秦皇島近海赤潮發(fā)生的氣象條件分析

張曉玲 燕成玉

摘要利用衛(wèi)星遙感、海島站、海岸帶日照和EC渤海格點等資料，采用同步資料疊加分析，對2004—2013年5—8月出現(xiàn)在河北海區(qū)26次赤潮個例進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明，氣象環(huán)境條件是赤潮發(fā)生、發(fā)展及消亡的新因素，赤潮發(fā)生后1～2 d環(huán)渤海地區(qū)地面維持均壓場狀態(tài)；赤潮發(fā)生的主要時間段為6—8月，持續(xù)時間7～15 d，最高氣溫30～34 ℃，相對濕度78%～88%，平均風(fēng)速1～2 m/s，日照時數(shù)6～8 h；單一的海洋生物、物理、化學(xué)因子集成預(yù)測赤潮發(fā)生的空報次數(shù)偏多，疊加氣象環(huán)境預(yù)測因子空報次數(shù)明顯下降。

關(guān)鍵詞近岸海區(qū)；赤潮；氣象條件；預(yù)測因子

中圖分類號P47文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）35-0186-04

AbstractUsing satellite remote sensing， island stations， coastline sunshine and EC Bohai Sea grid and other information，a comprehensive analysis of 26 red tides occurred in Hebei sea area from May to August during 2004-2013 was carried out by using synchronous data overlay analysis.The results showed that the meteorological environment conditions were the new factors for the occurrence， development and disappearance of red tide. The surface of the area around the Bohai Sea remained the state of pressure field 1 - 2 days after the occurrence of red tide.The main period of occurrence of red tide was from June to August， the duration was 7-15 days， the maximum temperature was 30-34 ℃， the relative humidity was 78%-88%， the average wind speed was 1-2 m/s and the sunshine duration was 6-8 h.The integration of single marine biology， physical and chemical factors had predicted that there were too many cases of frequent occurrence of red tides，and overlapped meteorological environment forecast factor significantly decreased the number of vacancies.

Key wordsCoastal area；Red tide；Meteorological conditions；Predictive factor

赤潮一般指在特定的海洋、氣象環(huán)境條件下，近海至入海河口附近海水中某些浮游植物、原生動物或細(xì)菌等暴發(fā)性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種有害生態(tài)現(xiàn)象[1-2]，近海海域發(fā)生的赤潮導(dǎo)致養(yǎng)殖、捕撈業(yè)以及海濱旅游業(yè)都遭受嚴(yán)重?fù)p失，已引起沿海國家的高度重視[3-4]。20世紀(jì)70年代初日本率先開展赤潮監(jiān)測研究，采用上下聯(lián)動體系，水產(chǎn)廳—研究所—漁民協(xié)會監(jiān)測赤潮上報體系，并在大阪、瀨戶等海灣的赤潮監(jiān)測與綜合治理取得顯著效果；法國、加拿大、挪威及瑞典在20世紀(jì)90年代分別設(shè)立了國家級赤潮監(jiān)測與研究規(guī)劃（EUROHAB）；美國1995年升級為赤潮生態(tài)學(xué)基金資助項目（ECOHAB），美國海洋資源部（DMR）從1996年開始為沿海漁港培訓(xùn)的海洋赤潮監(jiān)測志愿者，為科研部門提供海洋水溫、鹽度及赤潮生物樣本；國內(nèi)自1989年渤海赤潮大面積暴發(fā)以來，由沿海環(huán)保部門、海洋生物研究所及氣象部門以科研項目任務(wù)方式進(jìn)行近海港區(qū)監(jiān)測[5-6]及機(jī)理研究[7]。由于赤潮的發(fā)生不是單純的生態(tài)學(xué)問題[8-9]，而是在海洋動力與氣象環(huán)境[10-11]條件控制下的海洋物理和化學(xué)問題，不同種類赤潮發(fā)生機(jī)理十分復(fù)雜，較難得出一個普遍適用的規(guī)律性結(jié)論[12-13]和概念標(biāo)準(zhǔn)。

筆者基于已發(fā)生赤潮的生態(tài)學(xué)個例，分析主要赤潮生物種類的氣象環(huán)境條件要素場，研究河北區(qū)域的近海赤潮發(fā)生、發(fā)展、消亡的氣象環(huán)境條件；綜合水文、海洋生態(tài)同步監(jiān)測資料，初步歸納預(yù)測因子并建立試驗預(yù)測模型，為搭建渤海赤潮綜合防治業(yè)務(wù)平臺及機(jī)理研究提供技術(shù)支撐。

1赤潮事件及資料處理

1.1赤潮事件個例

2004—2013年赤潮事件持續(xù)時間最長在30 d以上（表1），并呈頻發(fā)趨勢，如2011年8月1—9日北戴河附近海域發(fā)生赤潮，赤潮水體紅褐色，赤潮生物優(yōu)勢種為夜光藻，面積約40 km2，分布在北戴河外交部大使館區(qū)和中值機(jī)關(guān)游泳區(qū)域，恰逢旅游高峰期，日游客流量大于20萬，對秦皇島的水產(chǎn)養(yǎng)殖、海上旅游及社會造成了一定影響。

1.2資料處理

將上述入選個例分3個層面按發(fā)生的時段以10 d為一次過程，采用同步資料疊加方法，核查前5～7 d的氣象場的海岸帶日照時數(shù)、溫度、10 m風(fēng)場及Micaps 3.2環(huán)渤海地面形勢場等，作為赤潮發(fā)生預(yù)測因子條件，后3 d作為赤潮發(fā)展時段預(yù)測實況檢驗因子，分析主要赤潮生物種類的氣象環(huán)境條件要素場，找出一般對應(yīng)關(guān)系，提煉秦皇島區(qū)域的近海赤潮發(fā)生、發(fā)展的氣象環(huán)境條件可預(yù)測因子。

1.3數(shù)值預(yù)測因子

在總結(jié)優(yōu)勢赤潮物種時空尺度分布特征及氣象環(huán)境條件基礎(chǔ)上，選取EC模式和WAF模式等渤海邊界層氣象要素格點資料，用2012—2013年7—8月同步74組的海洋物理、化學(xué)、生物監(jiān)測值和水文氣象監(jiān)測值，確定赤潮可預(yù)測因子并建立試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

2赤潮發(fā)生的氣象環(huán)境條件分析

最新科研成果所達(dá)成初步共識為：①營養(yǎng)鹽的含量，把海水營養(yǎng)鹽的變化對赤潮生物生長影響規(guī)律作為基本條件；②水動力條件，赤潮生物本身的移動范圍是有限的，赤潮生物分布、聚集和分散直接受到潮流動力影響；③氣象條件，降水、氣溫、光照、風(fēng)向風(fēng)速等與赤潮形成、發(fā)展、維持和消失密切相關(guān)。其中氣象環(huán)境條件是赤潮發(fā)生→發(fā)展→消亡的主要因素之一。赤潮的發(fā)生是小概率事件，是一個中尺度系統(tǒng)預(yù)報與海洋生態(tài)學(xué)、氣象學(xué)、海洋動力學(xué)互相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜學(xué)科，對已經(jīng)發(fā)生的赤潮事件用單一學(xué)術(shù)觀點難以說明其機(jī)理，因此，深入研究赤潮發(fā)展的氣象環(huán)境條件，對提升秦皇島海洋赤潮災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)測能力建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

2.1基本氣象環(huán)境條件

利用2004—2013年Micaps 3.2環(huán)渤海地面分析和探空，以及沿海唐山、滄州、秦皇島（5個監(jiān)測站）7個海岸帶氣象6要素監(jiān)測站同步資料，對入選的26例赤潮過程（表1）氣象環(huán)境背景場進(jìn)行分析。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，赤潮發(fā)生面積小于100 km2的典型組合個例中，時間段一般為5、9月，持續(xù)時間3～7 d（特例大于10 d，但面積分散），赤潮發(fā)生前7 d環(huán)渤海地區(qū)地面維持均壓場狀態(tài)，最高氣溫26～32 ℃，相對濕度76%～88%，平均風(fēng)速2～3 m/s，平均日照時數(shù)7～9 h；赤潮發(fā)生后1～2 d環(huán)渤海地區(qū)地面維持“弱高壓區(qū)”均壓場狀態(tài)，最高氣溫30～33 ℃，相對濕度81%～88%，平均風(fēng)速1～2 m/s，平均日照時數(shù)7～8 h。

赤潮發(fā)生面積小于1 000 km2的典型組合個例中，時間段一般為5、9月，持續(xù)時間3～10 d（特例大于30 d，但面積分散），赤潮發(fā)生前7 d環(huán)渤海地區(qū)地面維持“弱高壓”均壓場狀態(tài)，最高氣溫26～30 ℃，相對濕度71%～86%，平均風(fēng)速1～2 m/s，平均日照時數(shù)7～9 h；赤潮發(fā)生后1～3 d環(huán)渤海地區(qū)地面維持“低壓區(qū)”均壓場狀態(tài)，最高氣溫30～33 ℃，相對濕度80%～88%，平均風(fēng)速1～2 m/s，平均日照時數(shù)7～8 h。

河北海域赤潮發(fā)生面積大于1 000 km2的典型組合個例中，時間段為6—8月，持續(xù)時間7～15 d，赤潮發(fā)生前7 d環(huán)渤海地區(qū)地面維持弱均壓場狀態(tài)，最高氣溫29～34 ℃，相對濕度75%～85%，平均風(fēng)速1～2 m/s，平均日照時數(shù)6～9 h；赤潮發(fā)生后1～2 d環(huán)渤海地區(qū)地面維持“低壓區(qū)”均壓場狀態(tài)，最高氣溫30～33 ℃，相對濕度80%～88%，平均風(fēng)速1～2 m/s，平均日照時數(shù)7～8 h。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年

2.2赤潮發(fā)展過程氣象因素控制

2.2.1初始期。

秦皇島近海至海岸線內(nèi)具有一定數(shù)量的赤潮生物種（夜光藻等或胞囊），海洋與環(huán)保部門監(jiān)測水環(huán)境各種物理、化學(xué)接近或達(dá)到赤潮主要物種生長繁殖的臨界值；氣象部門預(yù)測：近3～5 d秦皇島近海地區(qū)維持弱均壓場狀態(tài)，最高氣溫28～33 ℃，相對濕度76%～86%，平均風(fēng)速1.6～2.7 m/s，風(fēng)向W-SW，平均日照時數(shù)5～9 h，1～2次降水過程，降水量90～130 mm。

2.2.2發(fā)展期。

一般稱為赤潮的形成期。當(dāng)秦皇島近海海域內(nèi)的某種赤潮生物種群有了一定個體數(shù)量時，海洋部門監(jiān)測的水環(huán)境各種物理、化學(xué)達(dá)到或超過赤潮主要物種生物生長、繁殖的臨界值，赤潮生物進(jìn)入指數(shù)增殖期；赤潮發(fā)生后1～2 d環(huán)渤海地區(qū)地面維持均壓場狀態(tài)，海岸帶最高氣溫31～34 ℃，相對濕度88%～91%，平均風(fēng)速1～2 m/s，風(fēng)向W-SW，平均日照時數(shù)8～9 h，無強(qiáng)對流和海上短時大風(fēng)天氣。

2.2.3維持期。

時間的長短取決于水體的物理穩(wěn)定性和各種營養(yǎng)鹽的富有程度，以及當(dāng)營養(yǎng)鹽被大量消耗后補(bǔ)充的速率和補(bǔ)充量。氣象與水文條件為：海區(qū)風(fēng)平浪靜，水體垂直混合與水平混合偏弱，維持赤潮聚合體相對穩(wěn)定；近海監(jiān)測的海水環(huán)境各種化學(xué)、物理指標(biāo)維持赤潮主要物種生物生長的臨界值，赤潮發(fā)生后1～3 d渤海西部地區(qū)地面維持“低壓區(qū)”均壓場狀態(tài)，最高氣溫29～31 ℃，相對濕度82%～87%，平均風(fēng)速1.4～2.4 m/s，平均日照時數(shù)6～7 h，海上無短時強(qiáng)對流和大風(fēng)天氣。

2.2.4消亡期。

消亡期是指赤潮現(xiàn)象消失的過程。近2～3 d 海洋部門監(jiān)測的水環(huán)境各種物理、化學(xué)赤潮主要物種生物生長、繁殖的臨界值呈下降趨勢；未來1～3 d有系統(tǒng)性暴雨、海上大風(fēng)及強(qiáng)對流災(zāi)害天氣等，引起赤潮營養(yǎng)鹽消耗殆盡，赤潮聚合體被風(fēng)浪及強(qiáng)降水切割、擴(kuò)散，未來3～5 d環(huán)渤海地區(qū)地面維持“次天氣尺度高壓場”，最高氣溫25～26 ℃，平均風(fēng)速3.1～4.1 m/s，風(fēng)向E-NE，平均日照時數(shù)6～7 h。水體穩(wěn)定性差或因營養(yǎng)鹽未能得到及時補(bǔ)充，赤潮現(xiàn)象將迅速消失。

2.3氣象環(huán)境條件對赤潮發(fā)展過程的影響

2.3.1

氣象環(huán)境條件的雙重效應(yīng)。在已經(jīng)發(fā)生赤潮的條件下強(qiáng)降水天氣的雙重效應(yīng)：一是海上暴雨、強(qiáng)對流冰雹、短時大風(fēng)可能快速淡化赤潮生物濃度、分割聚合體；二是海岸帶地區(qū)暴雨加大各河道向近海污染排放量并激發(fā)近海底排污口氮、磷等沉積物元素混合到表層海面，導(dǎo)致營養(yǎng)鹽含量偏高，使赤潮維持或加重。

2.3.2

偏西風(fēng)對赤潮發(fā)展的影響。由于秦皇島海岸帶為東北—西南向，偏西風(fēng)為離岸風(fēng)，起到降低近海風(fēng)浪波峰作用。因此，偏西風(fēng)對赤潮發(fā)展或維持效應(yīng)為降低外海向岸區(qū)的涌浪，并對秦皇島海區(qū)表層水溫增溫。在最新的一些科研報告中一直把太陽輻射增溫作為赤潮環(huán)境的主要因素之一，忽略海岸帶邊界層偏西風(fēng)平流增溫因素分析，即在多云的天氣條件下要大于輻射增溫的監(jiān)測事實。

3赤潮預(yù)測方法試驗

近年來最新成果顯示，赤潮監(jiān)測、預(yù)測是綜合防治的基礎(chǔ)工作，是環(huán)境、海洋與氣象交叉的前沿科學(xué)，與氣象學(xué)一個中尺度系統(tǒng)預(yù)報類似，難度較大，赤潮的發(fā)生是小概率事件。針對赤潮樣本個例相對偏少，預(yù)測區(qū)域為中小尺度及生態(tài)學(xué)因子無量綱等目前共性難點問題，預(yù)測模型將采用專家系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)和分級概率加法模型；降低預(yù)測試驗的空報率，改進(jìn)赤潮預(yù)測方法單一學(xué)科因子常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計模型，在試驗過程中可隨時加入新的預(yù)測因子；在日照因子選取方面將突破2～3 d的可能性，預(yù)測因子0～24 h選用WRF模式產(chǎn)品，48～72 h用EC模式850～500 hPa濕度與風(fēng)場疊加格點值代替，提升秦皇島近海赤潮潛勢預(yù)測的能力和水平。

3.1預(yù)測因子選取

側(cè)重于秦皇島海區(qū)赤潮發(fā)生前后的環(huán)渤海岸區(qū)海區(qū)風(fēng)場、溫度、日照強(qiáng)度與海區(qū)強(qiáng)降水等氣象環(huán)境要素。對環(huán)渤海地面—海區(qū)赤潮發(fā)生日08：00—20：00 850 hPa截圖，氣象背景場分析3維空間影響系統(tǒng)基本配置；比對歷年赤潮發(fā)生日前7 d與后3 d的秦皇島海岸帶區(qū)域7個監(jiān)測站日照強(qiáng)度、最大平均風(fēng)向、平均最高氣溫、風(fēng)速資料；評估同步個例海島站、浮標(biāo)站日最大平均風(fēng)速、風(fēng)向及平均最高氣溫；歸納出氣象要素分級值、預(yù)報對應(yīng)關(guān)系。

采用大連、樂亭、錦州3個氣象探空站及物理量場等資料，結(jié)合EC和WRF數(shù)值產(chǎn)品10 m風(fēng)場與溫度場格點資料疊加，提供氣象環(huán)境預(yù)測條件因子。疊加海洋動力及赤潮生態(tài)因子，建立0～24和48～72 h赤潮潛勢預(yù)測方法；由于赤潮樣本個例相對偏少，在研究過程中需要加入新的預(yù)測因子，采用目前比較成熟的環(huán)境預(yù)測方法及概念模型。初步試驗擬合個例20個，試報個例2013年5—8月。其中，日照0～24 h預(yù)測代替因子用WRF模式產(chǎn)品，36～72 h預(yù)測因子用EC模式500～700 hPa濕度與風(fēng)場疊加值代替。海區(qū)營養(yǎng)鹽濃度潛勢因子，重點將赤潮發(fā)生前后的岸區(qū)各主要河流暴雨污染物排放量作為診斷；消空因子，主要評估強(qiáng)對流降水、暴雨、大風(fēng)天氣等氣象條件對赤潮區(qū)域削減和降溫作用；日照因子來自晴空天氣條件下沿西海岸帶的偏西風(fēng)對近海增溫及削浪作用。

3.2赤潮預(yù)測模型試驗

3.2.1資料處理及說明。

將秦皇島近海海區(qū)赤潮2004—2013年5—8月各類不同的數(shù)值產(chǎn)品檢驗結(jié)果中的分級要素頻數(shù)轉(zhuǎn)換成概率值，氣象同步要素場為20：00—次日20：00該區(qū)域沿海5個測站資料。環(huán)境場資料來自于本地44個區(qū)域氣象觀測站。其中，圖表時次為08：00和20：00，取值區(qū)域38°～41°N、115°～122°E。預(yù)測因子分為4個量級，各因子獨立取值分為3～5個級別。日照因子按季節(jié)概率值劃分，選取撫寧、昌黎及北戴河3個代表站資料，取值分為3～5個級別。入選赤潮過程個例26個，2012—2013年預(yù)測試驗個例6個（次）。預(yù)測級別定義為：0無赤潮發(fā)生；1赤潮可能性小；2赤潮發(fā)生可能性較大；3赤潮發(fā)生可能性最大或已經(jīng)發(fā)生。

3.2.2預(yù)測因子轉(zhuǎn)換概率值。

根據(jù)氣象概率統(tǒng)計原理，對于彼此獨立的赤潮環(huán)境數(shù)值產(chǎn)品預(yù)測因子，互斥的海洋、氣象及環(huán)保預(yù)測量級（因子分級），可將頻數(shù)分配概率P做近似轉(zhuǎn)換，也可轉(zhuǎn)換成計數(shù)值（表2）。

3.2.3 基本模型。

首先，將赤潮預(yù)測對象劃分為m個等級或m個預(yù)報對象，采用多種環(huán)境預(yù)測方法或n個因子。記Pij為i種方法對第j等級的頻率預(yù)報值，則有：Pij=（Pi1，Pi2，…，Pim），i=1，2，…，n。利用數(shù)值產(chǎn)品資料統(tǒng)計得到每種方

法的實際預(yù)報準(zhǔn)確率為Wi，其中i=1，2，…，n，則Bj=ni=1WiPij，取ni=1Wi=1，則Bk=MAX（Bj），所對應(yīng)等級為m個預(yù)報對象第j個綜合結(jié)果。例如，設(shè)預(yù)測對象B分為4級（無、1、2、3），用3種產(chǎn)品做3次預(yù)測，具體試驗初始數(shù)據(jù)和案例見表3。

3.3預(yù)測試驗

3.3.1海洋生物、物理、化學(xué)因子集成試驗。

將表1中赤潮個例2004—2013年5—8月同步資料中取出20個樣本個例，利用2013年7—8月同步（34組）海洋物理、化學(xué)、生物監(jiān)測值（表2），采用同步資料疊加分析，提煉出5個預(yù)測因子（4個級別），按上述模型進(jìn)行分級概率加法模型試驗，集成結(jié)果為：1級15次、2級10次、3級9次，預(yù)測赤潮（3級）發(fā)生的次數(shù)明顯偏多。其中，74組數(shù)據(jù)源來自河北海洋局、環(huán)保局、海洋水產(chǎn)研究院等赤潮監(jiān)測單位。

3.3.2預(yù)測因子改進(jìn)方案。

關(guān)于赤潮發(fā)生發(fā)展的機(jī)理至今尚無標(biāo)準(zhǔn)定論，但赤潮發(fā)生的基礎(chǔ)條件之一是赤潮生物增殖要達(dá)到一定的密度，否則，盡管其他海洋與氣象環(huán)境因子都適宜，也不會發(fā)生赤潮，在一般的理化環(huán)境條件下，赤潮生物在浮游生物中所占的比重并不大，如鞭毛蟲類（或甲藻類）還是一些魚蝦的食物，但由于氣象環(huán)境條件的維持，促使某些赤潮生物優(yōu)勢物種過量繁殖，加速近海赤潮大面積的形成。

由于海洋、環(huán)保、氣象部門監(jiān)測系統(tǒng)各自獨立，多數(shù)赤潮的發(fā)生時間為已經(jīng)發(fā)生后的1～3 d，因此，同步氣象資料一般取上報日期前7 d，預(yù)測方法研究局限于常規(guī)的科研方式。相關(guān)優(yōu)勢物種是否來自遼寧北部海域、天津海域，目前監(jiān)測能力難以說明，赤潮預(yù)測的氣象環(huán)境、海洋物理、海洋化學(xué)、水文等預(yù)測因子匹配是否合理，不確定性因素較多。

4結(jié)論與討論

（1）渤海地理環(huán)境特征不同，赤潮有害種類時空尺度分布不均，形成機(jī)理有待于進(jìn)一步探討，但對赤潮的發(fā)生是各種物理、化學(xué)、生物等綜合因素作用的結(jié)果已達(dá)成共識。氣象環(huán)境條件是赤潮發(fā)生→發(fā)展→消亡的新因素之一。

（2）秦皇島近海海域赤潮發(fā)生面積大于1 000 km2的典型個例中，時間段為6—8月，持續(xù)時間7～15 d，赤潮發(fā)生前7 d環(huán)渤海地區(qū)地面維持弱均壓場狀態(tài)，最高氣溫30～34 ℃，相對濕度78%～88%，平均風(fēng)速1～2 m/s，平均日照時數(shù)6～8 h；赤潮發(fā)生后1～2 d環(huán)渤海地區(qū)地面維持均壓場狀態(tài)。

（3）強(qiáng)降水天氣及離岸風(fēng)場對赤潮發(fā)展過程的影響：在已經(jīng)發(fā)生赤潮的條件下，降水因子起到2個效應(yīng)，即海上強(qiáng)對流冰雹、短時大風(fēng)可能快速淡化赤潮生物濃度、分割聚合體；暴雨加大各河道向近海污染排放量并激發(fā)近海底排污口氮、磷等沉積物元素混合到表層海面，導(dǎo)致營養(yǎng)鹽含量偏高，使赤潮維持或加重；偏西風(fēng)效應(yīng)：降低外海向岸區(qū)的涌浪，對該海區(qū)表層水溫增溫。

（4）單一的海洋生物、物理、化學(xué)因子集成預(yù)測赤潮發(fā)生的空報次數(shù)偏多，疊加氣象環(huán)境預(yù)測因子空報次數(shù)明顯下降。由于海洋、環(huán)保、氣象部門監(jiān)測系統(tǒng)各自獨立，海洋物理化學(xué)與氣象水文等預(yù)測因子是否匹配合理及預(yù)測模型的設(shè)定不確定性因素較多，如何加強(qiáng)不同學(xué)科密切合作、資料共享，有效提升環(huán)渤海赤潮監(jiān)測預(yù)測能力，尚需進(jìn)一步研究。

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