結(jié)合衛(wèi)星遙感技術(shù)的太湖藍(lán)藻水華形成溫度特征分析?

李亞春，謝小萍，朱小莉，杭 鑫，李心怡，景元書(shū)

（1：江蘇省氣象局，南京210008）（2：常州市氣象局，常州213022）（3：南京信息工程大學(xué)，南京210044）

結(jié)合衛(wèi)星遙感技術(shù)的太湖藍(lán)藻水華形成溫度特征分析?

李亞春1，謝小萍1，朱小莉2，杭 鑫1，李心怡3，景元書(shū)3

（1：江蘇省氣象局，南京210008）（2：常州市氣象局，常州213022）（3：南京信息工程大學(xué)，南京210044）

氣溫對(duì)太湖藍(lán)藻的復(fù)蘇生長(zhǎng)和水華形成、大面積暴發(fā)及衰退具有重要作用.利用太湖湖面及周邊地區(qū)2003-2013年氣象與衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)太湖藍(lán)藻水華形成的溫度范圍寬泛，在藍(lán)藻復(fù)蘇后，在日平均氣溫0～35.0℃區(qū)間都能觀測(cè)到藍(lán)藻水華現(xiàn)象，其中日平均氣溫15.1～35.0℃區(qū)間為太湖藍(lán)藻水華頻發(fā)區(qū)間，累計(jì)頻次和面積占比分別為85%和90%；大面積藍(lán)藻水華集中暴發(fā)的氣溫區(qū)間為20.1～35.0℃，累計(jì)頻次和面積占比分別為72%和73%；藍(lán)藻水華出現(xiàn)的概率隨平均氣溫的升高而增大，二者呈二次正相關(guān)關(guān)系，而平均面積則隨氣溫在均值附近波動(dòng)，日平均氣溫達(dá)33℃后平均面積迅速減小.表明氣溫并非復(fù)蘇后太湖藍(lán)藻水華出現(xiàn)與否的主要限制因子，適度高溫有利于藍(lán)藻水華形成，但在日平均氣溫33℃以上時(shí)藍(lán)藻水華會(huì)受到抑制.在此基礎(chǔ)上將藍(lán)藻水華分成4個(gè)階段：休眠期、復(fù)蘇期、增長(zhǎng)期和衰退期，確定了基于氣溫的階段量化指標(biāo)，對(duì)應(yīng)起始和終止的界限溫度分別為：（0℃，5℃）、（5℃，15℃）、（15℃，30℃）和（30℃，0℃），據(jù)此可以計(jì)算出每年藍(lán)藻水華的各生育階段對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，為防控提供依據(jù).

藍(lán)藻水華；氣溫；衛(wèi)星遙感；界限溫度；太湖

近幾十年來(lái)藍(lán)藻水華事件增多趨勢(shì)已成為全球廣泛關(guān)注的問(wèn)題［1-2］，其中水體富營(yíng)養(yǎng)化和氣候變暖被認(rèn)為是2個(gè)重要的原因，但其對(duì)藍(lán)藻水華的影響機(jī)制很復(fù)雜［3-4］.Rigosi等［5］根據(jù)對(duì)1000個(gè)湖泊的最新研究表明，富營(yíng)養(yǎng)化和氣候變暖及其相互作用對(duì)藍(lán)藻水華的貢獻(xiàn)主要依賴于水體的營(yíng)養(yǎng)程度和藻類種群，當(dāng)水體變得更富營(yíng)養(yǎng)時(shí)，藍(lán)藻水華對(duì)其相互作用也更敏感，但營(yíng)養(yǎng)鹽濃度是預(yù)測(cè)藍(lán)藻水華的更重要因子.一般認(rèn)為，充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和適宜的氣象水文條件是藍(lán)藻水華發(fā)生的必要條件，而在湖泊水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化程度長(zhǎng)期得不到控制的情況下，氣象條件可能成為其主要限制因子［6-8］，Zhang等［9］的研究表明，氣候變暖是近20年來(lái)太湖藍(lán)藻水華次數(shù)增多和強(qiáng)度增強(qiáng)的主要原因.現(xiàn)有的研究已證實(shí)，氣溫與風(fēng)［10-12］、光照和降水［13］等氣象因子都會(huì)對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)和水華形成產(chǎn)生重要影響，而不同的氣象因子及其在藍(lán)藻生長(zhǎng)和水華形成的不同階段所起的作用也可能明顯不同.有些學(xué)者認(rèn)為溫度起著重要作用.如Peperzak［14］就認(rèn)為藍(lán)藻水華的發(fā)生主要是由于水溫升高而引發(fā)；2007年太湖藍(lán)藻水華的提前暴發(fā)，當(dāng)年冬、春季異常偏高的氣溫也被認(rèn)為是其關(guān)鍵誘因［15］.另外有些研究證實(shí)溫度是影響藍(lán)藻復(fù)蘇的關(guān)鍵因子.如吳曉東等［16］認(rèn)為氣溫升高使得太湖的水溫升高，從而提高藍(lán)藻的原位生長(zhǎng)速率；陶益等［17］在室內(nèi)復(fù)蘇模擬實(shí)驗(yàn)中確定了太湖藻類復(fù)蘇的溫度閾值：在水體溫度達(dá)到14℃時(shí)藍(lán)藻開(kāi)始少量進(jìn)入水柱中；譚嘯等［18］發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻在12.5℃時(shí)開(kāi)始復(fù)蘇，且復(fù)蘇后的藍(lán)藻具有較高的比生長(zhǎng)速率，有利于其確立優(yōu)勢(shì)地位而形成水華；Zhang等［19］也證實(shí)春季溫度的波動(dòng)很可能會(huì)促進(jìn)水華藍(lán)藻種群優(yōu)勢(shì)地位的更早確立.Cao等［20］發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室里藍(lán)藻復(fù)蘇的氣溫介于5～9℃之間，進(jìn)入水體的氣溫也為14℃，而在太湖實(shí)地觀測(cè)中，藍(lán)藻復(fù)蘇和進(jìn)入水體的氣溫都是9℃，可見(jiàn)由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與野外明顯不同，因此觀測(cè)得到的藍(lán)藻復(fù)蘇溫度也存在明顯差異.在藍(lán)藻復(fù)蘇以后，雖然一般認(rèn)為溫度對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)的作用可能并沒(méi)有那么重要，但水華的暴發(fā)卻與高溫密切相關(guān)，黃煒等［21］認(rèn)為太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)概率與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，Chen等［22］認(rèn)為太湖微囊藻的最適生長(zhǎng)溫度為30～35℃，水庫(kù)中的圍隔實(shí)驗(yàn)也證實(shí)當(dāng)水溫為26℃時(shí)，最適宜于微囊藻的聚集、上浮而形成水華［23］.上述研究都表明，溫度對(duì)藍(lán)藻復(fù)蘇、生長(zhǎng)和水華形成及暴發(fā)都起著重要甚至關(guān)鍵作用，但這些研究大多基于實(shí)驗(yàn)室或短時(shí)間、局部的實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于太湖這樣一個(gè)大型淺水湖泊（面積達(dá)2338 km2），藍(lán)藻水華面積也常達(dá)數(shù)百平方公里，短時(shí)間、局部的實(shí)地觀測(cè)或者基于實(shí)驗(yàn)室的研究顯然難以客觀反映藍(lán)藻水華與環(huán)境溫度之間的關(guān)系.

因此，本文利用太湖湖面及周邊地區(qū)較長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)高頻的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)及同步衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，深入分析太湖藍(lán)藻水華形成的溫度特征，為進(jìn)一步研究藍(lán)藻水華形成機(jī)理提供理論依據(jù)，為太湖藍(lán)藻水華的預(yù)測(cè)、預(yù)警和防控提供技術(shù)支持.

1 資料與方法

1.1 資料

氣象資料來(lái)源于江蘇省氣象局，主要選用太湖周邊區(qū)域的湖州、宜興、無(wú)錫、蘇州、吳中和東山6個(gè)基本站2003-2013年的逐日氣溫觀測(cè)資料、湖面及周邊23個(gè)區(qū)域自動(dòng)站2009-2013年的逐時(shí)氣溫觀測(cè)資料（圖1）.

衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家衛(wèi)星氣象中心和江蘇省氣象局，選用2003-2013年的Aqua／Terra衛(wèi)星（EOS／MODIS）和FY-3衛(wèi)星（MERSI）觀測(cè)的影像數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m.

1.2 太湖藍(lán)藻的遙感解譯方法

在藍(lán)藻水華的眾多遙感解譯方法中［24-26］，歸一化植被指數(shù)法（NDVI）是目前常用的一種方法：

式中，ρnir為近紅外波段反射率，分別對(duì)應(yīng)于MODIS第2通道和MERSI第4通道的反射率值，ρred為紅光波段反射率，分別對(duì)應(yīng)于MODIS第1通道和MERSI第3通道的反射率值.藍(lán)藻水華的NDVI閾值需根據(jù)觀測(cè)時(shí)

刻的大氣狀況、衛(wèi)星天頂角并結(jié)合目視情況確定，范圍在-0.15～0.10.本文用NDVI法解譯得到2003-2013年累計(jì)805幅太湖藍(lán)藻水華面積≥1 km2的衛(wèi)星遙感影像，分別計(jì)算得到藍(lán)藻水華的頻次、面積、時(shí)間及位置信息等.

圖1 氣象數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)位置Fig.1 Location of the sampling meteorological sites

大面積的藍(lán)藻水華暴發(fā)對(duì)太湖水質(zhì)及周邊城市飲用水的影響尤其明顯，為此，本文將專門分析大面積藍(lán)藻水華形成與氣溫的關(guān)系.定義單次藍(lán)藻水華面積超過(guò)太湖水面面積的20%或468 km2以上的為大面積藍(lán)藻水華，得到大面積藍(lán)藻水華衛(wèi)星遙感影像樣本62個(gè)，除2003年以外其它年份均有發(fā)生.

1.3 藍(lán)藻水華出現(xiàn)概率的計(jì)算方法

為考察各氣溫區(qū)間對(duì)藍(lán)藻水華形成的影響，考慮到各氣溫區(qū)間內(nèi)適宜衛(wèi)星遙感的“晴空”日數(shù)可能存在明顯差異，因此僅使用藍(lán)藻水華出現(xiàn)的頻次及其占比并不能客觀反映各氣溫區(qū)間的影響.為此，計(jì)算藍(lán)藻水華出現(xiàn)的概率（Pi）：

式中，Pi為第i氣溫區(qū)間內(nèi)藍(lán)藻水華出現(xiàn)概率，Ti為第i氣溫區(qū)間內(nèi)藍(lán)藻水華出現(xiàn)日數(shù)，Ttotal為第i氣溫區(qū)間內(nèi)除去云量≥8的總?cè)諗?shù).

為考察藍(lán)藻水華的發(fā)生與氣溫之間的關(guān)系，采用非線性統(tǒng)計(jì)回歸方法擬合藍(lán)藻水華概率與氣溫之間的關(guān)系.

1.4 界限溫度的計(jì)算方法

農(nóng)學(xué)和氣象學(xué)上把具有普遍意義的、標(biāo)志某些重要物候現(xiàn)象或農(nóng)事活動(dòng)之開(kāi)始、終止或轉(zhuǎn)折點(diǎn)的日平均溫度稱作界限溫度.為了解太湖藍(lán)藻水華生育進(jìn)程與氣溫的關(guān)系，本文引用界限溫度的概念，并用五日滑動(dòng)平均法來(lái)計(jì)算穩(wěn)定通過(guò)界限溫度的時(shí)間.初日的算法：從春季達(dá)到該界限溫度的第1 d開(kāi)始，計(jì)算第1～5 d的平均值，將此平均值作為第1 d的五日滑動(dòng)平均值；再求第2～6、3～7 d……以此類推，選取五日滑動(dòng)平均值大于該界限溫度并且之后均大于該界限溫度的連續(xù)5 d，把這連續(xù)5 d中的第1 d作為界限溫度的初日；終日的算法：從秋季日平均氣溫第一次出現(xiàn)低于某界限溫度之日起，向前推4 d，按日序依次計(jì)算出每連續(xù)5 d的平均氣溫，并從中選出第一個(gè)出現(xiàn)＜該界限溫度且在其后不再出現(xiàn)5 d平均氣溫高于該界限溫度的前一個(gè)連續(xù)5 d，此5 d中最后一個(gè)日平均氣溫≥該界限溫度的日期即終日.

2 結(jié)果

2.1 藍(lán)藻水華形成的溫度分布

2003-2013年衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到太湖藍(lán)藻水華時(shí)對(duì)應(yīng)的當(dāng)日日平均氣溫范圍為0～35.0℃（圖2），而衛(wèi)星監(jiān)測(cè)時(shí)刻所在的1 h平均氣溫最高為38.7℃，出現(xiàn)于2013年8月9日13：00，藍(lán)藻水華面積為112.6 km2，最低氣

溫為2.8℃，出現(xiàn)于2005年12月18日10：00，藍(lán)藻水華面積為450.7 km2.表明藍(lán)藻水華形成的溫度范圍十分寬泛，在0℃≤日平均氣溫≤35.0℃或2.8℃≤小時(shí)平均氣溫≤38.7℃的情況下，太湖都有可能出現(xiàn)藍(lán)藻水華的聚集現(xiàn)象.

圖2 2003-2013年太湖藍(lán)藻水華面積及對(duì)應(yīng)氣溫分布Fig.2 Cyanobacteria bloom area and corresponding daily mean temperature in Lake Taihu during 2003-2013

將日平均氣溫按每隔5℃分成7個(gè)溫度區(qū)間，統(tǒng)計(jì)太湖藍(lán)藻水華在各氣溫區(qū)間的頻次與面積及各自所占比例（表1），結(jié)果可見(jiàn)，藍(lán)藻水華頻次隨氣溫升高而增大，0～5℃區(qū)間頻次最少，占比僅2%，25.1～30.0℃區(qū)間達(dá)峰值，占比28%，15.1～35.0℃氣溫區(qū)間累計(jì)頻次占比達(dá)85%；藍(lán)藻水華累計(jì)面積總體上也隨氣溫升高而增大，但最小值出現(xiàn)在10.1～15.0℃氣溫區(qū)間，占比僅1%，而最大值仍出現(xiàn)在25.1～30.0℃區(qū)間，占比達(dá)31%，15.1～35.0℃氣溫區(qū)間累計(jì)面積占比達(dá)90%.

表1 2003-2013年各氣溫區(qū)間太湖藍(lán)藻水華面積及頻次占比Tab.1 The accumulate area and accumulate frequency proportion of cyanobacteria bloom in each mean temperature range during 2003-2013

2.2 大面積藍(lán)藻水華形成的溫度分布

各氣溫區(qū)間大面積藍(lán)藻水華的頻次與面積及占比情況可見(jiàn)，大面積藍(lán)藻水華的出現(xiàn)也幾乎覆蓋了0℃以上的氣溫區(qū)間，其中在20℃前各氣溫區(qū)間的頻次和面積占比相對(duì)平穩(wěn)增加，但20℃后明顯增大，在25.1～30℃間均達(dá)最大，頻次和面積占比分別為40%和38%，而日平均氣溫在20.1～35℃區(qū)間累計(jì)頻次和面積占比分別為72%和73%.表明大面積藍(lán)藻水華主要出現(xiàn)在日平均氣溫≥20℃的情況下，其中25.1～30℃為高發(fā)區(qū)間（表2）.

2.3 藍(lán)藻水華概率及平均面積對(duì)氣溫的響應(yīng)

1℃氣溫區(qū)間藍(lán)藻水華概率與平均面積分布圖（圖3）可見(jiàn)，藍(lán)藻水華概率隨氣溫升高而波動(dòng)增大，概率與氣溫呈如下關(guān)系：

式中，p表示藍(lán)藻水華概率，t表示氣溫，R2＝0.89（p0.01＝0.41282），通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn).

圖3 藍(lán)藻水華概率和平均面積與氣溫（1℃區(qū)間）的分布Fig.3 The distribution curve between probability，mean area of cyanobacteria bloom and mean temperature in Lake Taihu

藍(lán)藻水華平均面積隨氣溫的升高變化不大，總體上沿均值上下波動(dòng)，但其中有2個(gè)明顯的低值點(diǎn)需要引起注意.第一個(gè)低值點(diǎn)位于4℃而不是0℃附近，這表明雖然進(jìn)入冬季后氣溫顯著下降，但由于入冬后藍(lán)藻的沉降和休眠有一個(gè)滯后的時(shí)間，前期累積的生物量在一般甚至不適宜的氣象水文條件下仍能形成藍(lán)藻水華，證明了藍(lán)藻水華在入冬后比春季具有更強(qiáng)的耐受低溫的能力，藍(lán)藻水華復(fù)蘇所需的氣溫明顯高于衰亡所需要的氣溫，事實(shí)上，在大部分年份的12月或1月衛(wèi)星都觀測(cè)到了藍(lán)藻水華現(xiàn)象，最低日平均氣溫為0℃.另一個(gè)低點(diǎn)在35℃附近，之前在15～33℃區(qū)間平均面積圍繞均值波動(dòng)，至33℃達(dá)相對(duì)高點(diǎn)后急速向下，表明在日平均氣溫達(dá)33℃左右后藍(lán)藻水華平均面積迅速減小.

3 討論

在1980s之前，太湖流域氣象條件的年代際尺度變化趨勢(shì)不利于藍(lán)藻生長(zhǎng)和水華形成，而1980s以后，尤其是1990s以后，氣候變化有利于太湖藍(lán)藻生長(zhǎng)和水華形成［27-28］.在此背景下，在中小型湖泊較多的我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)，多數(shù)湖泊正處于富營(yíng)養(yǎng)化或已經(jīng)重度營(yíng)養(yǎng)化［29］，因而近年來(lái)藍(lán)藻水華頻率增加、程度加重的趨勢(shì)較明顯，如巢湖、陽(yáng)澄湖、鄱陽(yáng)湖等，甚至連一些水庫(kù)都出現(xiàn)了不同程度的藍(lán)藻水華［30-31］.氣候變化和水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化及其相互作用對(duì)藍(lán)藻水華的影響較為復(fù)雜，但現(xiàn)有研究結(jié)果表明這兩種過(guò)程可能增強(qiáng)藍(lán)藻水華的頻率和程度［3-5］，因此需要進(jìn)一步深入研究氣溫對(duì)藍(lán)藻水華形成機(jī)制的影響.

3.1 藍(lán)藻水華的四階段劃分及氣溫指標(biāo)

在長(zhǎng)期的生存繁衍進(jìn)程中，藍(lán)藻逐漸形成了與自然氣候交替變化相似的周期變化特征.孔繁翔等［6］提出藍(lán)藻生長(zhǎng)與水華形成的四階段理論假說(shuō)，即休眠、復(fù)蘇、生物量增加和上浮和積聚.作者在此基礎(chǔ)上依據(jù)藍(lán)藻水華與氣溫的關(guān)系，試圖獲取藍(lán)藻水華四階段的定量氣溫指標(biāo)及對(duì)應(yīng)日期.按時(shí)間序列將日平均氣溫分成間隔為5℃的14個(gè)溫度區(qū)間，統(tǒng)計(jì)太湖藍(lán)藻水華在各氣溫區(qū)間的面積和頻次所占比例，結(jié)果表明太湖藍(lán)藻水華面積和頻次占比曲線均呈單峰形狀，有3個(gè)相對(duì)明顯的拐點(diǎn)，分別是4月15日（穩(wěn)定通過(guò)該溫度的日期，下同）的15℃，7月24日的30℃和11月4日的15℃（圖4）.根據(jù)曲線主要拐點(diǎn)，結(jié)合四階段理論假說(shuō)，將藍(lán)藻生長(zhǎng)與水華形成劃分為4個(gè)階段：休眠期、復(fù)蘇期、增長(zhǎng)期和衰退期.在休眠期（日平均氣溫0～5℃，對(duì)應(yīng)日期為2月23日前），藍(lán)藻生命代謝過(guò)程可能基本停止，衛(wèi)星觀測(cè)不到藍(lán)藻水華；在復(fù)蘇期（日平均氣溫5～15℃，2月23日至4月15日），藍(lán)藻生理、生化活性緩慢恢復(fù)，群體形成，在適宜的氣象、水文環(huán)境條件下上浮形成水華，衛(wèi)星開(kāi)始觀測(cè)到藍(lán)藻水華形成，但頻次和面積占比均很小，僅分別為0.27%和0.02%；在增長(zhǎng)期

（日平均氣溫15～30℃，4月15日至7月24日），隨著氣溫的升高，藍(lán)藻光合作用強(qiáng)，細(xì)胞增殖快，生物量迅速增長(zhǎng)，在適宜的環(huán)境條件影響下大量聚集形成水華，衛(wèi)星觀測(cè)到藍(lán)藻水華的頻次和面積迅速增加，分別在30～35℃和35～30℃區(qū)間達(dá)到峰值，占比達(dá)19.27%和21.63%；此后，藍(lán)藻水華可能進(jìn)入衰退期（30～0℃，7月24日以后），隨氣溫的逐漸下降，藍(lán)藻水華頻次和面積占比也降低，但在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)氣溫處于藍(lán)藻水華的適宜溫度范圍，因此頻次和面積仍維持較高水平，至15℃（11月4日）后迅速下降直至0，將這一子階段稱為藍(lán)藻水華的下沉期.

圖4 太湖藍(lán)藻水華的主要階段劃分及對(duì)應(yīng)的氣溫與日期Fig.4 The main phase division of cyanobacteria bloom and corresponding critical temperature and date in Lake Taihu

確定各階段溫度指標(biāo)可以掌握藍(lán)藻水華的生育進(jìn)程及時(shí)間節(jié)點(diǎn)，有助于藍(lán)藻水華的預(yù)測(cè)預(yù)警和科學(xué)防控.復(fù)蘇期起始溫度為日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)5℃，而實(shí)際日平均氣溫應(yīng)該明顯高于5℃，同時(shí)考慮到此時(shí)太湖水體溫度要高于氣溫且存在垂直水溫差，因此這一界限溫度指標(biāo)與Cao等［20］的5～9℃氣溫及Reynolds［32］的7～8℃水溫基本吻合.從衛(wèi)星觀測(cè)到的太湖藍(lán)藻水華逐月頻次和面積（表3）可以看出，衛(wèi)星觀測(cè)到藍(lán)藻水華的最早日期為3月9日，在此前的1月中旬至2月下旬期間都沒(méi)有藍(lán)藻水華，因此，將未觀測(cè)到藍(lán)藻水華的一段時(shí)期稱為休眠期，事實(shí)上，1-2月太湖湖區(qū)底泥表面藻藍(lán)素濃度為年內(nèi)最低［33］.對(duì)應(yīng)秋季溫度為15℃（對(duì)應(yīng)日期為11月4日），藍(lán)藻水華開(kāi)始進(jìn)入下沉期，這一指標(biāo)與相關(guān)文獻(xiàn)相似：Abbots池塘中微囊藻的下沉臨界溫度為8～12℃［34］，Rosherne湖中微囊藻的下沉臨界溫度為9～11℃［35］，Harbeesport水庫(kù)中微囊藻的臨界溫度＜12.8℃［36］，吳曉東等［37］也證實(shí)11月時(shí)太湖藍(lán)藻水華大量下沉進(jìn)入底泥.

表3 2003-2013年太湖藍(lán)藻水華月累計(jì)頻次和面積Tab.3 The accumulate area and frequency of cyanobacteria bloom in each month in Lake Taihu during 2003-2013

3.2 藍(lán)藻水華的適宜氣溫范圍

氣溫對(duì)不同階段藍(lán)藻生長(zhǎng)和水華形成會(huì)產(chǎn)生不同的影響.根據(jù)分析結(jié)果，在復(fù)蘇以后，藍(lán)藻水華出現(xiàn)的氣溫范圍覆蓋了日平均氣溫為0～35.0℃區(qū)間，表明氣溫并非復(fù)蘇后藍(lán)藻水華出現(xiàn)與否的主要限制因子.但氣溫對(duì)藍(lán)藻的復(fù)蘇生長(zhǎng)起著關(guān)鍵作用.相關(guān)的研究已證實(shí)藍(lán)藻的生長(zhǎng)復(fù)蘇需要達(dá)到一定的水溫條件［19，21，37］.較高的氣溫對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)和水華形成具有促進(jìn)作用.太湖藍(lán)藻水華出現(xiàn)的概率與氣溫呈二次正相關(guān)關(guān)系，與文獻(xiàn)［21，31］結(jié)論基本相符，平均面積隨氣溫在均線上下波動(dòng)，但日平均氣溫達(dá)33℃后平均面積迅速減小，說(shuō)明在33℃以上高溫情況下，藍(lán)藻的增殖受到一定程度的抑制.在2013年7月1日至8月14日，太湖地區(qū)出現(xiàn)創(chuàng)歷史極值的持續(xù)高溫晴熱天氣，雖然期間觀測(cè)到藍(lán)藻水華頻次為2007年以來(lái)同期最多，但單次最大面積和平均面積卻為同期最小，這一觀測(cè)事實(shí)也證實(shí)了上述結(jié)果.衛(wèi)星觀測(cè)到藍(lán)藻水華主要出現(xiàn)在日平均氣

溫為15.1～35.0℃，而在25.1～30.0℃區(qū)間內(nèi)頻率最高，累計(jì)面積也最大，大面積藍(lán)藻水華高發(fā)區(qū)間也為25.1～30.0℃，表明太湖藍(lán)藻水華的最適宜氣溫區(qū)間為25.1～30.0℃，與Hua等［23］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符.

盡管對(duì)于長(zhǎng)江中下游地區(qū)其它湖泊藍(lán)藻水華的研究遠(yuǎn)不如太湖這么多，但已有研究得到了類似的結(jié)果.如關(guān)于藍(lán)藻水華暴發(fā)的最適宜溫度，淀山湖為24.2～30.5℃［29］，巢湖為22.0～30.0℃［39］，陽(yáng)澄湖為前5 d平均氣溫30℃［40］；關(guān)于藍(lán)藻水華的不同階段說(shuō)法，吳曉東等［37］認(rèn)為巢湖也存在與太湖類似的下沉越冬和春季復(fù)蘇規(guī)律.因此，本文有關(guān)太湖藍(lán)藻水華形成的溫度特征的研究結(jié)果，也可以為研究長(zhǎng)江中下游地區(qū)其它湖泊藍(lán)藻水華的規(guī)律提供參考.

4 結(jié)論

1）氣溫對(duì)太湖藍(lán)藻的復(fù)蘇生長(zhǎng)和水華形成、衰退及大面積暴發(fā)具有重要作用.在藍(lán)藻復(fù)蘇后，在日平均氣溫0～35.0℃區(qū)間都能觀測(cè)到藍(lán)藻水華現(xiàn)象，表明氣溫并非復(fù)蘇后藍(lán)藻水華出現(xiàn)與否的主要限制因子.適度高溫有利于藍(lán)藻水華形成，太湖藍(lán)藻水華主要出現(xiàn)在日平均氣溫為15.1～35.0℃的區(qū)間，日平均氣溫25.1～30.0℃區(qū)間為藍(lán)藻水華頻發(fā)區(qū)，也是大面積藍(lán)藻水華集中暴發(fā)區(qū).

2）太湖藍(lán)藻水華出現(xiàn)的概率隨平均氣溫的升高而增大，二者呈二次正相關(guān)關(guān)系，而平均面積隨氣溫在均線上下波動(dòng)，日平均氣溫達(dá)33℃后平均面積迅速減小，表明日平均氣溫在33℃以上時(shí)藍(lán)藻水華受到抑制.

3）太湖藍(lán)藻水華可分為4個(gè)階段：休眠期、復(fù)蘇期、增長(zhǎng)期和衰退期，對(duì)應(yīng)的起始和終止界限溫度分別為（0℃，5℃）、（5℃，15℃）、（15℃，30℃）和（30℃，0℃），根據(jù)界限溫度可以計(jì)算出每年藍(lán)藻水華的各個(gè)生育階段對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從而為防控提供依據(jù).

［1］ Shu HT，Chen EY，Gin KY.Comparison of quantitative PCR and droplet digital PCR multiplex assays for two genera of bloom-forming cyanobacteria，Cylindrospermopsis and Microcystis.Applied and Environmental Microbiology，2015，81（15）：5203-5211.

［2］ Bista D，Heckathorn SA，Bridgeman T et al.Interactive effects of temperature，nitrogen，and zooplankton on growth and protein and carbohydrate content of cyanobacteria from western Lake Erie.Journal of Water Resource and Protection，2014，6（12）：1139-1153.

［3］ O’Neila JM，Davisb TW，Burfordb MA et al.The rise of harmful cyanobacteria blooms：The potential roles of eutrophication and climate change.Harmful Algae，2012，（14）：313-334.

［4］ Paerl HW，Otten TG.Harmful cyanobacterial blooms：Causes，consequences，and controls.Microbial Ecology，2013，65（4）：995-1010.

［5］ Rigosi A，Carey CC，Ibelings BW et al.The interaction between climate warming and eutrophication to promote cyanobacteria is dependent on trophic state and varies among taxa.Limnology and Oceanography，2014，59（1）：99-114.

［6］ Kong Fanxiang，Gao Guang.Hypothesis on cyanobacteria bloom-forming mechanism in large shallow eutrophic lakes.Acta Ecologica Sinica，2005，25（3）：589-595（in Chinese with English abstract）.［孔繁翔，高光.大型淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中藍(lán)藻水華形成機(jī)理的思考.生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（3）：589-595.］

［7］ Kanoshina I，Lips U，Leppanen JM.The influence of weather conditions（temperature and wind）on cyanobacterial bloom development in the Gulf of Finland（Baltic Sea）.Harmful Algae，2003，（2）：29-41.

［8］ Cao HS，Kong FX，Luo LC et al.Effects of wind and wind-induced waves on vertical phytoplankton distribution and surface blooms of Microcystis aeruginosa in Lake Taihu.Journal of Freshwater Ecology，2006，21（2）：231-238.

［9］ Zhang M，Duan HT，Shi XL et al.Contributions of meteorology to the phenology of cyanobacterial blooms：implications for future climate change.Water Research，2012，46（2）：442-452.

［10］ Wang Chenglin，Huang Juan，Qian Xin.Spatio tempoal characteristics of wind field under high temperature and gentle breeze in Taihu Basin.J Lake Sci，2011，23（1）：122-128（in Chinese with English abstract）.DOI：10.18307／2011. 0118.［王成林，黃娟，錢新.高溫微風(fēng)條件下太湖流域風(fēng)場(chǎng)時(shí)空特征分析.湖泊科學(xué)，2011，23（1）：122-128.］

［11］ Wu Tingfeng，Zhu Guangwei，Qin Boqiang et al.Prior wind field induced hydrodynamics and its influence on cyanobacterial bloom in northern bays of Lake Taihu，China.J Lake Sci，2012，24（3）：409-415（in Chinese with English abstract）.

［12］ Qin Boqiang，Hu Weiping，Gao Guang et al.Dynamics of sediment resuspension and the conceptual schema of nutrient release in the large shallow Lake Taihu，China.Chinese Science Bulletin，2003，48（17）：1822-1831（in Chinese with English abstract）.［秦伯強(qiáng)，胡維平，高光等.太湖沉積物懸浮的動(dòng)力機(jī)制及內(nèi)源釋放的概念性模式.科學(xué)通報(bào)，2003，48（17）：1822-1831.］

［13］ Wu Shengli，Liu Cheng，Sun Jun et al.Remote sensing and analysis on meteorological factors of blue algal bloom in Lake Taihu.Meteorological Monthly，2009，35（1）：18-23（in Chinese with English abstract）.［武勝利，劉誠(chéng)，孫軍等.衛(wèi)星遙感太湖藍(lán)藻水華分布及其氣象影響要素分析.氣象，2009，35（1）：18-23.］

［14］ Peperzak L.Climate change and harmful algal blooms in the North Sea.ACTAO Ecilogica，2003，（24）：139-144.

［15］ Xia Jian，Qian Peidong，Zhu Wei.Study on causes of early blue-green algae bloom in Lake Taihu in 2007.Scientia Meteorologica Sinica，2009，29（4）：531-535（in Chinese with English abstract）.［夏健，錢培東，朱瑋.2007年太湖藍(lán)藻水華提前暴發(fā)氣象成因探討.氣象科學(xué)，2009，29（4）：531-535.］

［16］ Wu Xiaodong，Kong Fanxiang.The determination of in situ growth rates of the bloomed Microcystis in Meiliang Bay，Lake Taihu.China Environmental Science，2008，28（6）：552-555（in Chinese with English abstract）.［吳曉東，孔繁翔.水華期間太湖梅梁灣微囊藻原位生長(zhǎng)速率的測(cè)定.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2008，28（6）：552-555.］

［17］ Tao Yi，Kong Fanxiang，Cao Huansheng et al.Simulative recruitment of Microcystis from the surface sediment in Lake Taihu.J Lake Sci，2005，17（3）：231-236（in Chinese with English abstract）.DOI：10.18307／2012.0312.［陶益，孔繁翔，曹煥生等.太湖底泥水華藍(lán)藻復(fù)蘇的模擬.湖泊科學(xué)，2005，17（3）：231-236.］

［18］ Tan Xiao，Kong Fanxiang，Yu Yang et al.Effects of enhanced temperature on algae recruitment and phytoplankton community succession.China Environmental Science，2009，29（6）：578-582（in Chinese with English abstract）.［譚嘯，孔繁翔，于洋等.升溫過(guò)程對(duì)藻類復(fù)蘇和群落演替的影響.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2009，29（6）：578-582.］

［19］ Zhang M，Yang Y，Zhen Y et al.Photochemical responses of phytoplankton to rapid increasing-temperature processpre. Phycological Research，2012，60（3）：199-207.

［20］ Cao HS，Tao Y，Kong FX et al.Relationship between temperature and cyanobacterial recruitment from sediments in laboratory and field studies.Journal of Freshwater Ecology，2008，23（3）：405-412.

［21］ Huang Wei，Zhao Laijun.Identification model of mignificant impact factors for cyanobacterial bloom.Journal of University of Shanghai for Science and Technology，2012，34（5）：435-440（in Chinese with English abstract）.［黃煒，趙來(lái)軍.藍(lán)藻水華顯著影響因子識(shí)別模型.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（5）：435-440.

［22］ Chen YW，Gao XY.Study on variations in spatial and temporal distribution of Microcystis in Northwest Lake Taihu and its relations with light and temperature.In：CAI Qiming ed.Ecology of Lake Taihu.Beijing：China Meteorological Press，1998：142-148.

［23］ Hua JB，Zong ZX.Experimental research on formation of algae bloom in Yanghe reservoir.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，1994，30（4）：476-484.

［24］ Duan Hongtao，Zhang Shouxuan，Zhang Yuanzhi.Cyanobacteria bloom monitoring with remote sensing in Lake Taihu.J Lake Sci，2008，20（2）：145-152（in Chinese with English abstract）.DOI：10.18307／2008.0202.［段洪濤，張壽選，張淵智.太湖藍(lán)藻水華遙感監(jiān)測(cè)方法.湖泊科學(xué)，2008，20（2）：145-152.］

［25］ Han Xiuzhen，Wu Chaoyang，Zheng Wei et al.Satellite remote sensing of cyanophyte using observed spectral measurements over the Lake Taihu.Journal of Applied Meteorological Sciences，2010，21（6）：724-731（in Chinese with English abstract）.［韓秀珍，吳朝陽(yáng)，鄭偉等.基于水面實(shí)測(cè)光譜的太湖藍(lán)藻衛(wèi)星遙感研究.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2010，21（6）：724-731.］

［26］ Hu CM，Lee ZP，Ma RH et al.Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS）observations of cyanobacteria blooms in Lake Taihu，China.Journal of Geophysical Research，2010，115（C04002）：1-20.

［27］ Shang Zhaotang，Ren Jian，Qin Mingrong et al.Relationships between climatic change and cyanobacterial bloom in Lake Taihu.Chinese Journal of Ecology，2010，29（1）：55-61（in Chinese with English abstract）.［商兆堂，任健，秦銘榮.氣候變化與太湖藍(lán)藻暴發(fā)的關(guān)系.生態(tài)學(xué)雜志，2010，29（1）：55-61.

［28］ Wang Chenglin，Pan Weiyu，Han Yueqi et al.Effect of global climate change on cyanobacteria bloom in Lake Taihu.China Environmental Science，2010，30（6）：822-828（in Chinese with English abstract）.［王成林，潘維玉，韓月琪等.全

球氣候變化對(duì)太湖藍(lán)藻水華發(fā)展演變的影響.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2010，30（6）：822-828.］

［29］ Wang Mingwei，Xu Qixin，Che Yue et al.Research on the meteorological and hydrological factors of cyanobacteria bloom in Lake Dianshan.Journal of East China Normal University：Natural Science，2011，（1）：21-31（in Chinese with English abstract）.［王銘瑋，徐啟新，車越等.淀山湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的氣象水文因素探討.華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，（1）：21-31.］

［30］ Cheng Xiaoying，Li Shijie.An analysis on the evolvement processes of lake eutrophication and their characteristics of the typical lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River.Chinese Science Bulletin，2006，（7）：848-855（in Chinese with English abstract）.［成小英，李世杰.長(zhǎng)江中下游典型湖泊富營(yíng)養(yǎng)化演變過(guò)程及其特征分析.科學(xué)通報(bào)，2006，（7）：848-855.

［31］ Yu Jianqiao，Lü Xueyan.Analysis on the occurring conditions for RS detective blue-green algae bloom in Lake Taihu.Environmental Science＆Technology，2015，38（6）：93-98（in Chinese with English abstract）.［郁建橋，呂學(xué)研，太湖遙感可測(cè)性藍(lán)藻水華發(fā)生條件分析.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38（6）：93-98.

［32］ Reynolds CS.Cyanobacteria water blooms.In：Callow JA ed.Advances in botanical research.London：Academic Press，1987：67-143.

［33］ Kong Fanxiang，Song Lirong eds.Study on the formation process and environmental characteristics of cyanobacteria bloom. Beijing：Science Press，2011（in Chinese）.［孔繁翔，宋立榮.藍(lán)藻水華形成過(guò)程及其環(huán)境特征研究.北京：科學(xué)出版社，2011.］

［34］ Thomas RH，Walsby AE.Buoynacy regulation in a strain of Microcystis.Journal of General Microbiology，1985，131：799-809.

［35］ Reynolds CS，Rogers DA.Seasonal-variations in vertical distribution and buoyancy of Microcystis aeruginosa Kutz Emend Elenkin in Rostherne-mere，England.Hydrobiologia，1976，48（1）：17-23.

［36］ Robarts RS，Zohary T.Temperature effects on photosynthetic capacity，respiration and growth rates of bloomforming cyanobacteria.New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research，1987，21（3）：391-399.

［37］ Wu Xiaodong，Kong Fanxiang，Zhang Xiaofeng et al.Comparison of overwintering and recruitment of cyanobacteria in Lake Taihu and Chaohu Lake.Environmental Science，2008，29（5）：1313-1318（in Chinese with English abstract）.［吳曉東，孔繁翔，張曉峰等.太湖與巢湖水華藍(lán)藻越冬和春季復(fù)蘇的比較研究.環(huán)境科學(xué)，2008，29（5）：1313-1318.］

［38］ Liu Yusheng，Han Mei，Liang Zhanbin et al.Influence of light intensity，temperature and nutrients on the growth of Microcystis in water of Lake Dianchi.Research of Environmental Sciences，1995，8（6）：7-11（in Chinese with English abstract）.［劉玉生，韓梅，梁占彬等.光照、溫度和營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)滇池微囊藻生長(zhǎng)的影響.環(huán)境科學(xué)研究，1995，8（6）：7-11.］

［39］ Miao Can.Analysis of phytoplankton chlorophyll-a in summer and autumn in Lake Chaohu and the impact factors of Cyanobacteria blooms［Dissertation］.Hefei：Anhui University，2008（in Chinese with English abstract）.［繆燦.巢湖夏、秋季浮游植物葉綠素a及藍(lán)藻水華影響因素分析［學(xué)位論文］.合肥：安徽大學(xué)，2008.

［40］ Jin Jianping，Yu Xin，Bao Yunxuan et al.Study on the relationship between the cyanobacteria density and the previous environmental factors in the east part of the Lake Yangcheng.Chinese Journal of Agrometeorology，2013，34（3）：324-331（in Chinese with English abstract）.［金建平，于鑫，包云軒等.陽(yáng)澄湖東湖藍(lán)藻密度與前期環(huán)境因子的關(guān)系.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2013，34（3）：324-331.］

Applying remote sensing techniques in analysis of temperature features causing cya?nobacteria bloom in Lake Taihu

LI Yachun1，XIE Xiaoping1，ZHU Xiaoli2，HANG Xin1，LI Xinyi3&JING Yuanshu3
（1：Meteorological Bureau of Jiangsu Province，Nanjing 210008，P.R.China）（2：Changzhou Meteorological Bureau，Changzhou 213022，P.R.China）（3：Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，P.R.China）

Air temperature plays an important role in the recruitmen，growth，and formation of cyanobacteria bloom，as well as，the large area outbreak and decline of water bloom in Lake Taihu.In order to find out the relationships between the formation of cyanobacteria bloom in Lake Taihu and surface temperature，meteorological data and satellite observations of the lake and surrounding areas from 2003 to 2013 were used to perform quantitative analysis in this paper.It is found that there is a wide range of daily average temperature（0-35.0℃）suitable for cyanobacteria bloom appearing.Specifically，when daily average temperature falls between 15.1 and 35.0℃，the frequency of cyanobacteria bloom occurrences increases，leading to the accumulate frequency and accumulate area of cyanobacteria bloom accounted for 85%and 90%，respectively.The large area of cyanobacteria bloom mainly occurs in the daily average temperature range from 20.1 to 35.0℃，with the accumulate frequency and accumulate area accounted for 72%and 73%，respectively.Meanwhile，the probability of cyanobacteria bloom appearance increases as average temperature rising，showing a quadratic positive correlation.Moreover，single average area of cyanobacteria bloom fluctuates near the mean value of temperature，which decreases rapidly when daily average temperature reaches 33℃.It shows that temperature is not the limiting factor for appearance of cyanobacteria bloom after it is resuscitated.Moderate high temperature benefits formation of cyanobacteria bloom，and becomes inhibiting factor when it reaches above 33℃.On the basis of analysis，the relationship to temperature，quantitative indicators of four stages of cyanobacteria bloom are identified.These four stages include dormant，recruitmen，growth and decline pe-

Cyanobacteria bloom；surface temperature；remote sensing；critical temperature；Lake Taihu

?江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃太湖專項(xiàng)（BK2007745）、江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（BE2011840）和江蘇省氣象局重點(diǎn)項(xiàng)目（KZ201403）聯(lián)合資助.2015-10-22收稿；2016-01-20收修改稿.李亞春（1966～），男，碩士，研究員級(jí)高級(jí)工程師；E-mail：jsqxlyc＠163.com.

10.18307／2012.0312.［吳挺峰，朱廣偉，秦伯強(qiáng)等.前期風(fēng)場(chǎng)控制的太湖北部湖灣水動(dòng)力及對(duì)藍(lán)藻水華影響.湖泊科學(xué)，2012，24（3）：409-415.］

J.Lake Sci.（湖泊科學(xué)），2016，28（6）：1256-1264

DOI 10.18307／2016.0611

?2016 by Journal of Lake Sciences

riods，and their initial and final critical temperature are（0℃，5℃），（5℃，15℃），（15℃，30℃）and（30℃，0℃），respectively. Relating to critical temperature，the corresponding date could be pinpointed for the four stages of cyanobacteria bloom.This study provides a basis for the prevention and control of algae bloom.