从20世纪70年代到21世纪初，佛罗里达州的赤潮现象发生了哪些变化？通过CZCS和MODIS观测数据进行了评估

《Remote Sensing of Environment》：How have Florida's red tides changed from the 1970s to the 2000s? Assessment using CZCS and MODIS observations

有害藻华监测与时空变化分析。研究整合1978-2019年现场采样与MODIS/CZCS卫星数据，揭示西佛罗里达陆架红潮面积和持续时间较CZCS时期增加近一倍，但核心区强度稳定，表明可能因扩散至周边区域导致。

　　

姚瑶|胡传民|布莱恩·B·巴恩斯|凯瑟琳·A·哈伯德|薛成|詹妮弗·P·卡尼扎罗

美国佛罗里达大学圣彼得堡分校海洋科学学院

摘要

由Karenia brevis（通常称为“赤潮”）引起的有害藻华（HABs）在佛罗里达西大陆架（WFS）上有着悠久的历史。尽管近期的记录显示其发生频率大约为每年一次，但尚不清楚这些藻华在过去几十年的严重程度是否发生了变化。由于不同时间段的野外采样工作量差异、缺乏可靠且适当缩放的算法来量化藻华范围或严重程度，以及检测方法之间的方法学不一致性，要阐明这种变化非常困难。本研究结合了现场测量数据与多个卫星传感器的观测结果，以描述覆盖整个佛罗里达海岸线的WFS上的赤潮情况。分析涵盖了包括潘汉德尔地区、大弯地区、中西部佛罗里达大陆架以及西南部佛罗里达大陆架在内的子区域。为了提供长期视角，将2003年至2019年的MODIS观测数据与1978年至1986年的CZCS观测数据进行了对比。通过降低MODIS数据的质量、调整光谱波段和重访频率，使其达到与CZCS相同的标准。因此，在应用了这些调整因子后，对CZCS和MODIS的赤潮指标进行了更公平的比较。综合的赤潮数据显示，在整个WFS范围内，这两个时期的季节性特征相似，藻华通常在秋季开始、发展并达到高峰。然而，年度藻华范围（BF，即藻华的面积）和基于发生频率调整后的累积面积（BFWF）在MODIS时期大约是CZCS时期的两倍。例如，秋季藻华的年发生概率从CZCS时期的75.0%增加到MODIS时期的90.0%以上，而赤潮事件的平均持续时间从CZCS时期的3.0个月增加到MODIS时期的6.1个月。在坦帕湾到夏洛特港的“中心区域”，秋季藻华的年发生概率有所增加，但平均BFWF基本保持不变。这种在核心区域内藻华强度的稳定性表明，观察到的范围和持续时间的增加主要反映了藻华向WFS其他区域的扩散。

引言

有害藻华（HABs）在全球范围内都有发生，可能对海洋生物、人类健康和当地经济产生重大负面影响（Anderson等人，2012年；Anderson等人，2021年）。HABs是内陆和沿海水域的全球性问题，人们普遍认为它们的发生频率和分布正在随着环境因素的变化而变化（例如，Wells等人，2015年）。然而，目前的证据尚不足以确定这些变化的明确原因，这突显了改进观测和长期监测的必要性。

佛罗里达西大陆架（WFS）是一个经常出现有毒甲藻Karenia brevis藻华的区域。这些K. brevis藻华通常被称为赤潮。虽然在这种情况下这两个术语可以互换使用，但并非所有全球范围内的赤潮都是由K. brevis引起的，也不是所有的K. brevis聚集都被视为赤潮。K. brevis能产生神经毒素，导致野生动物死亡并对人类呼吸系统构成威胁（Anderson等人，2021年；Fleming等人，2007年；Fleming等人，2011年；Kirkpatrick等人，2004年；Landsberg等人，2009年）。然而，这种藻华在WFS上并不是新现象。Ingersoll（1882年）描述了1844年、1854年、1878年和1880年佛罗里达西南部因水体变色而发生的几次严重的野生动物死亡事件。自1953年以来，佛罗里达鱼类和野生动物保护委员会（FWC）的研究人员及其合作者收集了K. brevis浓度高达10^8个细胞/升的水样（FWC HAB监测数据库，2024年；图1a）。如今，卫星遥感技术也被用于跟踪和/或量化WFS上的藻华发生情况（Amin等人，2009年；Cannizzaro等人，2008年；El-Habashi等人，2016年；Hu等人，2005年；Qi等人，2015年；Stumpf等人，2003年；Tomlinson等人，2009年；Yao等人，2023年）。尽管付出了这些努力，但仍有一个基本问题尚未解决：佛罗里达的K. brevis藻华在规模、频率或持续时间上是否随时间有所增加？

这个问题看似可以通过长期的FWC数据库和/或遥感技术来解答。然而，由于两个数据集在空间和时间上的采集限制，藻华内部的巨大变异性使得这样的判断变得困难。

首先，采样工作在空间和时间上并不一致。大多数水样是在近岸水域采集的，而且往往是非客观的，尤其是在FWC数据序列的早期。例如，在1995年之前，细胞丰度采样主要是针对疑似或报告的藻华事件进行的；1995年之后，采样范围扩大到包括更常规的监测和事件驱动的响应。检测方法的进步和更频繁的观测可能有助于或挑战这些表面趋势（Anderson，2009年）。这使得在确定长期趋势时进行统计分析非常困难。Brand和Compton（2007年）分析了1954年至2002年间沿佛罗里达西南海岸收集的现场K. brevis细胞丰度数据，并报告了该时期藻华浓度和频率的增加趋势。然而，这一结论仅基于现场细胞丰度数据，而这可能受到“采样偏差”的影响（Anderson，2009年），这意味着近期藻华事件的较高频率可能是由于更好的检测方法和更多的观测者造成的。实际上，Stumpf等人（2022年）分析了细胞丰度数据集，应用数据掩码筛选特定观测结果后得出结论，认为很难确定K. brevis藻华严重程度的长期趋势，特别是在1995年之前的采样不足和/或不一致的情况下。

其次，尽管卫星遥感技术可以克服现场采样数据稀缺的问题，但它们在区分K. brevis藻华和其他藻华时存在算法不准确的问题。最近的研究结合了现场水样数据和卫星数据来克服这一难题，并在量化藻华发生频率和空间范围方面取得了成功（El-Habashi等人，2016年；El-Habashi和Ahmed，2019年；Hu等人，2005年；Hu等人，2022年；Qi等人，2015年；Stumpf等人，2003年；Tomlinson等人，2004年；Tomlinson等人，2009年；Yao等人，2023年；Yao等人，2025年）。然而，生成长期一致的数据记录仍然具有挑战性，尤其是在整合多个传感器的数据以观察由多种生物种类组成的藻华时。尽管中分辨率成像光谱仪（MODIS；2000年至今）传感器表现出色，但在2000年之前没有类似的传感器。

在这项研究中，我们评估了概念验证型海岸带颜色扫描仪（CZCS）海洋颜色任务（1978-1986年）与MODIS/Aqua（2003年至今）数据结合使用时是否能够提供一些见解。尽管CZCS的覆盖频率低于MODIS，但它提供的有效观测数据仍然远多于现场观测数据（图1b和c）。然而，直接将CZCS与MODIS进行比较是不公平的，因为两者使用的传感器和算法不同。例如，CZCS是一个8位传感器，对海洋中的细微颜色变化敏感度较低，而MODIS则具有12位设计，对颜色变化更为敏感。CZCS收集的光谱信息有限，也使得开发用于检测和量化赤潮的算法变得困难。此外，MODIS和CZCS的重访频率也不同，这使得直接进行统计比较变得困难。

本工作的目标是解决这些挑战，以便将CZCS和MODIS结合起来，描述WFS上长期的（1978-2019年）赤潮模式。具体目标包括：(a) 使用CZCS图像开发一种实用的算法来检测和量化WFS上的K. brevis藻华；(b) 开发一种方法将CZCS数据与MODIS数据关联起来（或反之亦然），以便进行时间上的比较；(c) 确定CZCS时期和MODIS时期WFS上的K. brevis藻华是否发生了变化。

研究区域和现场数据

本研究中的WFS是一个低能量大陆架，从海岸延伸到500米等深线，覆盖了佛罗里达半岛西海岸从23°N到31°N和88°W到81°W的区域（图1b和1c）。该大陆架区域包括潘汉德尔地区、大弯地区、中西部WFS以及南至佛罗里达群岛，覆盖约230,000平方公里的水域。为了便于进一步分析和理解，WFS被划分为四个子区域：潘汉德尔（PH）、大弯（BB）、中西部WFS等。

基于CZCS数据的K. brevis藻华的空间分布和时间变化

在CZCS时期，K. brevis藻华几乎每年都会发生。图5显示了该时期每个月的累积BF和BFWF面积。现场细胞丰度数据表明，1978年的藻华开始于9月，早于CZCS的观测开始时间，因此CZCS错过了这次藻华的初始阶段。

CZCS时期每月K. brevis藻华的统计结果（图5）揭示了这些历史藻华的时间模式。在整个CZCS观测期间，共记录了八次K. brevis

WFS上赤潮变化的驱动因素

WFS上赤潮的起始、发展、高峰和结束过程非常复杂。这些阶段受到多种环境因素的影响，包括营养物质的可获得性、水温、降水量、风速、盐度、光照可用性以及生态系统内的生物相互作用（Glibert等人，2025年；Lenes等人，2012年；Y. Liu等人，2016年；Tilney等人，2019年；Vargo，2009年；Villac等人，2020年；Weisberg等人，2019年）。

结论

本研究结合了现场采样和卫星遥感技术，建立了1978年至2019年WFS上赤潮的历史时空记录，其中1987-2002年为数据空白期。通过降低MODIS数据的质量，减少了现代卫星传感器（MODIS）与历史概念验证型CZCS传感器之间的差异，从而实现了更公平的比较。

对于整个WFS而言，综合的赤潮数据显示，K.

CRediT作者贡献声明

姚瑶：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法学、调查、正式分析、数据管理。胡传民：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、资源获取、概念构思。布莱恩·B·巴恩斯：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、正式分析、数据管理。凯瑟琳·A·哈伯德：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、资金获取。薛成：撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了佛罗里达鱼类和野生动物保护委员会（FWC）根据协议20035的支持，得到了NOAA RESTORE项目的资助（编号NA23NOS4510303），得到了NASA水资源项目的资助（编号80NSSC19K1200），得到了NASA海洋生物学和生物地球化学项目的资助（编号80NSSC22K1299），以及得到了EPA南佛罗里达项目的资助（编号02D42923）。我们感谢NASA提供了所有用于进行分析的卫星数据和软件，并感谢FWC HAB团队提供的现场