摘要:藍(lán)藻水華反演圖被用于判斷某一水域在某一時(shí)刻是否暴發(fā)藍(lán)藻水華,進(jìn)而直接以藍(lán)藻水華發(fā)生與否的二元變量為被預(yù)測(cè)變量,以水質(zhì)、水文、氣象3類監(jiān)測(cè)變量為預(yù)測(cè)變量構(gòu)建藍(lán)藻水華暴發(fā)Probit短期預(yù)測(cè)模型。以太湖大貢山水域作為案例進(jìn)行該預(yù)測(cè)模型的實(shí)證研究。結(jié)果表明,該預(yù)測(cè)模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)值較好;平均相對(duì)誤差為13.5%,接近或小于2個(gè)對(duì)照模型;該模型在空間精度和時(shí)間精度方面具有顯著優(yōu)勢(shì);隔天預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性最高,預(yù)測(cè)周期加長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性降低;將所有可用監(jiān)測(cè)變量都納入預(yù)測(cè)模型時(shí)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度高于僅采用可用監(jiān)測(cè)變量的若干子集時(shí)的準(zhǔn)確度。
關(guān)鍵詞:藍(lán)藻水華;預(yù)測(cè);Probit模型
中圖分類號(hào): X524文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2014)01-0337-06
收稿日期:2013-06-14
基金項(xiàng)目:教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”(編號(hào):NCET-10-0938)。
作者簡(jiǎn)介:黃煒(1972—),男,上海人,博士,研究方向?yàn)樗h(huán)境管理。E-mail:hw3@shu.edu.cn。藍(lán)藻是一種原始而古老的藻類原核生物,氣溫較高尤其在夏季時(shí)容易在富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊、水庫(kù)、河流中大量繁殖,在適宜的氣象條件與水文條件時(shí)上浮、漂移、聚集,有時(shí)在水面聚集成一層藍(lán)綠色而有腥臭味的浮沫,被稱為藍(lán)藻水華。藍(lán)藻暴發(fā)和藍(lán)藻水華暴發(fā)有所區(qū)別,藍(lán)藻暴發(fā)可以只是水體中藍(lán)藻大量增殖或聚集,即藍(lán)藻豐度增大,但不一定覆蓋水面;而藍(lán)藻水華暴發(fā)則是指藍(lán)藻覆蓋了某一(些)水域的水面,其危害更大,如可使水體含氧量降低,造成魚蝦大量死亡。近年來(lái),太湖藍(lán)藻水華的持續(xù)時(shí)間有所增加,3—12月都有發(fā)生[1],而且發(fā)生頻率和空間范圍都大大增加[2-3];近年來(lái)滇池每年都會(huì)發(fā)生不同范圍、不同程度的藍(lán)藻水華[4];波羅的海每年出現(xiàn)的夏末藍(lán)藻水華也引起了公眾關(guān)注[5],藍(lán)藻水華問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外主要環(huán)境問(wèn)題之一。對(duì)藍(lán)藻水華的預(yù)測(cè)和預(yù)防十分困難,已成為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。本研究以太湖為例,以大貢山水域的藍(lán)藻水華為對(duì)象,研究藍(lán)藻水華的預(yù)測(cè),以期為其他水域和水體的藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)提供參考。
1藍(lán)藻水華暴發(fā)預(yù)測(cè)的研究現(xiàn)狀
已有研究表明,藍(lán)藻水華暴發(fā)受多種因素影響。(1)藍(lán)藻的生理特點(diǎn)和生長(zhǎng)特性。 藍(lán)藻聚集是在水底越冬的藍(lán)藻在適當(dāng)條件時(shí)轉(zhuǎn)換到浮性生活期的過(guò)程[6]。微囊藻借助其懸浮機(jī)制置身于水體中有利其自身生長(zhǎng)的位置[7]。為了得到適宜的光照,藍(lán)藻以形成水華的方式作為其適應(yīng)環(huán)境的生態(tài)對(duì)策的一部分[8]。藍(lán)藻生長(zhǎng)與藍(lán)藻水華形成由休眠、復(fù)蘇、生長(zhǎng)、上浮聚集等4個(gè)階段組成[9]。(2)其他水生生物。浮游植物群落的規(guī)模是由(水生)捕食動(dòng)物和營(yíng)養(yǎng)鹽共同控制的[10]。微囊藻細(xì)胞形成較大的群體后就可以有效抵御原生動(dòng)物、浮游動(dòng)物的捕食[11]。藍(lán)藻能形成群體膠鞘,這降低了其被浮游動(dòng)物攝食的可能;藍(lán)藻能分泌他感物質(zhì),這對(duì)其他物種的生長(zhǎng)有抑制作用;其分泌的藻毒素對(duì)其他物種也有抑制作用[9]。(3)水質(zhì)情況。在相同條件時(shí)硝酸鹽濃度與藻藍(lán)素濃度呈正相關(guān)[12]。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署指出,在湖泊與水庫(kù)中總磷、總氮濃度分別超過(guò)10、150 μg/L時(shí)即有可能發(fā)生藍(lán)藻水華[13]。Bulgakov等認(rèn)為,氮磷濃度比降至5~10常導(dǎo)致藍(lán)藻成為浮游植物群落的主導(dǎo)者[14]。在澳大利亞魚腥藻(屬藍(lán)藻門)水華在渾濁度低于50 NTU時(shí)發(fā)生[15]。(4)氣象情況。徐恒省等研究表明,風(fēng)速、風(fēng)向和藍(lán)藻在水體中的分布有內(nèi)在聯(lián)系[16]。武勝利等認(rèn)為,較大的風(fēng)速和降水量可以抑制藍(lán)藻水華[17]。藍(lán)藻在風(fēng)速低于3 m/s時(shí)能夠在水下30 cm內(nèi)占據(jù)優(yōu)勢(shì)[18]。光照條件與藍(lán)藻水華形成有密切關(guān)系[19]。溫度在25°C以上時(shí)大多數(shù)藍(lán)藻達(dá)到最高生長(zhǎng)速率[20]。(5)水文情況。在具備充分營(yíng)養(yǎng)鹽與適合水溫條件時(shí),藍(lán)藻水華的發(fā)生在很大程度上受水體穩(wěn)定性的影響[21-22]。淀山湖水華暴發(fā)的頻率和規(guī)模遠(yuǎn)低于其他同類型湖泊,一個(gè)重要原因是其平均換水周期較短,僅為30 d左右[18]。風(fēng)浪和湖流的運(yùn)動(dòng)使湖區(qū)內(nèi)的藍(lán)藻聚集于湖岸形成水華[9]。水體發(fā)生垂直混合時(shí)微囊藻的懸浮機(jī)制優(yōu)勢(shì)喪失[23]。
目前國(guó)內(nèi)外有害藻華的預(yù)警和預(yù)報(bào)技術(shù)主要是針對(duì)藻華的發(fā)生和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)方法主要包括依據(jù)指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)臨界值預(yù)警、確定性生態(tài)數(shù)學(xué)模型(或基于過(guò)程的模型)、不確定的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型(包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和多元回歸方法等)[1]。
依據(jù)指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)臨界值進(jìn)行判斷隱含著一種錯(cuò)誤邏輯,即藍(lán)藻水華的某些相關(guān)因素取其自身閾值以上或以下的值是藍(lán)藻水華發(fā)生的條件。然而目前為止還沒(méi)有這樣的實(shí)證結(jié)果,即藍(lán)藻水華的發(fā)生是以其某些相關(guān)因素的閾值為分水嶺。有關(guān)影響因素對(duì)藍(lán)藻水華的影響趨勢(shì)并不一定是嚴(yán)格遞增或遞減的,例如并非氮濃度越高對(duì)藍(lán)藻的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)越有利,Blomqvist等指出,NO3--N濃度在小于200 μg/L時(shí)才對(duì)藍(lán)藻成為優(yōu)勢(shì)種類有利[24]。在氮、磷限制條件下微囊藻比其他藻類更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),因此在氮、磷濃度較低的許多水體中也可發(fā)生藍(lán)藻水華[9]。再如很多研究結(jié)果表明,藍(lán)藻水華易在高溫時(shí)暴發(fā),然而2007年12月8日、2008年1月3日太湖2次暴發(fā)藍(lán)藻水華,而當(dāng)時(shí)日均溫分別為10.6、1.7 ℃;此外,2006年11月2日太湖吳縣東山氣象站的日照時(shí)數(shù)為0,但當(dāng)天藍(lán)藻仍然大面積暴發(fā),說(shuō)明充足的日照并非藍(lán)藻水華暴發(fā)的必要條件[17]。由此可見(jiàn),設(shè)定相關(guān)因素閾值進(jìn)行預(yù)警的方法是不可取的。
許秋瑾等提出了一種太湖藻類生長(zhǎng)的模型,考慮藻類的生長(zhǎng)率和死亡率,估算藻類濃度[25]。確定性數(shù)學(xué)模型需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù),為了開(kāi)發(fā)基于過(guò)程的模型,研究者還須要充分理解所有基礎(chǔ)的物理過(guò)程和物理化學(xué)過(guò)程,以便用數(shù)學(xué)方法將其表達(dá)出來(lái)。由于自然系統(tǒng)的巨大復(fù)雜性,這種方法常常是行不通的[26]。開(kāi)發(fā)基于過(guò)程的模型難度較大,這也降低了此類模型可推廣性。另外,藍(lán)藻水華暴發(fā)的原因非常復(fù)雜,湖泊內(nèi)不同水域的環(huán)境因素與藍(lán)藻水華暴發(fā)之間的響應(yīng)關(guān)系往往并不相同,年度差別也相當(dāng)明顯,因而水華發(fā)生具有很大的不確定性。這些因素導(dǎo)致消耗大量時(shí)間和成本后仍不能得到理想的生態(tài)數(shù)學(xué)模型[1]。上述情況也是導(dǎo)致此類模型的可推廣性不強(qiáng)的原因——不能保證將已有模型用于不同水域時(shí)的可靠性,所以對(duì)不同水域須另行開(kāi)發(fā)專用的基于過(guò)程的預(yù)測(cè)模型。還有,由于基于過(guò)程模型的自變量和因變量值往往屬于同期,因此必須用自變量的未來(lái)值預(yù)測(cè)藍(lán)藻水華。如果使用一個(gè)預(yù)測(cè)模型時(shí)須首先預(yù)測(cè)或估算諸多自變量甚至全部自變量在未來(lái)時(shí)期的值,雙重預(yù)測(cè)顯然會(huì)降低藍(lán)藻水華預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。endprint
相對(duì)確定性生態(tài)數(shù)學(xué)模型而言,開(kāi)發(fā)不確定的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型則快捷、簡(jiǎn)便、成本較低。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力。劉靜玲等建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的北京“六?!彼A預(yù)警模型,以葉綠素a濃度為被預(yù)測(cè)變量[27]。Maier等使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)河流中的藍(lán)藻水華[26]。但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)收集難度很大;而且該方法是一種完全的黑箱方法,研究者很難解釋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其對(duì)輸出變量的影響,也難以解釋輸入變量對(duì)輸出變量的影響。陳翔等基于18個(gè)旬度數(shù)據(jù)記錄構(gòu)建了影響洪澤湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的氣象因子類多因子交叉相關(guān)綜合法預(yù)報(bào)方程,進(jìn)行下一旬中期預(yù)報(bào)[24]。但該方法只能以旬為時(shí)間單位進(jìn)行預(yù)報(bào),不能精確到藍(lán)藻水華日暴發(fā)情況。該方法適用于類似洪澤湖這樣的藍(lán)藻水華暴發(fā)頻率不高的湖泊,但不適合太湖、滇池這種水華暴發(fā)頻率很高的湖泊。另外,該方法將連續(xù)型的自變量離散化,導(dǎo)致信息量損失,降低了預(yù)測(cè)模型精度。離散化的做法還可能導(dǎo)致預(yù)測(cè)模型的邏輯錯(cuò)誤或判斷錯(cuò)誤,導(dǎo)致水華誤報(bào)或漏報(bào)。一些實(shí)際投入使用的預(yù)測(cè)系統(tǒng)則將定量方法和定性方法相結(jié)合,例如中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所的預(yù)報(bào)系統(tǒng)[2]和美國(guó)的墨西哥灣赤潮預(yù)報(bào)系統(tǒng)[28]。
2藍(lán)藻水華Probit短期預(yù)測(cè)模型
為了解決上述問(wèn)題,筆者構(gòu)建了以藍(lán)藻水華是否發(fā)生為被預(yù)測(cè)變量,以水質(zhì)、水文、氣象3類監(jiān)測(cè)變量為連續(xù)型預(yù)測(cè)變量的非線性預(yù)測(cè)模型。該模型屬于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型,且克服了傳統(tǒng)多元(線性)回歸分析方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的不足。
藍(lán)藻細(xì)菌的生長(zhǎng)速率為0.3~1.4倍/d,比其他很多藻類慢得多[20]。藍(lán)藻的生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間為7~12 d,在單體水中藍(lán)藻大量增殖形成堆積,才會(huì)形成水華;但在非單體水中則不一定如此,藍(lán)藻水華可由藍(lán)藻輸移形成[29]。藍(lán)藻達(dá)到一定數(shù)量后,低流速、高溫、弱風(fēng)、弱降水、強(qiáng)光照、低氣壓可能導(dǎo)致水華發(fā)生[18]。在多數(shù)情況中,這種突然出現(xiàn)的水華是已存在的藍(lán)藻群落在水中的重新分布(即上浮、聚集于水體表層)引起的;而藍(lán)藻群落的重新分布則是由適宜的氣象與水文條件引起的,例如對(duì)微弱湍流條件的反應(yīng)。藍(lán)藻水華并不全是由藻類的原位生長(zhǎng)所致,不是短時(shí)間內(nèi)藍(lán)藻數(shù)量爆炸性增長(zhǎng)的結(jié)果[30]。因此對(duì)藍(lán)藻水華進(jìn)行短期(如1周內(nèi))預(yù)測(cè)時(shí),可以將重點(diǎn)放在考察水質(zhì)、水文、氣象3類環(huán)境因素方面。在藍(lán)藻水華易暴發(fā)的季節(jié),尤其是在研究水域的藍(lán)藻密度較高時(shí),藍(lán)藻在自身生長(zhǎng)和種群競(jìng)爭(zhēng)方面已經(jīng)占有優(yōu)勢(shì),或者說(shuō)這2方面因素已不是藍(lán)藻水華暴發(fā)的限制因素,因此僅以這3類指標(biāo)作為藍(lán)藻水華短期預(yù)測(cè)模型的潛在自變量(預(yù)測(cè)變量)不會(huì)明顯降低預(yù)測(cè)精度。
目前國(guó)內(nèi)外的藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)模型主要預(yù)測(cè)葉綠素a濃度、藻類生物量、藍(lán)藻密度/豐度或藻藍(lán)素濃度等指標(biāo),或者用這些指標(biāo)作為藍(lán)藻水華暴發(fā)的替代指標(biāo),并未直接預(yù)測(cè)藍(lán)藻水華是否暴發(fā)[25-27,31-32]。葉綠素a濃度或藍(lán)藻密度等指標(biāo)只能從微觀角度表示藍(lán)藻水華強(qiáng)度,并不能確切地度量或反映藍(lán)藻水華發(fā)生與否;再加上藍(lán)藻水華暴發(fā)條件的多樣性和復(fù)雜性,葉綠素a濃度或藍(lán)藻密度等指標(biāo)與其預(yù)測(cè)變量之間的響應(yīng)關(guān)系并不能代表藍(lán)藻水華暴發(fā)與這些預(yù)測(cè)變量之間的響應(yīng)關(guān)系。例如有研究表明,當(dāng)湖體中葉綠素a含量超過(guò) 10 μg/L 或藍(lán)藻密度達(dá)到2萬(wàn)細(xì)胞/mL時(shí)可被稱為藻類水華[1];然而孔繁翔等的觀測(cè)報(bào)告顯示,2007年8月上旬太湖水體中葉綠素a濃度大于水華形成閾值,但由于臺(tái)風(fēng)過(guò)境,幾乎沒(méi)有觀測(cè)到藍(lán)藻水華[2]。在水華易發(fā)生季節(jié),沒(méi)有人為干擾時(shí),只要環(huán)境合適富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中的葉綠素一般都保持高濃度狀態(tài),這期間葉綠素并沒(méi)有迅速消失或增加[9]。另外盡管對(duì)藍(lán)藻水華的定義并不統(tǒng)一,但在該領(lǐng)域內(nèi)有一個(gè)較通行的觀點(diǎn),即藍(lán)藻顆粒覆蓋水面是藍(lán)藻水華暴發(fā)的重要特征[33-36]。但水體中葉綠素a濃度或藻類密度等指標(biāo)較高時(shí)藍(lán)藻顆粒并不一定形成對(duì)水面的覆蓋;另一方面,由于藍(lán)藻顆粒上浮、覆蓋水面,此時(shí)水體中葉綠素a濃度或藻類密度反而降低[9]。因此藍(lán)藻顆粒對(duì)水面的覆蓋與水體中葉綠素a濃度或藻類密度之間并無(wú)確定的關(guān)系,或者說(shuō)關(guān)于葉綠素a濃度或藻類密度并沒(méi)有一個(gè)科學(xué)、準(zhǔn)確、確定的閾值可被用來(lái)判斷藍(lán)藻水華暴發(fā)與否。綜上,不宜用葉綠素a濃度或藻類密度等指標(biāo)作為藍(lán)藻水華暴發(fā)與否的指標(biāo)。
本研究中藍(lán)藻水華反演圖(圖1)被用來(lái)判斷某個(gè)水域某個(gè)時(shí)刻是否暴發(fā)藍(lán)藻水華,并以此指標(biāo)作為被預(yù)測(cè)變量。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)研究者基于此判斷方法和指標(biāo)進(jìn)行藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)。藍(lán)藻水華反演圖是基于衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)制作的,而衛(wèi)星遙感影像在反映藍(lán)藻水華暴發(fā)情況方面具有較多優(yōu)勢(shì),例如其從宏觀角度反映藍(lán)藻水華的暴發(fā)情況,因而更確切;它是由特定的衛(wèi)星遙感傳感器成像,因而反映情況較客觀;它基于覆蓋水面的藍(lán)藻水華的光譜特征而成像,符合藍(lán)藻水華通行的概念。
在該藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)模型中,被預(yù)測(cè)變量是藍(lán)藻水華暴發(fā)與否,是二元變量,只取“發(fā)生”或“未發(fā)生”2個(gè)值;而預(yù)測(cè)變量大多為連續(xù)型變量。對(duì)于這一特殊的數(shù)據(jù)模式,一般的研究方法或模型均不適用,而離散因變量模型類型中的二元選擇模型較合適。二元選擇模型被用來(lái)研究在給定條件時(shí)作一種選擇而舍棄另一種選擇的概率。Probit模型就是一種二元選擇模型[37],本研究中藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)模型采用Probit模型的形式。用“發(fā)生”和“未發(fā)生”這2個(gè)狀態(tài)描述藍(lán)藻水華,該研究方法包含如下概念:這2個(gè)狀態(tài)分別代表一個(gè)指標(biāo)或指標(biāo)組合的某個(gè)取值范圍。例如藍(lán)藻在水面的集聚面積大到某個(gè)程度(可以是定性指標(biāo))以上、藻藍(lán)素濃度高到某個(gè)程度以上時(shí)定義為藍(lán)藻水華“發(fā)生”。因此根據(jù)研究背景和需要,可基于相關(guān)指標(biāo)值確定藍(lán)藻水華“發(fā)生”或“未發(fā)生”。例如筆者基于藍(lán)藻水華反演圖的宏觀特性判斷水華“發(fā)生”或“未發(fā)生”,即這2個(gè)狀態(tài)的定義可因不同研究需要而變化,因此該研究方法具有廣泛的適用性。
在Probit模型中因變量y是關(guān)于自變量向量x的、服從正態(tài)分布的非線性函數(shù)。以藍(lán)藻水華發(fā)生或不發(fā)生的狀態(tài)作為因變量y,以若干潛在相關(guān)環(huán)境因素作為自變量向量x,構(gòu)建二元選擇水華預(yù)測(cè)模型??傮w模擬模型為:endprint
y=1-F(-βTx)+μ(1)
式中:F(·)為累積分布函數(shù),對(duì)于Probit模型而言,F(xiàn)(·)為Φ(·),即標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù);β為系數(shù)向量;T為向量轉(zhuǎn)置運(yùn)算符號(hào); μ是均值為0的隨機(jī)誤差項(xiàng)。用Φ(·)替換F(·),可得到模型(1)的具體形式:
y=φ(βTx)+μ=∫βTx1-∞112πe-112u2du+μ(2)
式中:y=1表示藍(lán)藻水華發(fā)生,y=0表示藍(lán)藻水華不發(fā)生。上述模型為一個(gè)通用模型,可用于湖泊、水庫(kù)藍(lán)藻水華的預(yù)測(cè)。
3案例研究:太湖大貢山水域藍(lán)藻水華暴發(fā)預(yù)測(cè)
調(diào)查結(jié)果顯示,太湖流域藻類以藍(lán)藻門為主,藍(lán)藻門數(shù)量最高時(shí)約占藻類總量的91.6%[38]。2007年5月底藍(lán)藻大規(guī)模暴發(fā),藍(lán)藻水華面積達(dá)全太湖面積的1/3。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:2007、2008年藍(lán)藻水華呈加劇態(tài)勢(shì)[39]。2011年太湖藻類水華暴發(fā)頻次較往年有一定幅度下降,但小范圍水華暴發(fā)頻次居高不下。梅梁灣、貢湖灣、西部沿岸一帶藍(lán)藻水華形勢(shì)沒(méi)有根本好轉(zhuǎn)。以下以大貢山水域的藍(lán)藻水華為對(duì)象,研究藍(lán)藻水華的預(yù)測(cè)。
3.1數(shù)據(jù)來(lái)源和處理
本研究中太湖湖區(qū)數(shù)據(jù)為太湖大貢山水域2008年7—12月和2009年8—11月的每日水質(zhì)、水文、氣象3類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(共17個(gè)監(jiān)測(cè)變量、86條觀測(cè)記錄)和匹配的太湖藍(lán)藻水華反演圖,由湖泊-流域科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)提供。數(shù)據(jù)采集時(shí)段為每天08:47—15:44。17個(gè)監(jiān)測(cè)變量為:風(fēng)速(WS)、風(fēng)向(WD)、瞬時(shí)降雨(IRF)、氣溫(AT)、水溫(WT)、太陽(yáng)輻射(I)、氣壓(AP)、水深(WDEP)、電導(dǎo)率(COND)、pH值(PH)、溶解氧濃度(DO)、電池電壓(V)、濕度(H)、藍(lán)藻密度(CD)、葉綠素a濃度(CHLA)、氨濃度(NH3)、鹽度(SA),括號(hào)中為相應(yīng)的變量名。這些監(jiān)測(cè)變量屬于本研究文獻(xiàn)研究提到的后3類環(huán)境相關(guān)因素,因此可以作為潛在預(yù)測(cè)變量被納入本預(yù)測(cè)模型。上述數(shù)據(jù)均采集自被預(yù)測(cè)水域即大貢山水域,而不是采用附近水域或地區(qū)的數(shù)據(jù)或更大范圍的數(shù)據(jù),然后作近似替代。本數(shù)據(jù)集的空間精度可為預(yù)測(cè)模型達(dá)到較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和較高的空間精度奠定基礎(chǔ)。
將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與水華反演圖的信息即0、1值匹配、組合,并用Excel軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作歸一化處理。由于該模型中被預(yù)測(cè)變量與預(yù)測(cè)變量不屬于同一期,所以須基于原始數(shù)據(jù)構(gòu)造非同期數(shù)據(jù)集。隔天預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)集的構(gòu)造方法是:將對(duì)應(yīng)的第2天水華暴發(fā)與否的值替換每日相應(yīng)值,使模型能預(yù)測(cè)第2天是否暴發(fā)水華,在每日氣溫值后添加相應(yīng)第2天的氣溫值(NEXTAT),由于天氣預(yù)報(bào)能提供氣溫預(yù)報(bào)值,所以添加此項(xiàng);將第2天沒(méi)有水華暴發(fā)與否數(shù)據(jù)的日期的記錄刪除,原因是缺乏可驗(yàn)證預(yù)報(bào)值的因變量值。這樣就形成了所需數(shù)據(jù)集。用類似方法為相差2、3 d進(jìn)行的預(yù)測(cè)構(gòu)造數(shù)據(jù)集。
3.2模型擬合、預(yù)測(cè)檢驗(yàn)與準(zhǔn)確性分析
將第1個(gè)數(shù)據(jù)集(隔天預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集,共18個(gè)自變量、43條記錄,構(gòu)造隔天預(yù)測(cè)模型的數(shù)據(jù)集時(shí)刪除了部分無(wú)效數(shù)據(jù)記錄)分成2部分。第1部分有30條記錄,用于擬合預(yù)測(cè)模型;第2部分有13條記錄,用于檢驗(yàn)?zāi)P皖A(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。根據(jù)“3.1”中的變量?jī)?nèi)容,用統(tǒng)計(jì)分析軟件EViews 6.0構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并將上述第1部分的30條記錄復(fù)制到該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。然后選擇EViews中的Probit建模工具構(gòu)建模型,并基于上述數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,即估計(jì)式(2)中的各系數(shù)值。預(yù)測(cè)模型的擬合形式為:
y^=Φ(-18.22-6.98IRF+12.23V-54.67WS-7638WD-61.25AP-24.49I-124.33AT+111.96NEXTAT-28.66H-14.45CD+113.33PH-57.14CHLA+18.22DO+231.24WDEP-128.57NH3-92.23WT-81.51COND+14225SA)(3)
式中:Φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。
該P(yáng)robit模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。該模型整體的顯著性較高。LR統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)除了常數(shù)項(xiàng)以外所有系數(shù)都是0的假設(shè),測(cè)試模型整體的顯著性。LR統(tǒng)計(jì)量漸進(jìn)服從χ2(k)分布,k為自由度。LR統(tǒng)計(jì)量值在0.5%水平上大于χ2分布的臨界值,通過(guò)整體顯著性檢驗(yàn);Prob(LR)<0.5%,這也表示該模型在0.5%的顯著性水平上通過(guò)整體顯著性檢驗(yàn)。Andrews統(tǒng)計(jì)量值及其概率表明預(yù)測(cè)模型通過(guò)擬合優(yōu)度檢驗(yàn),擬合優(yōu)度較好。
表1對(duì)第1個(gè)數(shù)據(jù)集擬合得到的指標(biāo)
模型指標(biāo)1值LR statistic141.588 8Prob(LR statistic)10.001 3Andrews Statistic17.470 2Prob. Chi-Sq(10)10.680 4
再將數(shù)據(jù)集第2部分的13條記錄復(fù)制到前述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中,將其置于前述30條記錄之后。用這13條數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行檢驗(yàn)。圖2為預(yù)測(cè)結(jié)果,其中左邊部分為藍(lán)藻水華暴發(fā)概率的預(yù)測(cè)值,右邊部分為預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià),折線YF表示預(yù)測(cè)值,Y表示實(shí)際值,Y折線未顯示于圖中。Y的情況是:樣本31~41的值為1,樣本42、43的值為0。結(jié)果顯示:預(yù)測(cè)平均絕對(duì)誤差為20.4%,預(yù)測(cè)平均相對(duì)誤差為13.5%。平均相對(duì)誤差(圖2中平均絕對(duì)百分比誤差)為預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的偏差占真實(shí)值的比例。本預(yù)測(cè)模型的平均相對(duì)誤差與以往研究結(jié)果相近,陳翔等建立的模型在2008—2009年試報(bào)中誤差率為12.5%[29];孔繁翔等2008年的預(yù)報(bào)誤差率為:梅梁灣22%、貢山灣16%、大太湖12%,2009年的預(yù)報(bào)誤差率為:梅梁灣40%、貢山灣30%、大太湖5%[2]。
偏差比例度量了預(yù)測(cè)值均值與數(shù)據(jù)序列實(shí)際值均值的偏離程度,表示系統(tǒng)誤差,本模型的偏差比例較小,為2.3%;方差比例度量了預(yù)測(cè)值方差與實(shí)際序列方差的偏離程度,圖2中相應(yīng)值為0.4%,也較小。協(xié)方差比例衡量了剩余的非系統(tǒng)誤差的大小。偏差比例、方差比例、協(xié)方差比例之和為1。如果前兩者較小,而協(xié)方差比例較大,則預(yù)測(cè)結(jié)果比較理想[40]。以上指標(biāo)值顯示本模型的預(yù)測(cè)結(jié)果較好。本案例研究還表明:將所有可用監(jiān)測(cè)變量都納入預(yù)測(cè)模型時(shí)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度高于僅采用可用監(jiān)測(cè)變量諸多子集時(shí)的準(zhǔn)確度,這印證了藍(lán)藻水華暴發(fā)受多種因素影響的一般觀點(diǎn)。endprint
預(yù)測(cè)藍(lán)藻水華時(shí)更須要知道藍(lán)藻水華發(fā)生的確切位置,因?yàn)槟壳八{(lán)藻水華在夏季、秋季容易暴發(fā),但是只有湖濱岸帶、重要景觀湖區(qū)、飲用水源地的藍(lán)藻水華才有可能給人們的生活與社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)威脅[2]。本模型針對(duì)的是某一個(gè)水域,可以預(yù)測(cè)藍(lán)藻水華暴發(fā)的確切位置;而陳翔等的研究針對(duì)的是整個(gè)洪澤湖,從而有利于其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率處于較高水平,但這種準(zhǔn)確率是以較低的空間精度為代價(jià)的[29]。因而本研究的空間精度更高,或者說(shuō)空間粒度更細(xì)??追毕璧鹊难芯恐胁糠诸A(yù)測(cè)的空間粒度也非常粗,其地點(diǎn)預(yù)測(cè)誤差率在 16%~53%[2]。
本預(yù)測(cè)模型的時(shí)間精度為1 d。而孔繁翔等的研究中藍(lán)藻水華預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)時(shí)間精度是3 d[2],其時(shí)間精度沒(méi)有本模型的高;陳翔等的模型時(shí)間精度更差,為旬[29]。這有利于這些模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率處于較高水平,同樣這種準(zhǔn)確率是以較低的時(shí)間精度為代價(jià)的。也就是說(shuō)本預(yù)測(cè)模型達(dá)到與前二者相近的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度時(shí),本預(yù)測(cè)模型的實(shí)用性更強(qiáng)。因此整體而言,本預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確度高于對(duì)照模型。
3.3其他預(yù)測(cè)周期與預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度分析
相差2 d的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集共有28條觀測(cè)記錄,被分成2部分。第1部分19條記錄,用于擬合預(yù)測(cè)模型;第2部分9條記錄,用于檢驗(yàn)?zāi)P皖A(yù)測(cè)精度。如圖3所示,預(yù)測(cè)周期為相差 2 d 的模型預(yù)測(cè)平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差均比隔天預(yù)測(cè)模型的大,其他評(píng)價(jià)指標(biāo)值也偏大(差),預(yù)測(cè)精度有所降低。
相差3 d的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集共有27條觀測(cè)記錄,被分成2部分。第1部分19條記錄,用于擬合預(yù)測(cè)模型;第2部分8條記錄,用于檢驗(yàn)?zāi)P皖A(yù)測(cè)精度。如圖4所示,預(yù)測(cè)周期為相差 3 d 的模型預(yù)測(cè)均方根誤差、平均絕對(duì)誤差、Theil不等系數(shù)、偏差比例、方差比例都偏大,預(yù)測(cè)效果不好。
第2個(gè)、第3個(gè)模型的預(yù)測(cè)效果變差的潛在原因除了擬合預(yù)測(cè)模型的可用樣本數(shù)量明顯減少外,還有預(yù)測(cè)周期加長(zhǎng)導(dǎo)致不確定性因素增多的不利影響。
4結(jié)語(yǔ)
筆者根據(jù)藍(lán)藻水華反演圖判斷太湖大貢山水域在某一時(shí)刻是否暴發(fā)藍(lán)藻水華,用藍(lán)藻水華暴發(fā)與否作為預(yù)測(cè)模型的被預(yù)測(cè)變量,用水質(zhì)、水文、氣象3類監(jiān)測(cè)變量作為預(yù)測(cè)變量,基于太湖大貢山水域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),使用二元選擇模型構(gòu)建了藍(lán)藻水華短期預(yù)測(cè)模型。該預(yù)測(cè)模型的平均相對(duì)誤差為135%,該模型的誤差接近或小于對(duì)照模型誤差,預(yù)測(cè)結(jié)果較為理想;并且該模型在空間精度和時(shí)間精度方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。整體而言,該模型的準(zhǔn)確度比對(duì)照模型更高。本研究中被預(yù)測(cè)對(duì)象(藍(lán)藻水華發(fā)生與否的二元變量)比諸多文獻(xiàn)中的被預(yù)測(cè)對(duì)象更直接、有效。該預(yù)測(cè)模型能為有關(guān)部門提供藍(lán)藻水華預(yù)測(cè),有利于短期應(yīng)急措施實(shí)施。本研究還涉及不同預(yù)測(cè)周期對(duì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的影響,結(jié)果顯示隔天預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性最高,預(yù)測(cè)周期加長(zhǎng)時(shí)準(zhǔn)確性降低。
本研究方法具有實(shí)用性和普適性,因?yàn)樵谥T多湖泊、水庫(kù)、河流都設(shè)有自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備或人工監(jiān)測(cè)點(diǎn),而衛(wèi)星遙感服務(wù)又具有廣泛覆蓋性,只要通過(guò)合適方法獲得這些數(shù)據(jù)后就能構(gòu)建此類預(yù)測(cè)模型,并進(jìn)行實(shí)際預(yù)測(cè)工作。該預(yù)測(cè)模型屬于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型模型,適合處理藍(lán)藻水華暴發(fā)的復(fù)雜性和不確定性,因而易于被應(yīng)用到不同湖泊、水庫(kù),這適應(yīng)了為不同水域的藍(lán)藻水華暴發(fā)構(gòu)建專用預(yù)測(cè)模型的要求,但卻不必花費(fèi)很多精力和成本另行開(kāi)發(fā)模型(如采用確定性模型時(shí))。由于各種原因,本研究中的數(shù)據(jù)集未能涵蓋太湖大貢山水域2008、2009年的所有有效數(shù)據(jù)記錄,但即使這樣,本預(yù)測(cè)模型亦具有較好的預(yù)測(cè)效果??梢灶A(yù)計(jì),如果能獲得更全面的監(jiān)測(cè)變量和更完整的數(shù)據(jù)記錄,以及更多年份的數(shù)據(jù)記錄和匹配的藍(lán)藻水華反演圖,將之用于本預(yù)測(cè)模型的擬合,則可以獲得與實(shí)際情況更吻合的模型和更高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。
本研究中第1個(gè)預(yù)測(cè)模型具有更高準(zhǔn)確性的原因是:(1)對(duì)被預(yù)測(cè)變量的科學(xué)設(shè)計(jì)以及表示被預(yù)測(cè)變量數(shù)據(jù)的正確選擇;(2)大量、精確數(shù)據(jù)的支撐;(3)選用了合適的建模工具——二元選擇模型。
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