发时普遍需要的气象条件。

图4 不同气温和风速条件下蓝藻水华的出现次数和概率

从各气温区间暴发概率看，日最高气温为33 ℃和37 ℃时总的蓝藻水华暴发概率最高（50%），日最高气温在31 ℃时重蓝藻水华暴发概率最高（18.2%），日最低气温为17 ℃时总蓝藻水华暴发概率最高（33.3%），日最低气温为15 ℃时重度蓝藻水华暴发的概率最高（16.7%），可见蓝藻水华在气温达到一定条件时才会暴发，之后随着气温继续升高出现概率也会增加，但当气温达到一定数值后继续升高又会对蓝藻水华的暴发起到一定抑制。从各风速区间暴发概率看，总体和重度蓝藻水华的出现概率均呈现随日平均风速增加而减少的趋势，在风速为1 m/s 时出现概率最高。总蓝藻水华暴发概率在日最大风速5 m/s 时最高（20.6%），重蓝藻水华暴发概率在日最大风速4 m/s 时最高（15.6%），大体也呈现出随日最大风速增加而减少的趋势。

使用相同的统计方式，对蓝藻水华暴发时的日平均相对湿度、日最小相对湿度、日最高气压、日平均气压进行分析，未发现蓝藻水华暴发概率的明显分布规律，说明气温和风速是蓝藻水华暴发的主要气象影响因子，其他气象因子影响不明显，这与李亚春等[13]的研究基本一致。考虑有效观测湖面为无云或少云条件，而云量会影响日照时数、辐射和降水，因此未对这3 类气象因子与蓝藻水华暴发情况进行分析。

以研究期内呼伦湖蓝藻水华暴发时气温、风速条件作为较适宜气象条件，以呼伦湖重蓝藻水华暴发时的气象条件作为适宜气象条件，确定呼伦湖蓝藻水华暴发适宜气象条件见表1，其中T表示气温、R表示风速。

表1 呼伦湖蓝藻水华的适宜气象条件

3 结论与讨论

1）呼伦湖的蓝藻水华暴发最早出现在6 月下旬，最晚可以持续到8 月下旬，大部分年份出现在7 月中旬至8 月中旬。从持续时间和影响面积来看，2022 年的蓝藻水华暴发最为严重，其次为2013 年和2021 年。

2）呼伦湖蓝藻水华的主要易发区位于南部的湖湾区和北部沿岸区，蓝藻水华在西北部湖岸的暴发情况明显重于东南部湖岸。

3）结合各气象要素条件下蓝藻水华的暴发概率，以全部和重蓝藻水华暴发时的气象条件作为较适宜和适宜条件。其中适宜气象条件为日最高气温在25～33 ℃，日最低气温在10～17 ℃，日平均风速小于等于4 m/s，日最大风速小于等于9 m/s。

目前呼伦湖蓝藻水华暴发机理及适宜气象条件研究尚处于起步阶段，卫星遥感监测受云系等因素影响存在严重的数据不连续问题，同时又缺乏其他呼伦湖蓝藻水华监测的有效手段，一定程度上影响了适宜气象条件的确定，造成了本研究结论精细程度不足。随着呼伦湖蓝藻水华关注程度的增加，有必要进一步提升蓝藻水华及气象监测能力，为呼伦湖蓝藻水华暴发问题的深入研究奠定良好的基础。