全 文 ：第 32 卷 第 1 期 生 态 科 学 32(1): 008-013
2013 年 1 月 Ecological Science Jan. 2013

收稿日期：2012-06-18 收稿，2012-09-19 接受
基金项目：本研究由中国科学院知识创新工程重要方向性项目（No. KZCX2-YW-Q07-02 和中科院南海所知识创新工程领域前沿项目（No.
LYQ200701）。
作者简介：林立（1981—），男，博士研究生，主要研究方向：海洋环境生态学，E-mail：lynlinan@163.com
*通讯作者：王友绍，男，二级教授。E-mail：yswang@scsio.ac.cn
林立，王友绍，李楠，吴鹏，孙翠慈，吴梅林，宋晖. 南海北部表层硝酸盐浓度反演研究[J]. 生态科学, 2013, 32(1): 008-013.
LIN Li, WANG You-shao, LI Nan, WU Peng, SUN Cui-ci, WU Mei-lin. Research on nitrate concentrations of sea surface by remote
sensing in the Northern South China Sea[J]. Ecological Science, 2013, 32(1): 008-013.

南海北部表层硝酸盐浓度反演研究
林立 1, 2，王友绍 1*，李楠 1，吴鹏 1，2，孙翠慈 1，吴梅林 1，宋晖 1

1.中国科学院南海海洋研究所，中科院热带海洋环境动力学重点实验室，广州，广东，510301
2.中国科学院研究生院，北京，100049

【摘要】研究首次利用南海北部船基观测数据资料建立硝酸盐和海表温度的关系，然后通过 MODIS-SST 资料与现场海表温度
比较后进行了订正。利用订正后的数据表明南海北部的表层硝酸盐和海表温度之间存在显著的负相关关系（R2=0.7126）。结
合海表硝酸盐和海表温度的关系式，利用遥感海表温度的 8 d 平均值和月平均值估测了南海北部的表层硝酸盐浓度，8 d 平均
海表硝酸盐浓度值范围为 0～3.3167 µM，月平均值为 0～2.0590 µM，该值与现场监测数据及历史资料均一致。

关键词：南海北部；遥感反演；硝酸盐；海表温度
doi:10.3969/j.issn. 1008-8873.2013.01.002 中图分类号： P736.4 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2013)01-008-06
Research on nitrate concentrations of sea surface by remote sensing in the
Northern South China Sea
LIN Li1，2, WANG You-shao1*, LI Nan1, WU Peng1，2, SUN Cui-ci1, WU Mei-lin1, SONG Hui1
1. Key Laboratory of Tropical Marine Environmental Dynamics, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of
Sciences, Guangzhou 510301, China
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract：The relationship of nitrate and sea surface temperature (SST) was firstly established by using the observed data of the northern
South China Sea. The validity of the in situ data was also examined by the data from MODIS-SST. The adjusted data demonstrated a
negative relationship between the nitrate and sea surface temperature (R2=0.7126). The 8-day and monthly composite SST values by remote
sensing have been used to estimate the nitrate concentration of sea surface in the South China Sea. The 8-day composite sea surface
concentration ranged from 0 to 3.3167 µM, and monthly composite from 0 to 2.0590 µM. The estimated nitrate concentration in the South
China Sea was exactly in accord with the in situ and historical data.
Key words：The northern South China Sea; remote sensing；nitrate；sea surface temperature


1 期 林立，等. 南海北部表层硝酸盐浓度反演研究

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1 引言（Introduction）

海洋初级生产力主要由新生产力和再生生产力
构成[1,2,3]。新生产力与直接进入真光层的外源氮相关
[4]，而硝酸盐是外源氮的重要组成成分[5,6]。因此评
估全球海区或局部海区的硝酸盐时空分布有利于研
究浮游植物吸收CO2以及真光层有机物的定量输出，
从而有助于进一步探讨对全球气候变化的影响[7]。
已有的研究表明：温度与硝酸盐浓度间的关系
可以很好的评估全球或者区域的硝酸盐浓度分布
[5,6,8,9,10,11,12,13]。但是这些研究选择的区域主要集中在
营养盐输入较为单一的海区，如太平洋北部，上升
流区等[5,12,13,14]。南海北部受人类活动和自然环境双
重影响。此外，海流状况及气候条件错综复杂。南
海北部通过地表径流，近岸上升流及生物体和细菌
的再生等过程来完成营养盐的储存和循环[15]。因此
确定南海北部海区温度与硝酸盐浓度的关系有助于
通过遥感技术来评估全球海表硝酸盐浓度和新生产
力。
本文首先利用船基观测数据资料建立硝酸盐
和海表温度的关系，进而通过 MODIS-SST 资料与
现场海表温度进行比较和订正，最后利用订正后的
资料评估了 2006 年南海北部 9 月份的海表硝酸盐浓
度。

2 材料与方法(Materials and methods)

2.1 数据来源
水样采集于 2006 年 9 月 8-27 日在中国科学院
南海海洋研究所的开放航次进行（“实验 3”号科学
考察船），自西向东设置西北东南向 4 个断面，在各
断面外围设置 2 个断面（吕宋口 120°E，南海北部
横断面 18°N），共 32 个站位。水样采集与分析方
法参照《海洋监测规范》（GB 17378.1-1998）的规范
进行(Wu and Wang, 2007)。现场海水用采水器采集
上来后，取 1.5 L 水样用 0.45μm 的 GF/F 滤膜过滤，
过滤后的水样取 500ml 倒入已洗好的聚乙烯瓶子
中，加一到两滴氯仿，然后转移到-20 ℃的冰箱中
冷藏，回到岸上实验室后再解冻按《海洋监测规范》
（GB 17378.1-1998）列举的方法分析硝酸盐浓度，
即采用锌一镉还原法。
中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution
Imaging Spectrometer，MODIS）是 NASA 先后分别
搭载在太阳同步极地轨道系列卫星 Terra（1999 年
12 月 18 日发射）和 Aqua（2002 年 5 月 4 日发射）
上的一个传感器，该传感器每天覆盖全球一次，具
有从可见光、近红外到红外的 36 个通道，扫描宽度
2 330 km，覆盖了可见光到中红外（405～14 400
nm）。其中 8～36 号通道空间分辨率为 1 km，可反
演有关水色、海表温度、生物地球化学等信息。监
测海表温度的光谱段有 4 和 11 μm 两个，白天和黑
夜都可采集数据。由于 Terra 和 Aqua 两个卫星每天
扫描南海北部的时间基本固定（一般为早上和下午
各一次），使得每个格点每天只有两个观测值。这样
使得该数据与船测数据很难在空间和时间上完全重
合，因此比较时需要对两者进行近似处理。时间上，
以卫星每天扫描南海北部的时间为准，取与之相差
两小时以内的船基观测数值的平均值；空间上，以
观测站点的经纬度为准，取与之相差 0.1 度范围内有
效数据的平均值。海表温度遥感资料都是从 NASA
官方网站(http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/)下载的。

2.2 数据处理
数据集中共有 32 组数据，画出散点图后，发
现有 7 个站点数据严重偏离线性关系。在航次期间，
东北季风和西南季风交替出现，在 2006 年 9 月 9 日
到 10 日以及 9 月 17 日到 23 日是东北季风占主导。
在 9 月 11 日到 17 日和 9 月 24 日到 25 日分别收到
台风“Shanshan”和“Yagi”的影响。由于受到台风
的影响，采集于台风后一天内的水样数据均偏离线
性关系。在此恶劣的天气里，云层阻挡了卫星采集
海表温度数据。故该 7 个站点数据对建立南海北部
硝酸盐与海表温度关系没有意义，剔除后，剩余的
25 组数据具有较好的线性关系。本文用这 25 组数据
建立了硝酸盐与海表温度的初步关系，并将其应用
到海表硝酸盐浓度的评估上。
所有数学和统计学计算都是在MATLAB
R2008b (Mathworks Inc., USA)平台上进行。

3 结果和讨论(Results and discussion)

3.1 硝酸盐和海表温度关系
依据中国科学院南海海洋研究所的2006年公开
航次,使用最小二乘法的线性关系分析,得到硝酸盐
生 态 科 学 Ecological Science 32 卷

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和海表温度关系式如图 1 所示。
该关系式用方程表示如下:
18.27950.6058 +×−= TN (1)
其中，N 是海表硝酸盐浓度，单位为 µM，T 是
海表温度，单位为℃。该关系式系数和残差向量的
置信区间为 95%，其中统计量的 R2，F 和 p 值分别
为 0.7124，56.9687，0。在统计学上，说明南海北部
海表硝酸盐与海表温度总体上的线性回归关系很显
著。

图 1 硝酸盐浓度和温度的线性关系式
Fig.1 The linear relationship between nitrate and
temperature

研究数据只选取每个站点的海水表层数据。南
海北部海区属于亚热带地区，温度的变化主要受到
亚洲季风系统的影响，其周年温度变化幅度不大。
在一些极端气候出现时，温度也会发生极端变化。
由于陆源氮通过地表径流进入近岸海水中，硝酸盐
浓度经常受到降雨的影响。由图 1 可见，调查区域
的海表温度均高于 26 ℃，由于过高的光强，使得浮
游植物会聚集在 25 m 以下水层，表层的硝酸盐浓度
在湍流的垂直作用下与下层海水充分混合。

3.2 船基观测资料与 MODIS 资料的比对与订正
此次航次历时 22 d，2006 年 9 月 7 号起航，此
时南海主要受到西南季风的控制。在开始做站后，9
月 9～10 号，东北季风逐渐替代了西南季风；在 11
号至 17 号，“Shanshan”台风控制整个几乎整个南
海北部；17 号至 23 号，天气重新受到东北季风控制；
在 24~25 号，“Yagi”台风来袭。在整个航次由于受
到两次台风的影响，站点的监测时间不能连续，而
且严重影响了遥感监测数据收集。由于航次期间，
调查区域在大部分时间内云层过厚，很难收集到每
个站点的数据与 MODIS 数值进行比对。经过对每天
遥感照片的挑选，将船基观测值与 MODIS 数值列成
比对表（表 1）。
表 1 显示，大部分时间里，Terra 和 Aqua 两个
卫星都没办法监测到调查区域的海表温度，只有 16、
17、18、21 和 26 号能收集与站点相对应的数据。表
中显示MODIS数值与船基数值的比值介于 0.91到 1
之间，平均值为 0.98，说明虽然天气极其恶劣，但
遥感温度的精确度仍然很高，遥感的海表温度比船
测温度略低，在进行海表硝酸盐浓度估测时应该通
过这一比值进行校正。其校正公式如下：
98.0/mod issituin SSTSST =− (2)
其中，SSTin-situ 是现场海表温度；SSTmodis 是遥感
海表温度。

3.3 南海北部海表硝酸盐与海表温度关系的应用
利用现场监测的硝酸盐与海表温度的关系式反
演更大尺度及更大时间跨度的海表硝酸盐浓度及推
算出该海区的新生产力的方法已被 Goes J I 等在太
平洋北部、加利福尼亚外海上升流区、大西洋西北
部、阿拉伯海以及南极洋等海区广泛应用[16]。其中
在太平洋北部海区使用大量现场测量数据建立的关
系式 R2 为 0.87，RMSE 为 1.74，R2值与采样站点的
的关系密切，越靠近赤道，R2 值越小[13][16]。南海北
部海表硝酸盐与海表温度关系式 R2值为 0.714 略低
于太平洋北部的 0.87，符合变化规律。根据表 1，能
连续做站的时间只有 16～21 号，共 6 d。在调查期
间，Terra 卫星几乎没有检测到对应站点海表温度，
为了更好地估测南海北部的海表硝酸盐浓度，我们
挑选了 Aqua 卫星在 2006 年 9 月 14 号至 21 号的 8
天平均值。南海北部海表硝酸盐与海表温度呈负相
关，当海表温度高于 30.17 ℃，海表硝酸盐浓度会
出现负值。为了更加符合现场浓度值，我们根据《海
洋化学调查技术规程》（国家海洋局908专项办公室）
中的规定，当检测浓度值低于检测限时，选择检出
限的一半，即 0.025 µM。
根据以上方法得出南海北部海表硝酸盐浓度 8
天平均值分布图（图 2）。整体趋势是近岸高，外海
低。硝酸盐浓度值的范围也与历史检测的数值较为
1 期 林立，等. 南海北部表层硝酸盐浓度反演研究

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一致[17,18,19]，最高值（3～3.3167 µM）出现在珠江口、
台湾海峡南部及琼州海峡东部区域；最低值出现在
深海盆区。与调查区域内以各调查站点数值为基础
以克里金插值得来的硝酸盐平面分布图相比较后
[20]，分布规律非常相似。珠江口营养盐主要受到珠
江冲淡水的影响，琼州海峡东部高营养盐与 2006 年
国家 908 海洋 ST08 区块海洋化学调查的结果一致，
台湾海峡南部主要受到著名的台湾-闽南浅滩上
表 1 各调查站点海表温度的船基观测值与 MODIS 数值比对表
Table 1 The comparisons about sea surface temperature from board and MODIS
MODIS 日期
(Date)
时间
(Time)
站号
(Station)
船基观测值
(in-situ data) Terra Aqua
比值
(Ratio)
20:04 E101 29.22 nan nan nan
9 月 8 日
0:30 E102 29.54 nan nan nan
5:30 E103 29.08 nan nan nan
12:30 E104 29.5 nan nan nan 9 月 9 日
16:00 E105 30.03 nan nan nan
8:20 E105a 29.89 nan nan nan
9 月 10 日
18:15 E106 29.69 nan nan nan
2:00 B3 28.96 nan 28.17 0.97
3:20 E412 29.07 nan 28.66 0.99 9 月 16 日
8:30 E411 29.51 nan 29.23 0.99
9 月 17 日 19:40 E409 29.62 nan 28.75 0.97
8:30 E407 29.58 nan 26.94 0.91
9 月 18 日
19:00 E407a 29.8 nan 28.52 0.96
1:30 E406 29.56 nan nan nan
4:45 E405 29.15 nan nan nan
11:30 E404 29.19 nan nan nan
14:20 E403 28.88 nan nan nan
9 月 19 日
19:20 E402 28.78 nan nan nan
5:00 E401 28.31 nan nan nan
13:44 E306 28.85 nan nan nan 9 月 20 日
21:30 E304 27.45 nan nan nan
4:30 E301 26.56 nan 26.59 1
11:30 E208 27.23 nan 26.98 0.99
16:30 E206 28.44 nan 28.01 0.98
9 月 21 日
22:54 E204 28.87 nan 28.39 0.98
11:10 E709 26.7653 nan 26.273 0.98
14:00 E708 27.5807 nan 27.063 0.98
18:10 E706 26.968 26.8418 26.9553 0.99
20:00 E705 27.8595 26.3353 nan 0.94
9 月 26 日
0:00 E704 27.9301 27.4125 nan 0.98
9 月 27 日 4:00 E703 28.4908 nan nan nan





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升流影响[20,21]。在东沙群岛的西部和东北部都有高
值出现，在东沙群岛南部也出现零星高值[22]。由于
插值和遥感数值的网格相差很大，而且现场站点的
数值是在 22 天内采集完成的，具体点对点的数值比
较没有实际意义。将该关系式进一步推广到估测海
表硝酸盐浓度的 9 月份平均值（如图 3）。如图所示，
南海北部整体上硝酸盐浓度都很低，最高值为
2.0590 µM。硝酸盐高值主要集中在珠江口外及南海
北部大陆架的东北部近岸区。珠江口硝酸盐高值区
可到达 20 °N 线。该高值区受到珠江口冲淡水向东
北弯曲的羽状结构和粤东上升流在近岸爬升的影响
[23]。

图 2 南海北部海表硝酸盐浓度 8 天平均值分布图
Fig.2 The 8-day composite of sea surface nitrate
concentration in the northern South China Sea

图 3 南海北部海表硝酸盐浓度月平均值分布图
Fig.3 The monthly composite of sea surface nitrate
concentration in the northern South China Sea
4 小结(Conclusions)

本文探讨了海表硝酸盐浓度与海表温度在南
海北部的关系，并利用这个关系估测了南海北部的
表层硝酸盐水平，对日后进一步评价南海北部新生
产力水平提供了理论依据。但由于本文用于建立该
关系的数据自来自 2006 年 9 月份，具有一定的时间
局限性，以后要从不同季节分析该关系，将更有利
于用遥感方法推断南海北部硝酸盐水平的日、月、
季节及周年变化。本文主要取得了以下结论：1）初
步论证了南海北部的表层硝酸盐和海表温度之间存
在显著的负相关关系，其 R2=0.7126。2）对遥感海
表温度与船测温度进行校正后，结合海表硝酸盐和
海表温度的关系式，利用相应的遥感海边温度的 8
天平均值和月平均值估测了南海北部的表层硝酸盐
水平，得到了与现场监测数据及历史资料较为一致
的结果。

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