高频、无线、自动监测技术在湖泊生态环境中的应用

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丁嵇
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1 高频无线自动监测技术在湖泊生态环境中的应用秦伯强 ( 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 太湖湖泊生态系统研究站 )

2 目录问题的提出解决方法及关键技术应用实例

3 1 问题的提出

4 世界上许多湖泊 CO 2 是过饱和的, 什么原因? Mirror Lake New Hampshire 水体中大气中 From Cole et al., 1994, Science, 265:

5 可能的机制 : 净异养型湖泊的呼吸率 (Respiration) > 湖泊的生产率 (Production) 净输入型输入的地表地下水含有高浓度的 CO 2

6 建立模型 : 大气通量 (Flux)=F( 风速浓度梯度 ph ) 直接观测模型计算计算自夜晚湖泊表层透光层 [CO 2 浓度 ] t+1 =[CO 2 浓度 ] t +F( 通量光合作用呼吸 ) 光合作用 =CO 2 +O 2 计算自白昼呼吸作用 = CO 2 +O 2 湖泊深层不透光层

7 生态系统生产率计算的概念性模式 GPP=NEP(12hr)+R(12hr) R(24hr)=R(12hr)X2 NEP(24hr)=GPP-R(24hr)

8 解决方法 - 高频率监测高频率观察数据 : 水温溶解氧风速 / 风向叶绿素浓度气压数据处理与应用 : 毛初级生产率呼吸率生态系统净生产率如何实现???

9 面积大于1km2湖泊651个总面积16558 km2 (占我国淡水湖泊总面积三分之二) 所有的湖泊都是浅水湖泊包括太湖和巢湖年对长江中下游50个湖泊调查后发现绝大部分湖泊已经富营养化

10 太湖流域地形图太湖的基本特征湖面积 2,338 km 2 平均深度 1.9 m 最大深度 <3.0 m 营养状态富营养

11 蓝藻水华暴发是环境条件改变导致的生态系统异常响应结果环境条件改变 : 生态系统响应 : 营养盐光照温度沉水植被蓝藻水华浅水湖泊中水动力扰动导致底泥悬浮对营养盐光照等有着复杂而深远的影响一盆泥汤水一笔糊涂帐

12 Wind speed /(m/s) SS /(mg/l) 风速过程 500 营养盐释放 Jan, 野外调查发现风浪扰动引起的底泥悬浮会造成内源磷的间歇性暴发释放, 伴随风浪过程结束, 蓝藻水华常常爆发出现水华过程

13 可能的机制是间歇性动力扰动引起界面营养盐的间歇性释放促使蓝藻水华暴发风浪扰动界面理化环境微生物群落结构或蓝死藻亡失活有机物矿化和营养盐释放方式水华出现浓水度体下营降养盐

14 为了建立水动力与蓝藻水华发生机制之间的联系, 需要建立水动力与生态因子间的定量关系风速湖流光照温度 DO Eh ph H 2 O 按 0.05h 0.2h 0.4h 0.6h 0.8h 0.9h 0.95h 分层取水样和收集沉降物按 1.0cm 间隔分层沉积物样和采集间隙水根据不同的风浪强度, 分层观测水温湖流波浪溶解氧等环境参数, 分层测定悬浮物营养盐浓度与其他生物参数, 建立物理要素 - 水质 - 生态系统之间的定量关系

15 湖泊富营养化蓝藻水华过程中不同监测对象的时间尺度研究主题太湖富营养化状态研究观测频率 10 年年太湖底泥污染负荷月年太湖富营养化研究蓝藻水华的暴发蓝藻的漂浮与堆积蓝藻降解矿化与微食物网变化天周数小时天分钟小时风浪过程与复氧分钟要素的监测需要从短时间尺度参数开始, 在时间尺度向长时间尺度要素集成

16 传统人工监测方法既危险又效率低下 2007 年 8 月太湖胥口湾联合观测 2002 年 7 月太湖乌龟山联合观测 2004 年 7 月太湖梅梁湾联合观测

17 DO (%) 人工进行的观测会遗漏一些重要的过程年 10 月日太湖某观测点表层水体溶解氧浓度 (DO)10 分钟一次的观测的变化曲线

18 无论是湖泊的新陈代谢, 或湖泊蓝藻水华爆发过程研究, 都需要发展高频自动监测技术, 这既是湖沼学的发展机遇也是湖沼学面临的挑战随着新技术的引入, 将使传统湖沼学的研究方法发生变革, 并带来学科发展的飞跃

19 2 解决途径及关键技术

20 学科的交叉是解决问题的关键 IT 科技人员 : 感知探头, 信号处理, 信号传输, 信号控制, 电信号转化为生态环境参数生态学家 : 科学问题, 监测对象参数, 频率和精度, 数据质量控制, 数据的处理和解译

21 生态环境学家数据集中与标准化和质量控制数据信息化处理系统信息电信号还原实验室内计算与处理控制信息 IT 专家数字电信号数据的传输野外数据的初步处理控制信息 IT 专家模拟电信号控制探头获取数据信号转化操纵生态环境参数监测对象生态环境学家

22 湖泊生态环境监测参数及监测方法气象参数 : 气温降雨风速风向太阳辐射水文参数 : 波高湖流水位水温浑浊度水化参数 :ph 溶解氧(DO) 碱度营养盐无机污染物有机污染物生态参数 : 叶绿素藻蓝素浮游植物种类? 浮游动物细菌水生高等植物影像参数 :SS 叶绿素水温水生植物蓝藻水华

23 传感器和器材 Vaisala 微气象站风速风向气温降雨气压太阳辐射探头 SeaPoint 浊度叶绿素探头 Instrument Northwest 的 ph 计 Zebra- Tech 公司的光学 DO 探头 NexSens 公司的温度链 iquest 公司的数据采集器和 GPRS 模块

24 美国 Santa Margarita 生态保护区无线监测网络系统实例

25 各种源数据的收集传输处理和分析模拟与预警系统数据处理与分析 ADSL 高光谱资料航空遥感数据分析处理中心卫星遥感水质在线高频无线数据传输收集中心气象水文高频在线观测多源数据识别与诊断数据分析与模拟预测突发事件预警人工快速检测

26 数据存储访问和应用

27 基于高频无线自动监测技术是国际湖沼学研究的热点和前沿

28 Global Lake Ecosystem Observatory Network

29 关键技术探头 : 物理探头 ( 水文气象 ) 水化学生物信号传输 : 信号转换传输能源供给数据处理 : 数据同化存储方式数据分析数据应用 : 驱动生态模型生态响应信号识别

30 3 应用实例

31 SD /(m) SS /(mg/l) TN /(mg/l) TP /(mg/l) 太湖生态环境的主要问题是富营养化湖心区梅梁湾朱广伟. 湖泊科学, 2008, 20(1): 待刊

32 蓝藻水华是太湖生态最突出的问题 1950 s 1970 s

33 无锡的饮用水危机事件, 根本的原因是湖泊富营养化导致的蓝藻水华爆发所致蓝藻污水团无锡市贡湖水厂取水口

34 6 月 1 日下午, 太湖站科研人员在取水口附件观测到的蓝藻水华及其所取水样, 具有浓烈的腥臭味

35 组织工人在取水口打捞蓝藻市民抢购纯净水

36 太湖富营养化与蓝藻水华监控技术的野外布设空中影像监控技术水面自动监测人工辅助监测

37 空中影像监测日常 - 航天遥感低成本与高频率的 MODIS 卫星和环境小卫星为主适当利用其他高分辨率卫星 (Hyperion,Landsat5,Spot 等 ), 补充其分辨率不足的缺陷阴雨天气 - 微波雷达遥感 (SAR) 利用水面覆盖物导致粗糙度变化的原理弥补光学航天遥感的不足应急事件 - 高分辨率的航空遥感灵活和快速的特点系统组成包括飞机平台有效载荷, 地面系统

38 地面高频自动在线监测气压微气象站太阳能电板数据采集和无线传输 ph DO 浊度温度链叶绿素藻蓝素营养盐集成探头水面自动监测站的探头布设

39 自动监测站监测数据的传输探头数据收集 Datalog 数据发射传输自主研发探头与 Datalog 的通讯协议 Datalog 的系统软件

40 自动监测的各种水质传感器探头需要适当开发适合我国水体的高营养盐浓度高泥沙含量和高叶绿素浓度的探头, 及提高其精度和稳定度

41 监测数据经过三层传输网络汇聚到数据接收和处理中心数据接收处理中心数据传输中继站自动监测站

42 系统集成数据源综合气象服务器卫星遥感接收服务器飞机遥感服务器地基实时观测服务器人工采样服务器数据库及管理数据及许可证服务器平台数据中心控制服务器综合分析服务器多台 Exchange 服务器应用层卫星遥感终端飞机遥感终端组合气象终端地面实时终端综合分析历史数据预警系统

Wind speed (m s -1 ) Chl-a (μg l -1 ) Air

空中影像数据与地面在线数据的空间同化遥感图片 20 15 10 5 0 36 33

IV V a) b) c) d) e) 1 4 7 10 13 16 19 22 25

43 Wind speed (m s -1 ) Chl-a (μg l -1 ) Air Temp (ºC) Water Temp ( ºC) DO (mg l -1 ) 空中影像数据与地面在线数据的空间同化遥感图片 I II III IV V a) b) c) d) e) Date Aug 各个监测点的实时监测数据 ( 自动 + 人工 ) 自动 + 人工监测点

44 非标准时间序列数量内插为标准时间序列数据 t n t n+1 tn+1/2

45 藻类生长模型与水动力输移模型 BP g gr BP B p gr BP GBP max f ( T) f ( I) f ( N, P) 藻类生长模型 0 f( T) e 0.1( T 25) T 35 T 35 f ( N, P) min( 1.0 N BP min / NP * BP,1.0 PBP min f ( I) I / PP* BP) I 300 藻类迁移模型营养盐迁移扩散模型 BP BP BP F w u v ( w* t x y H C t C u x C v y C w z u v w 0 x y z E BP h 2 2 BP BP BP ) E h Ez 2 2 x y H 2 C 2 x 2 C 2 E y z z BP BPg BP H C +S(C) - R(C) z M (BP) 水动力模拟模型 u t v t 2 2 A v z u u v u w u u u fv g A x y z x x y 2 2 z 2 2 A v z u v v v w v v v fu g A x y z y x y 2 2 z v z u z

数据的接收 T+0 时刻不同数据源同化处理 T+1 时刻不同数据源同化处理发布实时监测数据信息用于预测预报校核预测预报值 T-2 T-1 T+0 T+1 T+2 T+3 太湖蓝藻水华预警系统 60.00 60.00 50.00 50.00 T+ T 40.00 40.00 30.

46 数据的接收 T+0 时刻不同数据源同化处理 T+1 时刻不同数据源同化处理发布实时监测数据信息用于预测预报校核预测预报值 T-2 T-1 T+0 T+1 T+2 T+3 太湖蓝藻水华预警系统 T+ T 实时校正预报根据功能水域与蓝藻浓度和分布的风险等级, 发布未来预测预警信息

47 设备布设

48 设备布设

49 布点

50 传输距离 <13.5 km

51 固定与保护

52 日常维护

57 溶解氧 (DO) 初步数据分析常规监测与高频自动监测数据比较

58 风速 (m/s) 底层浊度 (NTU) Wind Speed Turbidity Deep 年 7 月日太湖站风速与水体浊度的关系说明水体浊度完全取决于风浪等水动力的强度

59 气温表层 DO 底层 DO 年 7 月日太湖站气温与溶解氧的关系夏季太湖溶解氧浓度与湖泊初级生产率密切相关

60 台湾鸳鸯湖面积 :3.6 公顷高度 :1700m 最大水深 :15m

62 2005 年伊莎贝拉台风过境台湾鸳鸯湖的照片上 : 过境前的地貌下 : 过境后的地貌 Porter et al., 2006

63 Porter et al., 2006

64 根据观察获得的鸳鸯湖混合层和底层的 CO2 浓度变化 Jones et al. (2009)

65 模拟获得的湖泊混合层 ( 虚线 ) 和底层 ( 实线 )CO 2 浓度随台风频率增加变化的趋势 Jones et al. (2009)

66 随着台风增加, 进入大气和流入河流的碳通量增加随着台风增加, 湖泊混合层 CO2 浓度增加, 底层却会下降 Jones et al. (2009)

67 JENG-WEI TSAI et al., 2008

68 结论湖泊物理过程 ( 风浪降水等 ) 对湖泊生态系统有着复杂深刻的影响 ; 要实现环境要素对生态系统的影响研究, 研究方法是关键 ; 高频无线自动监测方法是湖沼学发展产生复杂深刻的影响 ;

69 Acknowledgement 本项研究得到了中国科学院重大交叉项目 (KZCX1-YW-14) 及国家自然科学基金重点项目 ( ) 杰出青年基金 ( ) 的资助

70 Jones et al. (2009)

71 数据管理

72 集成了遥感航空高光谱的地球表层环境和生物监测

73 国际上浅水湖泊富营养化问题依然是一个尚未解决的难题 Lake Rotoiti, New Zealand Lake Okeechobee, USA Nieuwe Meer, Netherlands Lake Kasumigura, Japan

74 PAR Chla 风速年 7 月日太湖站太阳辐射风速对叶绿素的影响

75 JENG-WEI TSAI et al., 2008

76 JENG-WEI TSAI et al., 2008

77 JENG-WEI TSAI et al., 2008

气溶胶光学厚度的测量原理 Ê

气溶胶光学厚度的测量原理 Ê 肖钟湧江洪余树全周国模陈然宋晓东焦荔洪盛茂常杰江波南京大学国际地球系统科学研究所南京浙江林学院国际空间生态与生态系统生态研究中心杭州杭州市环境监测总站杭州浙江大学生命科学学院杭州浙江省林业科学研究院杭州气溶胶光学厚度的测量原理 Ê 仪器和观测实验场地数据处理气溶胶光学厚度的高光谱反演浑浊度系数波长指数 Ê Ê 精度检验气溶胶光学厚度浑浊度系数