Inversion der Chlorophyll-a-Konzentration im Hongze-See

Chlorophyll a ist das wichtigste Photosynthesepigment des Phytoplanktons und wird häufig als Indikator für die Phytoplanktonbiomasse verwendet, wodurch es zu einem wichtigen Bestandteil des Gewässermanagements wird. Die Chlorophyll-a-Konzentration (Chla) ist ein Schlüsselindikator zur Beurteilung des Eutrophierungsgrades von Gewässern und zur Untersuchung des Kohlenstoffkreislaufs in aquatischen Ökosystemen; ihre schnelle und genaue Messung ist für das ökologische Management von Seen unerlässlich.

Herkömmliche Methoden zur Beurteilung des trophischen Zustands von Seen basieren hauptsächlich auf der Probenahme und Analyse vor Ort. Diese Methode ist jedoch anfällig für lokale Wetter- und Umwelteinflüsse, und die Probenahme und -analyse ist zeitaufwändig, arbeitsintensiv und kostspielig, was die Überwachung der Eutrophierung von Seen in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung erschwert. Fernerkundungstechnologien bieten hingegen Vorteile wie eine große Abdeckung, eine schnelle Datenerfassung und kurze Verarbeitungszeiten und überwinden so viele Nachteile der traditionellen Wasserqualitätsanalyse. Daher werden sie häufig zur Überwachung der Wasserqualität von Seen und der aquatischen Ökologie eingesetzt.

Abbildung 1. Technologie-Roadmap

Diese Studie vergleicht anhand vorhandener Messdaten und Satellitenbilddaten die Korrelationskoeffizienten verschiedener Einzelbänder und Bandkombinationen. Die Bandkombination mit der höchsten Korrelation dient als unabhängige Variable, die Chlorophyll-a-Konzentration als abhängige Variable. Zur Gewinnung von Wasserqualitätsdaten wird ein statistisches Regressionsmodell erstellt. Die Genauigkeit des Modells wird anhand des Bestimmtheitsmaßes R² als Bewertungskriterium geprüft, und das finale Modell wird ermittelt.

Auf Grundlage des oben genannten Inversionsmodells wurde die Verteilungskarte der Chlorophyll-a-Konzentration im Wasser des Hongze-Sees an den Probenahmestellen an diesem Tag erstellt:

Abbildung 2.Chlorophyll-a-Konzentration im Hongze-See (mg/L)

Wie in der Abbildung dargestellt, liegt die Gesamtchlorophyll-a-Konzentration (Chl-a) im Hongze-See, ermittelt anhand von Sentinel-2-Inversionsdaten, auf einem niedrigen trophischen Niveau mit einer maximalen Konzentration von nur 0,0145 mg/L. Dies entspricht dem saisonalen Verlauf, bei dem die Phytoplanktonbiomasse im Winter durch niedrige Temperaturen und geringes Licht reduziert wird. Räumlich zeigt sich ein deutlich heterogenes Verteilungsmuster mit „niedriger Konzentration im Seezentrum und hoher Konzentration an den Rändern“: Die offenen Gewässer im Seezentrum weisen generell niedrige Chl-a-Konzentrationen auf, was auf relativ sauberes Wasser hindeutet. Entlang des Ufers, insbesondere an Flussmündungen und in flachen Buchten in der Nähe von Städten, treten hingegen lokal begrenzte Bereiche mit hohen Chl-a-Werten auf, was auf häufige menschliche Aktivitäten und einen potenziellen Einfluss auf die Eutrophierung schließen lässt. Die Inversion fand im Januar (Winter) statt, als die Wassertemperatur des Hongze-Sees niedrig war, was das Algenwachstum insgesamt hemmte. Infolgedessen war die Chl-a-Konzentration im Hauptseegebiet das ganze Jahr über niedrig. Die Uferlinie wurde jedoch durch punktuelle Einträge vom Land beeinflusst, wodurch sich dennoch ein lokales Gebiet mit hoher Chlorophyll-a-Konzentration bildete. Dies deckt sich mit dem saisonalen Verteilungsmuster der Chlorophyll-a-Konzentration im Hongze-See, die im Winter und Frühling in Ufernähe hoch und im Kernbereich niedrig ist.