核電溫排水基準(zhǔn)溫度星地協(xié)同提取與分析
——以寧德為例

王雅萍，馬秀秀，，李家國，朱利，李凱云

1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院,焦作 454003;

2.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094;

3.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094

1 引言

近年來，沿海地區(qū)核電站數(shù)量不斷增加，而社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐步增強(qiáng)，核電站在工作過程中造成周圍水域溫度異常升高的“熱污染”現(xiàn)象越來越引起公眾的普遍關(guān)注（Chen 等，2000）。核電站熱效率僅為一般火電廠的30%—35%，加上核電機(jī)組循環(huán)水量是火電機(jī)組的1.2—1.5倍，所以棄熱量較多（梁珊珊 等，2012）。棄熱量主要是通過循環(huán)加熱冷卻水方式進(jìn)行熱量交換，加熱后的冷卻水最終被排入鄰近受納海域，由于其溫度高于周邊水體溫度，因此，又被稱為“溫排水”（Chew等，2015；Jiang等，2009；Bamber和Seaby，2004）。溫排水會(huì)改變受納海域水體溫度場(chǎng)特征，對(duì)周圍水域生態(tài)系統(tǒng)和水生生物的數(shù)量、種類、群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響（Wang 等，2008；Arieli 等，2011；Reutter 和Herdendorf，1976；Wang 等，2009；Kelly 等，2016）。因此，核電站溫排水的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)對(duì)于防止熱污染，保護(hù)海域水質(zhì)和水環(huán)境的生態(tài)平衡具有重要意義（許靜 等，2014）。準(zhǔn)確、定期地調(diào)查溫排水影響的范圍和強(qiáng)度，是評(píng)估核電站溫排水對(duì)周圍海域環(huán)境影響的基礎(chǔ)條件。

目前，核電站溫排水熱污染監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)主要包括3 種手段：數(shù)學(xué)及物理模擬、地面測(cè)量監(jiān)測(cè)、熱紅外遙感監(jiān)測(cè)。數(shù)學(xué)及物理模擬（Hamrick 和Mills，2000；Shen等，1996；Suh，2001；Zeng等，2002）主要用于核電站發(fā)電前的評(píng)價(jià)與論證，以及擬建核電站溫排水熱污染影響范圍的預(yù)測(cè)，Lowe 等（2009）使用三維流體力學(xué)模型MIKE 3 來評(píng)估從Charles Poletti 核電站排放到紐約市皇后區(qū)東河的溫排水的影響，并成功地利用三軸熱場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)。Cheng 等（2011）通過三維數(shù)值模擬，使用κ-ε湍流模型研究了地形對(duì)電廠溫排水熱擴(kuò)散的影響。地面測(cè)量監(jiān)測(cè)主要采用現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量的方式進(jìn)行水域?qū)崨r調(diào)查，是溫排水調(diào)查最直接和最直觀的手段。其優(yōu)點(diǎn)是受天氣影響較小，結(jié)果最為客觀真實(shí)，能直接獲取海表溫度和海水溫度—深度廓線等相關(guān)數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是成本高、速度慢、只能獲取有限個(gè)采樣點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。Huang 等（2019）以ND 和FCG 兩個(gè)不同潮汐動(dòng)力的研究區(qū)為例，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了由熱排放引起海水分層的時(shí)空特征。Jiang 等（2019）在象山灣上游寧海電廠附近的兩個(gè)牡蠣養(yǎng)殖場(chǎng)和控制區(qū)進(jìn)行了10 次巡航調(diào)查，通過研究表明牡蠣養(yǎng)殖有效緩解了水體富營養(yǎng)化和海藻大量繁殖，提高了浮游植物多樣性。與地面接觸式測(cè)量監(jiān)測(cè)不同，熱紅外遙感監(jiān)測(cè)是利用衛(wèi)星從太空進(jìn)行非接觸式的海表溫度反演以及溫排水監(jiān)測(cè)。熱紅外遙感可以進(jìn)行大范圍海表溫度同步反演（Hosoda 等，2007；Chen 等，2003；Donlon 等，2002；Wu 等，2007），成本低、速度快、范圍廣、可多期連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，是溫排水熱污染監(jiān)測(cè)的重要方式，不足之處是易受天氣影響。吳傳慶等（2006）利用多時(shí)相的TM 熱紅外衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)反演了廣州大亞灣核電站附近的水域溫度，對(duì)核電站溫排水強(qiáng)度、擴(kuò)散范圍和環(huán)境影響進(jìn)行了有效的評(píng)價(jià)。Liu 等（2020）利用Landsat 8 和GF-5 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，采用輻射傳輸方程法對(duì)紅沿河地區(qū)的海表溫度進(jìn)行反演，分析了熱排放對(duì)近海岸區(qū)域的影響，并論證了GF-5數(shù)據(jù)在海表溫度監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

熱污染分布范圍及程度監(jiān)測(cè)，無論是數(shù)學(xué)及物理模擬、地面測(cè)量監(jiān)測(cè)還是熱紅外遙感監(jiān)測(cè)，基準(zhǔn)溫度獲取的科學(xué)性與客觀性起著至關(guān)重要作用?；鶞?zhǔn)溫度主要是相對(duì)于溫排水引起的熱異常而言，定義為在假設(shè)沒有溫排水發(fā)生情況下，現(xiàn)有區(qū)域內(nèi)水體表面的平均溫度（朱利 等，2014）。目前常用的基準(zhǔn)溫度提取方法有多點(diǎn)平均溫度法（近岸多點(diǎn)）、取水口溫度法、鄰近區(qū)域溫度替代法、校正的海灣平均法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑、10 km 半徑、15 km 半徑）、溫升混合區(qū)最低溫度法（朱利 等，2016）。多點(diǎn)平均溫度法位置確定方便，但是對(duì)點(diǎn)位的分布位置依賴性較大，不易確定最優(yōu)點(diǎn)位，如近岸多點(diǎn)、均勻多點(diǎn)和邊界多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的結(jié)果往往相互差異性較大。取水口溫度法由于是單點(diǎn)法，計(jì)算簡單方便，點(diǎn)位在溫升混合區(qū)附近，而實(shí)際發(fā)生溫排時(shí)受洋流等影響很難確定取水口是否受到熱污染。鄰近區(qū)域溫度替代法是在發(fā)電前長時(shí)間序列熱紅外遙感影像的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)性原則選擇核電站附近不受溫排水影響的區(qū)域，具有一定的統(tǒng)計(jì)科學(xué)依據(jù)，但也需要大量熱紅外遙感影像進(jìn)行計(jì)算。校正的海灣平均法比較穩(wěn)定，以海灣范圍為邊界，不適用于開放及半開放的受納海域。半徑區(qū)域平均溫度法受溫升混合區(qū)變化的影響，半徑不易確定，相較開闊性海域，更適用于灣形海域。溫升混合區(qū)最低溫度法，又稱最小值法，采用最小溫度作為基準(zhǔn)計(jì)算方便快捷，但是會(huì)過高估算溫排水的影響范圍。

地面測(cè)量監(jiān)測(cè)可為熱紅外遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果提供比對(duì)和驗(yàn)證，熱紅外遙感監(jiān)測(cè)可為地面測(cè)量監(jiān)測(cè)的采樣和實(shí)施提供宏觀指導(dǎo)（朱利 等，2014）。然而，當(dāng)前地面測(cè)量監(jiān)測(cè)和熱紅外遙感監(jiān)測(cè)在實(shí)施過程中，往往是各自獨(dú)立計(jì)算基準(zhǔn)溫度和熱污染提取，并沒有將地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與遙感反演參數(shù)進(jìn)行協(xié)同處理，基準(zhǔn)溫度設(shè)定客觀性不足且互相獨(dú)立、缺少一致性，監(jiān)測(cè)結(jié)果的可比較性相對(duì)較弱。本文以寧德核電站附近受納海域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用地面測(cè)量與GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，開展星地協(xié)同基準(zhǔn)溫度提取方法研究，以及星地協(xié)同熱污染提取與比對(duì)分析，以期獲取更為科學(xué)合理的溫排水監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)和熱污染分布范圍及等級(jí)，提高溫排水監(jiān)測(cè)水平，進(jìn)而為核電站溫排水管理和水環(huán)境監(jiān)管等提供有效的科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

2.1 研究區(qū)概況

寧德核電站位于福建省寧德市轄福鼎市太姥山鎮(zhèn)，瀕臨東海，交通便利。該核電站是中國第一座在海島上建設(shè)的核電站，也是海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的第一座核電站，同時(shí)還是國家核電中長期發(fā)展規(guī)劃頒布實(shí)施后正式開工的第一個(gè)百萬千瓦級(jí)核電項(xiàng)目。主體工程于2008 年2 月18 日開工建設(shè)，一期工程4 臺(tái)機(jī)組于2016 年7 月21 日全面建成（http：//www.ndnp.com.cn/ndnp/c101496/listtt.shtml［2021-01-08］）。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

2.2.1 航點(diǎn)航線設(shè)計(jì)

試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)于2019 年10 月在寧德核電站周邊海域進(jìn)行了海面定點(diǎn)剖面觀測(cè)試驗(yàn)，與GF-5 衛(wèi)星過境同步觀測(cè)。基于寧德核電站前期溫度反演結(jié)果，結(jié)合核電站周邊海域具體情況，設(shè)計(jì)試驗(yàn)航點(diǎn)與航線。以排水口為中心建立不同距離等距線，由里及外編號(hào)為A，B，…，J；同時(shí)，以排水口為中心創(chuàng)建等角度輻射線，編號(hào)依次為1，2，…，24。等距線與輻射線的交點(diǎn)即為設(shè)計(jì)航點(diǎn)，如圖1 所示。設(shè)計(jì)過程中，需對(duì)部分點(diǎn)位位置進(jìn)行調(diào)整以避開陸地和島嶼的影響。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)72 個(gè)航點(diǎn)，以核電站為中心向外由密到疏逐漸分布。由于核電站在工作模式下，離排水口越近溫升越大，所以離排水口越近，航點(diǎn)越為密集，以確保后期水體溫度插值的精度。為保證星地同步觀測(cè)，每條航線既要考慮航點(diǎn)數(shù)量和航點(diǎn)位置，也要考慮航行總路程，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4條航線，如圖1所示。

圖1 地面試驗(yàn)航點(diǎn)航線設(shè)計(jì)圖Fig.1 Waypoints and routes design drawing of marine test

2.2.2 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)由4 艘漁船執(zhí)行，每艘漁船分別攜帶1 臺(tái)溫鹽深測(cè)儀CTD（Conductivity-Temperature-Depth）或溫深儀TD（Temperature-Depth）。CTD/TD 是測(cè)量海洋物理特性的重要工具，可用于測(cè)量不同深度下精確的海水溫度和鹽度等參數(shù)，儀器溫度測(cè)量范圍為-5 ℃—35 ℃（精度：0.002 ℃；穩(wěn)定度：每月≤0.0002 ℃），深度測(cè)量范圍為1000 m（精度：1%滿刻度范圍；穩(wěn)定度：每年≤0.05%滿刻度范圍）。

試驗(yàn)過程中CTD/TD 均設(shè)定為自容式測(cè)量，數(shù)據(jù)采集頻率均設(shè)定為1次/s，全程不間斷連續(xù)測(cè)量。試驗(yàn)過程中為了降低測(cè)量誤差，保證測(cè)量溫度的有效性，CTD/TD每次剛?cè)胨畷r(shí)均需在水表20 cm處停留10 s 以上以確保測(cè)量探頭與水體充分進(jìn)行溫度交換，在投遞過程中勻速緩慢下放和回收，同時(shí)小心避免觸底。儀器回收后，置于船艙內(nèi)以避開陽光直射，避免高溫光照帶來儀器電子器件性能變化。

2.3 衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取

GF-5 衛(wèi)星于2018 年5 月9 日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，2019 年03 月21 日正式投入使用。GF-5衛(wèi)星配置有6臺(tái)先進(jìn)有效載荷，觀測(cè)譜段覆蓋紫外到長波紅外。其中，B09—B12 為GF-5/VIMS傳感器的4 個(gè)熱紅外通道：B09（8.01—8.39 μm）、B10（8.42—8.83 μm）、B11（10.30—11.30 μm）、B12（11.40—12.50 μm），空間分辨率為40 m，可提供高空間分辨率的海表溫度信息。

本文以2019年10月15日星地同步過境的GF-5/VIMS 衛(wèi)星影像進(jìn)行海表溫度反演和溫排水遙感提取與分析。

3 研究方法

3.1 總體技術(shù)流程

本文總體技術(shù)流程如圖2所示。先對(duì)地面試驗(yàn)獲取的時(shí)間序列溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括分割與提取、深度校正、分層統(tǒng)計(jì)以及異常值剔除，進(jìn)而獲取各航點(diǎn)溫度分層數(shù)據(jù)；隨后對(duì)地面測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值以及對(duì)GF-5 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取地面和衛(wèi)星兩種手段得到的水體溫度；同時(shí)，在對(duì)各航點(diǎn)溫度垂直剖面特征進(jìn)行分析基礎(chǔ)之上，構(gòu)建穩(wěn)定溫度法對(duì)基準(zhǔn)溫度進(jìn)行提取；隨后，分別進(jìn)行地面測(cè)量和遙感監(jiān)測(cè)兩者溫升分布范圍提?。蛔詈髮?duì)不同提取方法結(jié)果進(jìn)行比對(duì)與分析。

圖2 溫排水星地協(xié)同提取技術(shù)路線Fig.2 Satellite-marine synergistic extraction technology roadmap of thermal plume

3.2 時(shí)間序列溫度處理

3.2.1 航點(diǎn)數(shù)據(jù)處理

（1）航點(diǎn)分割與提取。CTD/TD 自容式測(cè)量頻率為1 次/s，整個(gè)試驗(yàn)過程均有數(shù)據(jù)記錄，記錄內(nèi)容包括入水后的水體溫度和入水前、出水后的空氣溫度，因此需要從所有記錄數(shù)據(jù)里面篩選航點(diǎn)處水體溫度數(shù)據(jù)。由于儀器在測(cè)量過程中先進(jìn)水后出水，所以每個(gè)航點(diǎn)處的深度數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)由淺入深之后又由深至淺的周期性現(xiàn)象。如圖3（a）航線4溫度序列數(shù)據(jù)所示，整個(gè)測(cè)量過程中溫度和深度隨時(shí)間呈現(xiàn)12 個(gè)周期變換，分別對(duì)應(yīng)航線4測(cè)量的12個(gè)航點(diǎn)。通過圖3中規(guī)律分析，儀器剛?cè)胨蛣偝鏊畷r(shí)的測(cè)量深度為海平面高度，由儀器記錄值可知為0.02 m（真實(shí)值應(yīng)為0 m，此處0.02 m由實(shí)際大氣壓與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓差異引起，后文對(duì)該誤差進(jìn)行校正），故深度從0.02 m 增加后再次回到0.02 m為儀器測(cè)量一個(gè)航點(diǎn)的周期，各周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的溫度值即為相應(yīng)航點(diǎn)處測(cè)量溫度序列。

圖3 地面試驗(yàn)航點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)提取Fig.3 Data extraction of waypoint temperature in marine test

（2）深度校正。CTD/TD 儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的航點(diǎn)深度包含海平面高度處實(shí)際大氣壓與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓差異引起的相對(duì)誤差，需對(duì)大氣壓差異引起的深度誤差進(jìn)行校正以得到儀器入水真實(shí)深度，計(jì)算如式（1）所示：

式中，h為校正后儀器入水深度，hm為儀器校正前入水深度，h0為儀器放置于海平面高度時(shí)記錄的深度值，本次試驗(yàn)如前文所述為0.02 m。校正后海表以上深度值為-0.02 m，如圖3（b）航點(diǎn)408 數(shù)據(jù)所示。

（3）分層統(tǒng)計(jì)。各航點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)提取之后，根據(jù)溫升監(jiān)測(cè)需求，每0.5 m 設(shè)為一個(gè)深度分層，計(jì)為hi，（i=0.5，1.0，1.5，…），如h0.5分層代表0—0.5 m 深度。各深度分層內(nèi)水體溫度的平均值為該層溫度，如式（2）所示。以圖3（b）航點(diǎn)408 第0.5 m 分層溫度數(shù)據(jù)提取為例，紅色點(diǎn)為儀器從0 m 到0.5 m 入水過程中測(cè)量的10 個(gè)溫度值，藍(lán)色點(diǎn)為儀器從0.5 m 到0 m 出水過程中測(cè)量的8 個(gè)溫度值，18 個(gè)溫度數(shù)據(jù)的平均值25.171 ℃即為航點(diǎn)408 的0.5 m 層溫度數(shù)據(jù)，其他分層溫度類同計(jì)算。

3.2.2 異常溫度剔除

在測(cè)量過程中如果儀器觸底或者在入水前受到高溫照射，可能使測(cè)量數(shù)據(jù)存在異常值，因此需對(duì)表層和底層數(shù)據(jù)進(jìn)行異常識(shí)別與剔除，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)相鄰分層深度的溫度值進(jìn)行梯度計(jì)算得到相鄰分層深度梯度值，若梯度值過大則說明對(duì)應(yīng)分層溫度存在異常。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的格拉布斯（Grubbs）準(zhǔn)則法（Grubbs，1950；王建，2002）對(duì)相鄰分層溫度梯度值進(jìn)行異常值判斷：

（1）將樣本ui（i=1，2，…，m）按升序排列成順序統(tǒng)計(jì)量，其中，m為樣本總數(shù)；

（2）計(jì)算樣本均值uˉ和標(biāo)準(zhǔn)差σ；

（3）計(jì)算格拉布斯統(tǒng)計(jì)量，如式（3）所示：

式中，i值為1、m，g1為下側(cè)格拉布斯數(shù)，gm為上側(cè)格拉布斯數(shù)。

（4）根據(jù)測(cè)量值的個(gè)數(shù)及顯著性水平α查找格拉布斯表得到對(duì)應(yīng)的格拉布斯準(zhǔn)則臨界值G1-α(m)，其中，α為造成檢驗(yàn)錯(cuò)誤的概率，1-α為置信概率，本研究取α為0.01（池慶璽和司錫才，2006）；

（5）判斷，見式（4）：

式中，i值為1、m。

（6）剔除異常值后重復(fù)上述步驟，直到不存在異常值為止。

經(jīng)計(jì)算，在航點(diǎn)104、105、218、308 處相鄰分層溫度梯度存在4處異常，將其去除以避免異常值干擾。

3.3 水體溫度空間插值

地面試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)為點(diǎn)狀離散分布，采用克里金空間插值方法（kriging），將地面測(cè)量結(jié)果插值成具有連續(xù)分布特征的溫度場(chǎng)空間。kriging是基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的插值方法，以空間統(tǒng)計(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過權(quán)重系數(shù)的確定，使內(nèi)插函數(shù)處于最佳狀態(tài)（Reynolds和Smith，1994），如式（5）所示：

式中，Z(si)是第i個(gè)位置的測(cè)量值，λi是第i個(gè)位置處的測(cè)量值的未知權(quán)重，s0是預(yù)測(cè)位置，N是測(cè)量值個(gè)數(shù)。

3.4 海表溫度反演

遙感數(shù)據(jù)反演海表溫度方法主要分為針對(duì)單個(gè)通道的算法和針對(duì)多個(gè)通道的算法。劈窗算法（Qin 和 Karnieli，1999；Prata，1993，1994；Sobrino 等，1991）被證明是一種精度較高的針對(duì)多個(gè)通道的算法。對(duì)GF-5 熱紅外譜段進(jìn)行正射校正、輻射定標(biāo)等預(yù)處理后，采用兩通道（B09—B10）劈窗算法對(duì)海表溫度進(jìn)行反演。

（1）正射校正。正射校正可糾正一般系統(tǒng)因素產(chǎn)生的幾何形變，也能消除地形引起的幾何形變，本研究采用RPC文件進(jìn)行正射校正。

（2）輻射定標(biāo)。目的是將影像的DN 值轉(zhuǎn)化為能表征地面熱輻射能力大小的物理量，是反演海表溫度的基礎(chǔ)，計(jì)算如式（6）所示：

式中，L為輻亮度（單位：W·m-2·sr-1·μm-1），Gain為絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)增益，Bias 為偏移量，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 GF-5全譜段光譜成像儀B09與B10定標(biāo)系數(shù)Table 1 The B09 and B10 calibration coefficients of the GF-5 VIMS

（3）亮溫計(jì)算。利用GF-5/VIMS 傳感器通道響應(yīng)函數(shù)，通過Planck 函數(shù)計(jì)算在不同亮度溫度輸入條件下對(duì)應(yīng)的等效輻亮度，采用二次擬合（崔文杰 等，2020）建立亮溫與輻亮度的擬合關(guān)系，如式（1）所示。

式中，L09、L10為通道09 和通道10 的輻亮度，T09、T10為通道09和通道10的亮度溫度。

（4）海表溫度計(jì)算。劈窗算法的一般表達(dá)式如式（8）所示：

式中，T0為海表溫度，A0、A1、A2為溫度反演系數(shù)參數(shù)，本研究選取觀測(cè)天頂角0°、中緯度條件下多通道劈窗算法修訂系數(shù)進(jìn)行計(jì)算（崔文杰 等，2020），相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 GF-5全譜段光譜成像儀兩通道劈窗算法系數(shù)Table 2 Two-channel split-window algorithm coefficients of the GF-5 VIMS

3.5 基準(zhǔn)溫度提取

3.5.1 基于剖面特征基準(zhǔn)溫度提取

（1）航點(diǎn)溫度垂直剖面特征分析。通過對(duì)實(shí)測(cè)海水溫度隨深度的剖面變化規(guī)律進(jìn)行分析，將其歸納為7種類型。選取各類型代表性數(shù)據(jù)，以深度為縱軸，溫度為橫軸制作垂直剖面圖，再結(jié)合各類型航點(diǎn)空間分布位置，分析各種類型垂直剖面溫度特征和空間分布特征，如表3所示。

表3 地面試驗(yàn)航點(diǎn)垂直剖面圖分類及各類型空間分布位置Table 3 Classification of vertical profile of marine test waypoints and spatial distribution of each type

（2）實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法基準(zhǔn)溫度提取。由表3可得，類型1航點(diǎn)剖面數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，空間位置分散分布且不在排水口附近聚集，所以不受溫排水的影響。類型2航點(diǎn)剖面數(shù)據(jù)前端穩(wěn)定，一定深度后溫度略有升高或降低，空間分布較分散，所以認(rèn)為保持穩(wěn)定的前幾層不受溫排水影響。類型3溫度數(shù)據(jù)中端主體趨于穩(wěn)定，且位置分散分布，受溫排水影響的可能性較小。類型4多數(shù)點(diǎn)位遠(yuǎn)離排水口，部分點(diǎn)位雖接近排水口但其垂直剖面特征在一定深度后主體趨于穩(wěn)定，說明這些航點(diǎn)溫度在一定深度以下不受溫排水影響。類型5溫度數(shù)據(jù)一直降低，沒有趨于穩(wěn)定的溫度層，且部分點(diǎn)位聚集在排水口附近，無法排除溫排水的影響。類型6數(shù)據(jù)先降低后升高，始終沒有趨于穩(wěn)定，可能受到溫排水影響。類型7中剖面曲線沒有明顯的規(guī)律特征，通過對(duì)其空間分布位置分析，發(fā)現(xiàn)部分點(diǎn)位分布在排水口附近，受溫排水影響的可能性很大。

綜上所述，前4種類型的垂直剖面溫度分別在整體、前端、中端、后端存在連續(xù)多層保持穩(wěn)定的數(shù)據(jù)且空間分布遠(yuǎn)離排水口，稱之為穩(wěn)定溫度點(diǎn)，可用于基準(zhǔn)溫度提取，這些航點(diǎn)大多分布在核電站排水口正東、東南以及南部方向，考慮到衛(wèi)星遙感反演的是表層溫度，類型3 和類型4 表層溫度并不是穩(wěn)定溫度，因此，本文只使用類型1和類型2的表層穩(wěn)定溫度點(diǎn)進(jìn)行基準(zhǔn)溫度提取。后3種類型的垂直剖面數(shù)據(jù)不存在連續(xù)穩(wěn)定溫度層說明受到了溫排水影響或者無法排除是否受到影響，稱為不穩(wěn)定溫度點(diǎn)，不能用于基準(zhǔn)溫度提取，這些航點(diǎn)主要分布在排水口附近及其正北方向。

本次試驗(yàn)共獲取49 個(gè)穩(wěn)定溫度點(diǎn)，包含18 個(gè)表層穩(wěn)定溫度點(diǎn)；23個(gè)不穩(wěn)定溫度點(diǎn)。分別對(duì)18個(gè)表層穩(wěn)定溫度點(diǎn)的各自穩(wěn)定層溫度值求平均得到各航點(diǎn)穩(wěn)定溫度，再對(duì)18 個(gè)航點(diǎn)穩(wěn)定溫度求平均得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基準(zhǔn)溫度，稱之為實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法，該方法是基于地面試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)垂直廓線特征提取基準(zhǔn)溫度位置與大小。

3.5.2 基于衛(wèi)星遙感基準(zhǔn)溫度提取

參考實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法獲取的基準(zhǔn)溫度位置，從衛(wèi)星影像反演的海表溫度數(shù)據(jù)提取遙感監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)溫度。通過實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法得到不受溫排水影響的遙感影像空間點(diǎn)位分布，采用這些點(diǎn)位信息提取遙感影像海表溫度數(shù)據(jù)，并計(jì)算平均值得到熱紅外遙感監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)溫度。

3.6 溫升分布范圍提取

基準(zhǔn)溫度確定后，通過式計(jì)算溫升，并通過分級(jí)（許靜 等，2014）標(biāo)識(shí)不同溫升強(qiáng)度，如表4所示。

表4 溫升級(jí)別劃分Table 4 Thermal plume intensity level division

式中，ΔT為溫升，T為地面試驗(yàn)插值溫度或GF-5衛(wèi)星影像反演溫度，Tr為提取的基準(zhǔn)溫度值。

4 結(jié)果與分析

4.1 地面測(cè)量水體溫度

水體0.5 m 分層溫度插值結(jié)果如圖4 所示。由圖4可得，高溫區(qū)主要集中在排水口附近，溫度由排水口向外逐漸擴(kuò)散，主體擴(kuò)散方向?yàn)榕潘谡狈较?，距離排水口越遠(yuǎn)的位置溫度值越低，說明這些區(qū)域受溫排水的影響越小。排水口以南區(qū)域溫度空間分布均勻，說明這些區(qū)域溫排水分布較少。溫度由排水口向正北呈遞減分布，這與核電站所處海灣洋流有關(guān)，使溫排水排放到排水口以北區(qū)域。

圖4 地面測(cè)量0.5 m分層深度溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution of 0.5 m stratified depth in marine measurement

4.2 遙感反演海表溫度

GF-5 衛(wèi)星影像溫度反演結(jié)果如圖5 所示。由圖5可知，排水口附近的溫度較高，溫度由排水口向北擴(kuò)散，而排水口以東和以南區(qū)域溫度較低，且基本保持不變，說明這些區(qū)域受溫排水影響不大。

圖5 GF-5衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)溫度分布圖Fig.5 GF-5 monitoring temperature distribution

由地面實(shí)測(cè)0.5 m 水體溫度（圖4）和GF-5 衛(wèi)星遙感反演溫度（圖5）可得，兩者的高溫區(qū)均集中在排水口附近，并且溫度均由排水口向正北方向擴(kuò)散。兩種監(jiān)測(cè)手段得到的溫度值在排水口東部、東南和南部區(qū)域較低，說明這些區(qū)域較少受到溫排水影響，且離排水口越遠(yuǎn)，溫排水造成的熱污染強(qiáng)度越小。綜上所述，由地面試驗(yàn)和GF-5衛(wèi)星遙感兩種監(jiān)測(cè)手段得到的溫度分布范圍和擴(kuò)散趨勢(shì)基本一致。

4.3 基準(zhǔn)溫度與比對(duì)分析

采用構(gòu)建的實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法提取地面試驗(yàn)和GF-5 衛(wèi)星影像的基準(zhǔn)溫度，并分別計(jì)算研究區(qū)平均溫度，如圖6所示。研究區(qū)地面試驗(yàn)與衛(wèi)星影像的平均溫度分別為25.5 ℃和26.4 ℃，相差0.9 ℃，基準(zhǔn)溫度分別為24.3 ℃和25.6 ℃，相差1.3 ℃。比對(duì)可見，地面試驗(yàn)與衛(wèi)星影像的平均溫度差異在1 ℃以內(nèi)，達(dá)到海表溫度反演精度要求。引起平均溫度差異的原因主要包括：（1）CTD/TD 的是一個(gè)點(diǎn)的溫度，而GF-5 衛(wèi)星影像測(cè)量的是40 m×40 m的平均像元溫度，由此產(chǎn)生了點(diǎn)源溫度和面源溫度的差異；（2）水體測(cè)量的0.5 m 以內(nèi)平均溫度與遙感反演的表皮溫度存在一定的差異；（3）空間插值誤差和遙感反演算法自身誤差；（4）地面測(cè)量時(shí)段內(nèi)海水溫度受光照或風(fēng)浪影響而產(chǎn)生的局部增溫或降溫變化。由于溫排水監(jiān)測(cè)采用的是基于基準(zhǔn)溫度的相對(duì)溫差，即式（9）中的ΔT，而且遙感監(jiān)測(cè)使用的基準(zhǔn)溫度是基于遙感反演水表溫度結(jié)果提取的，因此地面測(cè)量和遙感反演的相對(duì)差異對(duì)溫升提取的影響較小。

圖6 地面測(cè)量和GF-5衛(wèi)星遙感基準(zhǔn)溫度及平均溫度Fig.6 Reference and average temperature of marine measurement and GF-5 monitoring

4.4 溫升空間分布與比對(duì)分析

研究區(qū)地面試驗(yàn)測(cè)量與GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)不同強(qiáng)度溫排水空間分布結(jié)果如圖7所示。從地面監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)溫升結(jié)果可以看出，熱污染在排水口附近及其以北方向均有分布，兩者的二、三、四級(jí)溫升分布范圍、分布趨勢(shì)基本一致，溫升二級(jí)及以上的區(qū)域分布在排水口附近；衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的一級(jí)溫升向北擴(kuò)散的同時(shí)有部分又由北向東擴(kuò)散，而地面試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的一級(jí)溫升大多向北流動(dòng)，向東北方向流動(dòng)較少，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的一級(jí)溫升范圍略大于地面試驗(yàn)一級(jí)溫升范圍，兩者在排水口以東以及東南方向均不存在溫升現(xiàn)象。

圖7 地面測(cè)量監(jiān)測(cè)與GF-5衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)不同強(qiáng)度溫升分布Fig.7 Marine measurement and GF-5 monitoring different intensity distribution

地面測(cè)量監(jiān)測(cè)表明，溫排水熱污染主要分布在核電站排水口附近及其正北方向，導(dǎo)致這些位置航點(diǎn)的剖面溫度波動(dòng)較大，這與表3中的不穩(wěn)定溫度點(diǎn)（類型5—類型7）相對(duì)應(yīng)；在排水口正東、東南、南部方向不存在熱污染現(xiàn)象，所以這些位置航點(diǎn)的剖面溫度波動(dòng)較小，存在連續(xù)的溫度穩(wěn)定層，對(duì)應(yīng)表3 中的穩(wěn)定溫度點(diǎn)（類型1—類型4）。說明本研究構(gòu)建的基準(zhǔn)溫度提取方法能有效提取地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)熱污染分布情況，可以避免因受到溫排水的影響而造成的基準(zhǔn)溫度值偏高現(xiàn)象，避免基準(zhǔn)溫度值不穩(wěn)定以及出現(xiàn)異常值的情況。

分別計(jì)算地面試驗(yàn)與衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的溫升分級(jí)面積及其面積比例，如圖8所示。兩種手段監(jiān)測(cè)的溫升面積和溫升面積比例由一級(jí)到五級(jí)逐漸遞減。地面測(cè)量監(jiān)測(cè)和GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)得到的熱污染總面積分別為15.00 km2、16.53 km2，兩者面積相差1.53 km2，分別占地面和遙感監(jiān)測(cè)熱污染總面積的10.17%和9.23%。地面試驗(yàn)得到的一級(jí)溫升面積為10.65 km2，占總面積的70.96%，GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的一級(jí)溫升面積為12.69 km2，占總面積的76.76%，兩者面積相差2.04 km2，占地面測(cè)量監(jiān)測(cè)熱污染總面積的13.60%。由地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)和GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)得到的二到四級(jí)溫升面積差異分別0.39 km2、0.21 km2、0.05 km2，面積差異占地面測(cè)量監(jiān)測(cè)熱污染總面積的比例分別為2.59%、1.39%、0.32%，可見兩種手段得到的二到四級(jí)溫升面積非常接近。地面測(cè)量監(jiān)測(cè)沒有五級(jí)溫升，而GF-5 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)得到的五級(jí)溫升面積也僅僅為0.03 km2，星地面積差異占地面測(cè)量監(jiān)測(cè)熱污染總面積的0.22%?？傮w而言，地面試驗(yàn)監(jiān)測(cè)溫升擴(kuò)散面積與GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的溫升擴(kuò)散面積差異較小。綜上所述，采用實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法提取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)溫度，能夠準(zhǔn)確、有效的提取核電站熱污染分布范圍和大小。

圖8 地面測(cè)量與GF-5衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)溫升面積和面積比例比對(duì)Fig.8 Comparison of thermal plume area and its ratio between marine measurement and GF-5 monitoring

4.5 不同方法比對(duì)分析

為了比對(duì)實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法與當(dāng)前其他基準(zhǔn)溫度提取方法的差異，分別采用多點(diǎn)平均溫度法（近岸多點(diǎn)）、取水口溫度法、鄰近區(qū)域溫度替代法、校正的海灣平均法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）、溫升混合區(qū)最低溫度法共6 種方法來計(jì)算GF-5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)溫度以及對(duì)應(yīng)的溫升分布，結(jié)果分別如表5和圖9所示。

表5 不同方法GF-5衛(wèi)星遙感基準(zhǔn)溫度提取結(jié)果Table 5 Reference temperature of GF-5 monitoring with different methods

圖9 不同方法GF-5衛(wèi)星遙感溫升提取結(jié)果Fig.9 Thermal plume of GF-5 monitoring with different methods

由圖9 可得，多點(diǎn)平均溫度法（近岸多點(diǎn)）、取水口溫度法、鄰近區(qū)域溫度替代法3種方法得到的熱污染分布范圍顯著小于地面測(cè)量監(jiān)測(cè)結(jié)果（圖7（a））。其中，多點(diǎn)平均溫度法（近岸多點(diǎn)）和取水口溫度法提取的熱異常分布范圍最小，兩者的熱污染均分布主要集中于排水口附近；鄰近區(qū)域溫度替代法雖然提取的一級(jí)溫升分布范圍略大，但與地面試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的一級(jí)溫升分布范圍相比差異仍然較大。

校正的海灣平均法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）、溫升混合區(qū)最低溫度法三者得到的熱污染分布范圍均顯著大于地面測(cè)量監(jiān)測(cè)結(jié)果。其中，3 種方法提取的二級(jí)溫升分布范圍明顯大于地面測(cè)量監(jiān)測(cè)的二級(jí)溫升；另一方面，3 種方法在排水口附近存在面積較大的五級(jí)溫升區(qū)域，而地面測(cè)量監(jiān)測(cè)并沒有五級(jí)溫升。

綜合比對(duì)表明，多點(diǎn)平均溫度法（近岸多點(diǎn)）、取水口溫度法和鄰近區(qū)域溫度替代法顯著低估了溫排水影響，而校正的海灣平均法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）和溫升混合區(qū)最低溫度法卻顯著高估了溫排水影響，實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法提取結(jié)果最為客觀、準(zhǔn)確。

不同基準(zhǔn)溫度方法遙感監(jiān)測(cè)各等級(jí)溫升面積及其比例、星地監(jiān)測(cè)面積比對(duì)如圖10 所示。實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法、多點(diǎn)平均溫度法（近岸多點(diǎn)）、取水口溫度法、鄰近區(qū)域溫度替代法、校正的海灣平均法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）、溫升混合區(qū)最低溫度法遙感監(jiān)測(cè)溫升總面積與地面測(cè)量監(jiān)測(cè)的差異分別為1.53 km2、11.95 km2、11.12 km2、7.69 km2、6.61 km2、8.46 km2、14.93 km2，差異占比分別為10.17%、79.65%、74.11%、51.25%、44.09%、56.39%、99.53%。可見實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法提取的星地?zé)嵛廴静町愖钚?，相較于其他方法精度提高了4—10倍。

圖10 不同基準(zhǔn)溫度方法遙感監(jiān)測(cè)溫升面積、面積比例及其比對(duì)Fig.10 Area，ratio and its comparison of thermal plume to different reference temperature methods by remote sensing monitoring

對(duì)于一級(jí)溫升提取結(jié)果，實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）和溫升混合區(qū)最低溫度法三者提取的結(jié)果相對(duì)一致，面積差異占比在6%—14%，其余方法差異占比均較大（18%以上）；對(duì)于二級(jí)溫升提取結(jié)果，實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法提取的面積差異為0.39 km2，面積差異占比為2.59%，與地面測(cè)量監(jiān)測(cè)結(jié)果最為一致，多點(diǎn)平均溫度法（近岸多點(diǎn)）、取水口溫度法和鄰近區(qū)域溫度替代法三者的差異占比在4%—8%，其余方法均在20%以上；對(duì)于3級(jí)溫升提取結(jié)果，實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法、校正的海灣平均法和半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）三者結(jié)果差異占比均在1.6%以內(nèi)，其中校正的海灣平均法略優(yōu)于實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法，其余方法差異占比均在3%以上；實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法提取的四級(jí)溫升差異占比為0.32%，而其他方法差異占比相對(duì)較高（1.7%以上）?？傮w而言，相較于當(dāng)前其他基準(zhǔn)溫度提取方法，實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法提取的星地溫排水面積最為一致，誤差最小，實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法能夠有效、準(zhǔn)確的提取溫排水分布范圍和溫升強(qiáng)度。

5 結(jié)論

通過海面定點(diǎn)剖面觀測(cè)試驗(yàn)共獲取72 個(gè)航點(diǎn)不同深度處溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割提取、深度校正和分層統(tǒng)計(jì)，以及基于Grubbs 統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行異常值剔除。在分析航點(diǎn)垂直剖面溫度特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合航點(diǎn)空間分布特征構(gòu)建了基準(zhǔn)溫度提取的實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法，并應(yīng)用于地面測(cè)量監(jiān)測(cè)和GF-5 衛(wèi)星遙感反演監(jiān)測(cè)。通過將實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法以及當(dāng)前6種基準(zhǔn)溫度提取方法分別與地面測(cè)量監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，分析不同方法的提取精度。本文得出的主要結(jié)論如下：

（1）通過對(duì)測(cè)量點(diǎn)位溫度垂直剖面特征分析，將剖面形態(tài)總結(jié)為7 種不同類型，進(jìn)一步對(duì)7 種形態(tài)進(jìn)行歸納，劃分為穩(wěn)定溫度點(diǎn)和不穩(wěn)定溫度點(diǎn)，進(jìn)一步基于穩(wěn)定溫度點(diǎn)特征，構(gòu)建基準(zhǔn)溫度提取實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法。通過對(duì)溫排水空間范圍分析表明，穩(wěn)定溫度點(diǎn)均位于溫升范圍之外，而不穩(wěn)定溫度點(diǎn)均位于溫升范圍之內(nèi)，直觀證明實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法客觀有效。

（2）地面測(cè)量監(jiān)測(cè)表明，溫排水熱污染主要分布在核電站排水口附近及其正北方向，對(duì)應(yīng)23個(gè)不穩(wěn)定溫度點(diǎn)的分布位置；在排水口正東、東南、南部方向不存在熱污染現(xiàn)象，與49 個(gè)穩(wěn)定溫度點(diǎn)位相對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步表明航點(diǎn)垂直剖面溫度特征可以反映溫排水熱污染分布情況，也證明了實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法的有效性。

（3）不同基準(zhǔn)溫度提取方法比對(duì)表明，基于實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法提取得到的星地同步熱污染分布范圍、強(qiáng)度和擴(kuò)散趨勢(shì)最為一致，提取效果明顯優(yōu)于其他基準(zhǔn)溫度提取方法，提取面積誤差最小，面積差異為1.53 km2，占地面監(jiān)測(cè)熱污染總面積的10.17%，相對(duì)于其他方法精度提高了4—10倍，而多點(diǎn)平均溫度法（近岸多點(diǎn)）、取水口溫度法、鄰近區(qū)域溫度替代法、校正的海灣平均法、半徑區(qū)域平均溫度法（5 km 半徑）、溫升混合區(qū)最低溫度法的星地面積差異分別為11.95 km2、11.12 km2、7.69 km2、6.61 km2、8.46 km2、14.93 km2，差異占比分別為79.65%、74.11%、51.25%、44.09%、56.39%、99.53%。

總體而言，通過星地協(xié)同手段構(gòu)建的實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法提取核電溫排水分布效果相較于傳統(tǒng)方法更具有科學(xué)依據(jù)且精度更高，但該方法需要現(xiàn)場(chǎng)做大量的星地同步試驗(yàn)，操作復(fù)雜且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)缺乏星地同步觀測(cè)數(shù)據(jù)情況下基準(zhǔn)溫度的提取存在局限性。研究表明，校正的海灣平均法提取溫排水熱污染精度僅次于實(shí)測(cè)穩(wěn)定溫度法，星地溫升面積差異為6.61 km2，可用于缺乏星地同步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)長時(shí)序溫排水衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)。另外，溫排水時(shí)空變化特征和對(duì)水環(huán)境的影響分析是下一步研究重點(diǎn)。本研究方法基于寧德核電站溫排水星地同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)而構(gòu)建，對(duì)于其他核電站溫排水星地協(xié)同監(jiān)測(cè)具有重要參考價(jià)值。

志 謝感謝十三五民用航天技術(shù)預(yù)先研究項(xiàng)目（國產(chǎn)衛(wèi)星信息智能分發(fā)技術(shù)）給本文提供的技術(shù)支持！