（大气科学专业论文）分析浙江海区赤潮过程中的气象因子.pdf

浙江大学颈士学位论文分析浙江海区券潮过程中羽气象因予 摘要 近年来赤潮作为一种全球性海洋型生态环境问题，因其频繁发生以及带来的 巨大经济损失而日益引起全世界的关注。但是由于赤潮发生的复杂性，豳前对赤 潮的发生规律、形成机理的了解严重不足。在可能影响赤潮发生的多个因子中， 气象作为一个必不可少的环境因子和物理因子进入研究的范畴。 本论文主要针对浙江海区这个赤潮的多发区，剩雳气象资料分析赤潮发生前 期天气背景特征。用统计的方法揭示气象和赤潮之间的关系。本文研究结果表明： 在赤潮发生前期，天气背景表现出一定的特点。例如在l 镰p a 等压面主，浙江 海区赤潮发生在位势高度负距平区的边缘；在5 0 0 百帕等压面温度场上，浙江海 区赤潮发生地处在等温线密集区。在赤潮生消过程中总是存在风向的转变，同时 风速较小。降水有利于赤潮的发生。相对湿度的大幅度变化也表现出易引发赤潮 的发生。 由于赤潮的地域性特征瞬显，本文还毖较了浙江南薯艺海域泰潮发生前麓气象 要素的变化特征。研究显示，在浙江南北海域赤潮的发生也存在气象条件上的差 异。 最后，利用聚类分析，比较各个气象因子( 即温度、气压等) 在辨别赤潮发 生上的分辨能力，为今后建立赤潮预报方程打下基础。 关键词：赤潮；浙江海区；气象因子；统计分析 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 分析浙江海区赤潮过程中的气象因子 f o ri t si n c r e 嬲i n g l y 疳e q u e n to c c u r r e n c e sa i l dt 1 1 ee i l s u i n ge c o n o i n i cl o s s e s ，m er e d t i d e ，r e c e n t l yr e c o g m z e d 弱ag l o b a lp r o b l e mo fo c e a n i ce c o s y s t e m s ，h a sc a i i s e d w o r l d 、析d ec o n c e m b u td u et 0 也ec o m p l e xi l a t u r eo fr e dt i d e ，k n o w l e d g eo fm ec a u s e a i l dp a 钍e mo fi t sh 印p 谢n g si ss t i l lv e 巧m u c hl i n l i t e d a m o n gm a n yo ft l l ef a c t o r s m a tc o u l d r e s u hi nt l l eo c c l l r r e n c eo fr e dt i d e ，m e t c o r o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，i d e n t i f i e d 弱 m ei n h e r c n te n v i r o 姗e n t ma r l dp b y s i c a lf a c t o r ，d e s e e sc a r e f m 如m y 1 l l i sm e s i s ，b a s e do nm e t e o r o l o g i c a ld a t ac o l l e c t e di nz h e j i a l l gp r o v i l l c e sc o s t 2 l l a r e a sn l a ts e es u 印r i s i n g l yf r e q u e n th 印p e i l i n g so fr e dt i d e ，i st 0a n a l y z er e l e v a l l t m e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n st 1 1 a tp r e c e d et h ea e t u a lh a p p e l l i n go fr e dt i d e t h es t u d y s h o w sm a ts p e c i f i cm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n sm a t e r i a l i z ea tt 1 1 e i i l i t i a js t a g eo ft l l e h 印p 喇n go fr e dt i d e f o ri 1 1 s 铷c e ，o v e rt h ec o u r s eo ft 1 1 ef o r m a t i o n 趾1 dm e w e a k e n i i l go fr e dt i d e ，t h e r ei st l l ec o n s t a n tc h a n g eo fw m dd i r e c t i o n 嬲l c 、) l ，i n d v e l o c i 够a l s od e c l i n e s b o t l lr a i n f a ，i la n dv a r i a t i o n si 1 1a i rb u m j d i t ya l s oi n c r e a s en l e l i k e l i n e s so ft h eh a p p e n i n go fr e dt i d e a st h eh a p p e n i n g so fr e dt i d ea r er e l e v a n tt os p e c i f i cg e o 铲a p h i c a ll o c a t i o n s ，t h i s t 1 1 e s i sa l s od o e sac o m p a r i s o no fm e t e o r o l o 西c a lc h a n g e sa tt h ei i l i t i a ls t a g eo ft h e h a p p e l l i n g so fr e dt i d ei nn o i t l 圮ma 1 1 ds o u 也e ms e aa r e a so fz h e j i a n gp r o v i n c e t h e s t u d ys h o w st l l a t r e l e v 觚tm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n si 1 1m 岱j r 朗tl o c a t i o n sa f e d i 航r e n t f i 蹦l y ，觚i n t e g r a t e ds t u d yo fv 撕e dr e l i a b i l i 锣o fr e l e v 锄tm e t e o r 0 1 0 9 i c a l e l e m e n t s ( e g t e r n p e r a t u r e ，a i rp r e s s u r e ) a i m st ob u i i dab a s i sf o rt 1 1 ef o r e c a s tf o 肌u l a o f r e dt i d e k e yw o r d ：r e dt i d e ；乃l e j i 锄gs e aa r e a ；m e t e o r o l o g i c a le l e m e n t s ；鼬a t i s t i c a la n a l y s i s i i 浙江大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个入在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获褥浙江大学或其它教育枕构的学位或证书面使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：! 乒圭叠日 期：巡墨 浙江大学学位论文使用授权声明 浙江大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采焉影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权浙江大学研究 生部办理。 研究生签名：氍导师签名： 违垫堡 日期： 岔t m r 专 浙江大学硕士学位论文分析浙江海区赤潮过程中的气象因子 第一章绪论 赤潮是在特定环境条件下，海水中某些浮游植物、原生动物或细菌暴发性增 殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象。赤潮并非都是海水显红色， 其水体的的颜色依赤潮的起因、生物种类和数量而显红、黄、紫、绿和褐色等。 例如1 9 9 2 年4 月1 1 日5 月1 1 日在中国南海大鹏湾发生的两次夜光藻赤潮呈 粉红色。近年来，赤潮的频繁暴发且损失及区域的不断扩大，甚至造成中毒和死 亡重大事件，从而引起全世界各有关部门的高度重视。1 9 8 6 年1 2 月在浙江省东 山县发生因食用被赤潮污染的花蛤，造成1 3 6 人中毒，1 人死亡事件。( 杨华庭 等，1 9 9 3 ) 1 9 9 8 年3 4 月在粤港海域发生米氏裸甲藻赤潮，造成大量鱼苗及养 殖鱼死亡，其中包括名贵鱼种石斑鱼等，共损失达3 5 亿元人民币。1 9 9 8 年9 月1 8 日至1 0 月1 5 日在渤海发生面积达5 0 0 0 k m 2 的赤潮，持续达1 个月，造成 约5 亿元人民币的经济损失。( 王修林等，2 0 0 3 ) 目前，赤潮已成为世界性的公 害，中国、美国、日本、加拿大、法国等3 0 多个国家和地区赤潮发生都很频繁。 到目前为止，国内外关于赤潮的危害主要总结为以下几种： 首先，赤潮的发生，破坏了海洋食物链从营养物质一浮游生物一浮游动物一贝、 鱼、虾等的正常顺序和正常生产过程，从而威胁海洋生物的生存。 其次，有些赤潮生物( 如某些甲藻) 能向体外分泌出粘液，还有一些赤潮生 物在死亡分解后也会产生粘液。在海洋动物的滤食或呼吸过程中，这些带粘液的 赤潮生物可以附着在海洋动物( 虾鱼贝类) 的鳃上，妨碍呼吸，导致窒息死亡。 养殖鱼类和贝类最容易受到影响，因为他们不同于野生种类，不能自由游泳，逃 离赤潮影响区。 第三，有些赤潮生物含有赤潮生物毒素，当鱼、虾、贝类等摄食这些有毒的 赤潮生物后，就能引起中毒或死亡。 第四，有些赤潮生物虽然含有赤潮生物毒素，但它们对贝类和鱼类不能造成 致命影响。在贝类和鱼类的滤食或呼吸过程中，这些毒素可以在它们体内消化， 吸收和积累，如果其他脊椎动物或人类食用了含有这些毒素的海产品，就会发生 中毒或死亡。 第五，有些赤潮生物本身含有赤潮生物毒素，它们活着时不释放毒素，但在 繁殖代谢过程和赤潮消亡阶段，死亡的赤潮生物分解后，其体内的毒素释放到水 中毒害赤潮生物。大量鱼类死亡在赤潮发生后期，并延续到赤潮消失后的一段时 间。 第六，大量赤潮生物死亡后，在尸骸的分解过程中大量消耗海水中的溶解氧， 造成缺氧环境，引起虾、贝类的大量死亡；在缺氧的环境下，赤潮生物残骸被厌 浙江大学硕士学位论文 分析浙江海区赤潮过程中的气象因子 氧微生物分解，就会释放出大量硫化氢和甲烷等。这些物质对鱼、虾、贝等具有 致死的毒素。大多数硅藻引发的赤潮属于这种类型。 第七，在赤潮区，赤潮生物的大量繁殖，并在表层聚集( 几十厘米) ，抢先 吸收阳光，并遮蔽海面，使水下其他生物得不到充足的阳光，影响了海洋生物的 生存和繁殖。在高密度赤潮生物引发赤潮时经常发生底部海洋生物大量死亡现 象。 根据各地区沿海赤潮的监测资料记载，赤潮发生有其特点：在区域上，赤潮 多发于内海的港湾近岸水域。在这些地区，水体污染严重，富营养化程度较高， 水体交换弱，因此在这样的地区海水自净能力低，不利于污染物的扩散稀释，以 引发赤潮。从赤潮生物上看，大多数赤潮发生是由单一种赤潮生物所导致。根据 对中国海域形成的赤潮生物统计，主要有夜光藻5 0 ，束毛藻1 9 ，中肋骨条藻 1 0 ，裸甲藻8 。( 杨华庭等，1 9 9 3 ) 时间上，各海域由于其所处海域环境条件 不同，出现的时间不一致。但对某一海区来说，其发生的事件仍然呈现一定的规 律性。 赤潮的发生不仅仅是对海洋生物的危害，其对整个社会经济都有非常巨大的 副作用。随着现代化工农业生产的迅猛发展，大量工农业废水和生活污水排入海 洋，导致近海、港湾富营养化程度日趋严重。同时，由于沿海开发程度的增高和 海水养殖业的扩大，带来了海洋生态环境和养殖业自身污染问题。沿海地区是我 国社会经济的重要支撑，海洋环境则是其发展的重要基础。近些年来，大规模的 赤潮给近海养殖业及水产品加工和出口带来严重影响。由于海洋生物摄食赤潮生 物形成贝毒，危害人体健康；同时由于经济生物特别是贝类体内贝毒含量超标， 出口受到限制，使我国的近海养殖业产量的发展受到很大损失。赤潮灾害的影响 范围也波及陆地，调查结果表明，1 9 9 8 年渤海赤潮发生期间，沿海某地的市场 海洋水产品销量下降6 0 ，同时，也引起大众对海洋水产品的心理恐慌，影响了 国内海产品的销售。赤潮多发区也是海域利用强度高和人口密集度高的地区，都 集中在海湾、三角洲和海岸带，对人们的休闲、旅游和沿海景观形成不利影响。 海运业的发展引入了外来有害赤潮种类以及全球气候的变化也导致了赤潮的频 繁发生。为保护海洋资源环境，保证海水养殖业的发展，维护人类的健康，有必 要对赤潮发生的原因、赤潮的危害进行深入的了解。同时为了把赤潮灾害控制在 最小限度，积极开展赤潮预报服务，对赤潮灾害采取相应的措施及对策。 我国近代的赤潮记录是1 9 3 3 年发生在浙江镇海至台州、石浦一带的夜光藻 赤潮，但截至2 0 世纪7 0 年代以前，赤潮的记录不连续。其后，几乎每年都有赤 潮记录，至2 0 0 1 年，全国有明确时间、地点等基本信息的赤潮次数为4 6 0 次。 从赤潮发生的空间分布特征来看，早期( 1 9 8 0 年以前) 赤潮灾害主要发生在福 建省、浙江省沿海、黄河口、辽宁省大连湾等少数几个海域。1 9 8 0 年以后，发 2 浙太学十学位论文分析晰扛海e 赤黼过程中的气象因子 现赤潮灾害的地区逐渐增多，沿海各省都有发现，赤潮灾害的影响面已经扩展到 全国沿海。从1 9 3 3 年的第一个赤潮灾害记录至今赤潮灾害的发现次数和灾害 面积均呈明显的波动式增长趋势，高峰持续时间越来越长，每次赤潮的平均面积 即赤潮的规模也呈现越来越大的趋势，平均面积己上升到5 。0 k m 2 左右。( 赵玲等， 2 0 0 3 ) 浙江省地处中国东部位于经济发达的长江三角洲地区，其海区包括2 7 3 2 。，1 2 0 1 2 5 。f 之间的广阔海域，是西太平洋海域的部分。近年来，由于 粗放型经济的快速增长，形成了“超常结构”的环境污染，城市化速度加快，第 三产业的蓬勃发展，人们生活水平不断提高，用水增加，使在近岸海域的污染源 排放中，工矿企业污染物、城镇生活污水和农村生活污水、牲畜废物及农药化肥 流失等陆域污染物要占到入海污染物总量的9 43 。浙江省主要的入海河流有7 条，即钱塘江、曹娥江、甬江、椒江、瓯江、飞云江和敖江。七大水系每年向近 岸海域汇人大量的有机物及营养盐。据资料报道，1 9 9 9 年浙江近岸海域的水质 调查监测结果显示：无机氮超标高达8 86 ，活性磷超标高达8 79 ，富营养化 程度相当严重。因此，浙江近岸海域已具备赤潮发生的物质基础，据不完全统计， 1 9 8 l 2 0 0 2 年的2 2 年里发生在东海海域的赤潮共计1 4 4 次，其中在浙江海区发 生1 0 2 次，占总数的7 1 。另据2 。0 2 年中国海洋灾害公报，2 0 0 2 年我国海域共 发现赤潮7 9 次，其中渤海1 3 次，黄海4 次，东海5 1 次，南海1 1 次，累计面积 超过l o ，0 0 0 平方公里，直接经济损失2 ，3 0 0 万元。各省市赤潮发现次数见图 1 。可见浙江海区是东海海域赤潮的高发区，因此研究该海区的赤潮是重要的， 且具有实际意义。 霍面面7 i 。， j 、二、i 艮恳盔舶 蕊蕊 b 图1 沿海吾省市赤潮发现敞数统计图 囝瓢盘 赤潮的频发及危害的巨大，越来越受到关注，研究赤潮的发生机理，减少赤 潮带来的损失成为急需解决的重要课题。在此现状下浙江大学气象信息与灾害 预钡4 研究所参与了国家“十五”科技攻关计划“海洋环境预报与减灾技术”项目 黼燃麟衙圉艮 浙江大学颟学位论文分耩浙江海区券潮过程中的气象因子 “赤潮灾害预报技术研究 课题中浙江海区赤潮预报研究工作。 经过多年的努力，赤潮研究取褥长足豹进步。对赤潮的产生、发展、和消亡， 可以有一个一般性的描述，即在有一定营养水平且水体交换能力较弱的海域，若 气候条件满足，某些喜爱这种气候的赤潮生物迅速繁殖起来。但是由于对赤潮生 物的生理学、行为学和形态学特征与海洋环境之间的相关关系了解不够，因此我 们不清楚在一个海区是哪些具体因子定量地控制着某种赤潮生物的生长，也不能 解释为什么在一定条件下某种藻类，丽不是其他藻类暴发性大量繁殖，形成赤潮。 当前所了解的影响赤潮发生和消亡的化学因子、生物因子和物理因子等，均非赤 潮发生靛充分必要因子，丽且也不存在稳定的赤潮诱发因子。现阶段一般认为， 赤潮发生是在富营养化、适合的光合作用条件与赤潮藻本身的死亡率三方面的综 合结果。这3 个因素以及与这3 个因素有关的其他因素都可能成为赤潮发生的激 发因子。因此对于赤潮的预报研究，不应该仅仅从某一方面，某一角度进行，而 应从多方面，多角度进行，开展多学科的联合研究。目前赤潮研究需要豳答的主 要科学问题很多，比如环境变化对赤潮生物分布和多样性的影响；赤潮与富营养 化之间的关系；赤潮生物的适应策略以及生态系统的研究等等问题。此外，还应 该强调气候变化与赤潮演化、生物地理分布闻的关系，这毕竟是赤灞发生的外因 之。通过这些研究，为不同海区不同类型的赤潮管理和减灾措施提供科学的依 据。 气候对赤潮的影响，有些专家也已作了不同的研究。钱宏林等探讨了赤潮与 厄尔尼诺的关系。他们认为厄尔尼诺事件引起环境变化。例如1 9 8 2 一1 9 8 3 年发生 的本世纪以来最强的厄尔尼诺事件，它引起了全球性的天气异常。1 9 8 2 年l l 胃， 赤道太平洋东部地区海温异常升高，并且范围越来越大，海温比往年高出6 0 c ， 打破了历史纪录。近十几年来，沿海港湾靛毒挣能力已经达到饱和状态，因此气 候环境略有变化，赤潮事件即会出现。厄尔尼诺事件引起赤潮频发的原因探讨： ( 圭) 厄尔尼诺事件引起海水上翻。海水在上翻过程中将深水层的矿物质、营养 物质和沉降于海底的赤潮生物的孢子推到表层。孢子在海底经过一段时间的低温 休眠，在表层较高温度处开始萌发，并大量繁殖，从而形成赤潮。( 2 ) 厄尔尼诺 弓| 起底层富含营养水层移到近海面。大多数赤潮生物如某些甲藻能在海西和海水 深层间往返垂直移动。由于近海面处营养物质随着浮游生物的增殖而减少，以致 无游动能力的浮游生物不能迅速的增殖，但只要富含营养物质的海水层升上来， 能游动的赤潮生物即可增殖，从而独占所在海域而发生赤潮。这样可以解释在营 养条件相同的情况下，为什么一些原来不是优势种的赤潮生物的种类急剧增殖丽 成为优势种形成赤潮的原因。( 3 ) 厄尔尼诺引起气候反常而可能使赤潮频繁发生。 在厄尔尼诺发生年，有些地区出现增温现象；有的地区则发生暴雨和水灾；有些 地区则出现干旱或暖冬等比往年异常的气候。豳于气候异常，导致海水理化要素 4 浙江大学硕士学位论文分析浙江海区赤潮过程中的气象因子 的激烈变化，如温度、盐度、湿度、气压等将会时高时低，这种刺激可能导致赤 潮生物“生物钟的“混乱 而使其急剧增殖，产生赤潮。( 钱宏林等，1 9 9 1 ) 从上述的情况看，赤潮的频发与厄尔尼诺事件多少是有联系的，在厄尔尼诺年和 次年赤潮发生的次数较为频繁，但其详细的机制问题尚有待于今后进一步的深入 研究。梁松等探讨了南海北部赤潮发生频率与季风转换时期的关系。( 1 ) 赤潮与 温度的关系研究。在南海，东北季风向西南季风转换期间，它避开了极端最低气 温，也避开了极端最高气温。此外，季风转换期间冷暖空气交替影响南海，这种 冷暖刺激是导致南海北部赤潮生物增殖的重要原因之一。( 2 ) 水与风的运动促进 赤潮的扩散和聚集。东北季风向西南季风转换期间，促进了营养物质在南海沿岸 海域的积累，引起赤潮生物在沿岸的聚集。( 3 ) 东北季风向西南季风转换期间是 南海雨季的前汛期。这一期间天气多变，雨晴交替，海水盐度时高时低，温度激 烈变化的刺激也会导致赤潮的发生。( 梁松等，1 9 9 1 ) 虽然这些研究都尚未有权 威的结论，但天气状况与赤潮的关系，已引起人们的考虑和进一步的探索研究。 赤潮是在特定的环境里特定的天气状况下发生的。据监测资料表明：在赤潮 发生时，水域的环境特征多表现为干旱少雨，天气闷热，水温偏高，风力较弱或 者潮流缓慢等，因此赤潮发生的水文气象等物理因子的变化特征也是不容忽视。 针对赤潮研究目前所处的阶段，针对赤潮发生的特性，利用气象因子对浙江海区 赤潮进行分析和研究，有其科学的依据。 ( 1 ) 浙江沿海海域藻类品种较多，是赤潮植物种子相对密集区域，因 此赤潮爆发的生物条件已具备。根据对历年来长江口邻近海域浮游生物调查网采 资料的分析，浙江沿海不同季节，由于受苏北沿岸水、长江冲淡水、黄海冷水团 和台湾暖流之间所发生的不同程度的相互交汇、推移和相互影响，不仅群落种类 组成更迭频繁，群落中各生物种群之间的数量关系也经常不断地有所变动，使群 落呈现出多边性和不稳定性的特点，为群落中少数具有高度生态适应能力的优势 种或赤潮原因种提供繁殖集聚的机遇。如栖息于浙江沿海占据对优势的赤潮生物 中肋骨条藻，6 7 月其数量高达1 0 8 个m 3 以上，占浮游植物总量的9 5 左右， 甚至占到9 9 ，形成本种赤潮，并常与夜光藻交替形成优势种或赤潮。但对控 制群落生态演替的主导因素究竟是以自源演替( 即演替使群落内部生物学过程所 引发的) 为主，还是以异源演替( 即自然因素如水动力、化学因素和人为污染等 因素引起的演替) 为主，目前尚认识不一致。 ( 2 ) 近些年来，浙江沿海水体富营养化情况不会根本改变，因此赤潮发生 的化学条件也具备。监测资料表明，浙江近海海域污染较为严重。主要污染物质 是无机氮、磷酸盐、油类、c o d 和汞、铅、铜等重金属。领海以内海域，无机氮 含量和磷酸盐含量超过四类水质海域面积分别达8 5 和2 0 。海水无机氮污染以 杭州湾最高，其次是甬江口、三门湾、乐清湾、象山湾和瓯江口：磷污染程度依 浙江大学硕士学位论文 分析浙江海区赤潮过程中的气象因子 次分别是象山湾、杭州湾、乐清湾、瓯江口、甬江口和三门湾。重金属污染进一 步加剧，海水中汞含量普遍增加，铅含量北高南低，杭州湾海域铜的含量也比较 高。船舶排污及碰撞漏油、海上石油开采溢油是浙江海洋石油烃污染的主要来源。 2 0 0 0 年浙江海水中油类含量超过一、二类海水水质标准的监测站位数占总数位 数的3 5 3 。杭州湾、象山湾、瓯江口和三门湾等海域的油量超过二类海水水质 标准。因此，近几年来浙江海域海水富营养化的趋势不会改变，诱发赤潮发生的 化学条件也相当充分。 ( 3 ) 在这种情况下，物理条件成为赤潮多发区的限制条件。水体稳定性、 水体交换率、上升流的存在，适宜的水温和盐度、风力、风向、气温、日照强度、 降水和淡水注入等赤潮发生和延续所要求的外部必备环境对赤潮生物细胞的生 长、分布等产生直接影响，在某种程度上决定了赤潮的形成与消亡。归纳起来， 物理条件包括：温、盐的影响；风、流的影响；海面降雨的影响：陆地降雨( 径 流) 的影响。 温、盐的影响：温度和盐度直接限制了赤潮的发生。大部分赤潮都发生在海 水温度2 0 一2 8 度区域间，在我国北方只有夏季才能发生赤潮的原因就是由于海温 在夏季才能达到赤潮发生要求的温度。当然在温度满足的条件下还要考虑其它一 些因素。 风、流等的影响：赤潮生物是一种单细胞生物，其移动范围有限，它的分布、 聚集和分散直接受到水体运动的影响。赤潮的形成与水体运动有关，水体运动可 将赤潮生物带到适合其生长繁殖的水域。风对赤潮生物的影响是两方面的。一是 在风大的条件下，赤潮生物很难聚集，形成不了赤潮。二是在风力适当、风向适 宜的情况下，会促进赤潮生物的聚集，使赤潮容易发生。赤潮容易产生于一些港 湾就是这个原因。 海面降雨的影响：降雨可以加大海水中的溶解氧，酸雨还可以增加海水中无 机氮，同时改变了海水中的温度。在赤潮发生前期，降水似乎对赤潮发生有利。 但在赤潮发生后期，降水经常导致赤潮的加速终结。 陆地降雨( 径流) 的影响：陆地径流带来了大量的营养物质，径流的大小直 接决定了赤潮的发生。上海崇明岛每年都发生赤潮，原因就是长江带来了大量的 营养物质所致。2 0 0 0 年上半年渤海的莱州湾尚未发生一起赤潮，山东省渔业环 境监测站对渤海莱州湾所进行的常规监测表明：在1 4 个监测站位，除盐度较去 年有所升高外，c o d 、活性磷酸盐与去年接近，油类、氨氮、亚硝酸氮、硝酸氨 等与往年同期相比均有所下降，其中诱发赤潮的无机氮降至近几年来的最低点。 原因就是从1 9 9 7 年以来，北方连续干旱，陆源污染中的污水入海量明显减少， 导致莱州湾富营养化程度逐年降低。在雨季未到来之前形成大面积赤潮的可能性 较小。 6 浙江大学硕士学位论文 分析浙江海区赤潮过程中的气象因子 赤潮上述这些物理条件和天气状况有密切相关性：首先表层海温受气温影 响，有研究表明当海气温差基本趋于平衡时，一般为赤潮多发期。其次风向决定 了表面海水流向，因此特别是对表层总生物影响显著，决定了生物的聚散。再者 降水改变了水体环境，其利弊也是研究的课题之一。同时因为气温、风况、降水 等气象要素是气象研究中必要的日常观测要素。气象要素观测的稳定性和密集度 在一定程度上都弥补了海洋观测的不足。气象资料的长度也满足了历年赤潮研究 的可能性。因此利用气象因子揭示小范围( 浙江海区) 赤潮与气象之间的内在关 系，并预测赤潮的发生具有一定的可行性。 在浙江海区，目前人们只是针对某一次赤潮过程研究其发生时的天气状况， 而没有进行系统的天气背景分析。根据赤潮发生在特定海域一浙江海域时的天气 特征，利用气象因子，通过赤潮历史记录及对应的天气背景的研究，一方面可以 揭示赤潮发生前期所在海区气象要素的变化特征和赤潮发生时的天气背景和特 征，为利用水文气象等物理因子进行赤潮的预报提供一个因子。另一方面与天气 及其它环境要素预报一样，赤潮预报的一个关键问题是预报因子的选择。据目前 研究显示，影响赤潮发生和消亡的因子很多，这些因子包括化学因子、生物因子 和物理因子。已有人利用不同的因子，在不同的海域，对赤潮生消进行试预报， 但都尚未得到合理可信的科学结果。同时由于赤潮的发生有很强的地域性，在不 同的海域影响赤潮发生和消亡的因子是不同的。对于赤潮多发及日益严重的浙江 海区，非常有必要从各个角度进行研究，找出影响赤潮发生的关键因子，来科学 有效地进行赤潮的预报和预防。试图从气象因子的角度出发，通过发生在浙江海 域的赤潮过程及其前期的气象因子( 包括温、压、湿、风及能见度等) 的统计诊 断分析，揭示气象和赤潮之间的关系，建立起浙江海区赤潮发生的天气概念模型。 利用气象因子对浙江海区赤潮发生过程进行系统的分析和统计，既考虑了赤 潮发生的地域性，又揭示天气背景与赤潮发生间的相互关系，为今后赤潮发生机 理研究及赤潮预报建立一定的理论基础。 7 浙江大学硕士学位论文 分析浙江海区赤潮过程中的气象因子 第二章研究现状和背景 赤潮作为一种全球性海洋型生态环境问题，肆虐于世界各沿海国家。因此引 起了备国政府及科学界的高度关注，日本、加拿大、法国、挪威、瑞典和美国在 9 0 年代都设立了全国性的国家赤潮研究规划，欧溯各国联盟建立了欧溯的赤潮 研究规划。我囡1 9 8 5 年在广州组建了“南海赤潮研究中心”，1 9 8 8 年国家自然 科学基金委员会将“南海赤潮发生交化规律的研究列为基金资助研究顼臣，1 9 8 6 年国家海洋局正式把沿岸赤潮监测列为囡家海洋监测网的监测项圈。从此以后进 入系统有组织的赤潮研究。中国科学家予1 9 9 2 年成立了王( 联合国科教文组 织的政府间海洋委员会) 赤潮工作组中国委员会，积极参加了i o c 等国际组织组 成的有害赤潮研究计划的活动，并参与了正在形成的g e o 姒b ( 全球有害赤潮的 生态学和海洋学研究计划) 计划建设和科学研究计划书的编写，这些都将有助于 推动我国有害赤潮研究的进一步深入。 赤潮的发生与赤潮生物特性、营养盐、气候及海水动力等多种因素有关，因 此赤潮的发生过程是一个复杂的动态过程，发生时间又具有突然性，难以实施有 效的监测。丽常规的海面调查受采样时间和数量的限制，只能部分地了解券潮的 发生情况，对其分布状况、发生规律、形成机理等问题的了解仍然严重不足。基 于现阶段赤潮监测水平及赤潮发生机理和赤潮发生水动力学研究的水平，因此目 前赤潮发生预报技术分为以下几种。 2 。l 经验预测法 赤潮作为一种生态异常现象，表现为表层水温升高、海水变色、透明度降低、 确及d o 变化明显，h 2 s 浓度增高，海水国现腥臭味并伴随海面漂浮死鱼、虾等 症状。因此经验预报法就是根据赤潮生消过程中环境因子变化规律进行预测有害 赤潮发生的方法。具体包括以下凡方面： ( 1 ) 海水温度变动预测法：异常高水温的年代或季节增加了赤潮发生的可能 性。渤海海区赤潮大多在7 9 月发生，其原因与海水温度能达至l 赤潮发生要求 的温度有关。例如根据大量实测资料分析得出：中国南海大鹏湾海域夜光藻赤潮 发生适温范围为1 5 2 5 0 c ，而在2 l o c 左右发育最快。 ( 2 ) 气象条件预测法：如降水预测法，重9 9 5 年7 月底8 月初，中国的黄海北 部地区普降大雨，导致8 月中旬发生褐胞藻赤潮。( 矫晓阳，1 9 9 5 ) ( 3 ) 潮汐预测法：潮汐可将底层丰富的营养盐输送到表层，促成赤潮的发生， 并且在某些近海海域对赤潮生物的聚集起重要作用。例如中国南海大鹏湾盐田海 域，其水体交换主要依靠潮汐的影响，依据对其发生的时间分析，赤潮一般发生 8 浙江大学颈士学位论文 分析浙江海区办潮过程孛豹气象因子 于水体交换缓慢的日潮期间，因此该海域可结合其它条件用潮汐预测法进行赤潮 预撤。( 林祖亨等，薹9 9 3 ) ( 4 ) 赤潮生物细胞密度预警法：如海水透明度或海水辐射率预警法，定种类 的赤潮生物密度增加会导致海水透明度降低和海水辐射率增大。矫晓阳极据对虾 养殖场试验表明，1 6 m 海水透明度可以作为赤潮发生的预警值。( 矫晓阳，2 0 0 1 ) ( 5 ) 赤潮生物活性预警法：如海水溶解氧预警法：赤潮发生前期，由予赤潮生 物强烈的光合一呼吸作用使海水溶解氧浓度增加，并表现出明显的昼夜变化特 征。王正方等依据长江口赤潮监测资料建立了溶解氧短期预测模式：d 0 篇d o h 一 。5 ，其中d 0 是溶解氧的昼夜差；d 繇( 瑶g d 辍3 ) 力昼夜闻溶解氧的最大浓度； d o 。是最小浓度。并用此模式预测了长江口水产养殖区的赤潮的发生。( 王正方等， 2 0 0 0 ) ( 6 ) 生物多样性指数法：赤潮的发生会导致浮游植物多样性指数降低。采用 s h a n n o n w e a v e r 公式：d = p l l o g s p l ( p l 为第1 个细胞密度与总细胞密度的比 值；s 代表样品中的浮游植物总数) ，d 值越小，赤潮越严重。( 剃沛然等，1 9 9 9 ) 2 。2 统计预测法 赤潮发生的经验预测法仅依赖于某个环境因子的异常变化，丽赤潮的形成一 般是由许多环境因子造成的，因此在一定程度上限制了它的实用性。统计学方法 能够综合分析赤潮发生的多个因子，对于赤潮预报显示出较强的能力。一般而言， 他们是基予多元统计方法，如判别分析、主成分分析等，对大量赤灞生消过程监 测资料进行分析处理，在找出控制赤潮发生的主要环境因子的同时，利用一定的 判别模式对有害赤潮进行预测。 ( 1 ) 主成分分析法：通过大量赤潮监测资料进行主成分分析，依据赤潮发生期 样本，赤潮翦期样本和正常期样本的主成分值绘图( 赤潮图) ，豳于不同类型的 样本在图上所属区域不同，从而可以对未知样本进行类型判别，预测赤潮的发生。 自从q i c h i ( 1 9 8 1 ) 首次应用主成分分析成功地预测了濑户内海广岛湾1 9 8 2 年 所发生的g y r o d 主n i u 撒6 5 型赤潮后，我国也相继开始角此方法进行赤潮预报。黄 奕华等根据1 9 9 0 年和1 9 9 1 年南海大鹏湾海域资料，采用6 个赤潮样本、3 个赤 潮前期样本和圭2 个正常样本，选用包括水温、盐度、溶解氧、时绿素氆、时绿 素b 、叶绿素c 、活性磷酸盐、亚硝酸盐一氮、硝酸盐一氮、氨一氮、硅、铁、 锰等1 3 个环境因子等进行主成分分析，绘制出赤潮图，对样本进行了分类，进 一步验证了应用主成分分析法预测赤潮发生预报的可行性和有效性。( 黄爽华等， 1 9 9 7 ) ( 2 ) 判别分析法：根据影响赤潮发生的关键环境因子，建立已知赤潮样本和无 9 浙江大学硕士学位论文分析浙江海区赤濑过程中的气象因子 赤潮样本的判别方程，然后将目前的环境因子带入方程，依据判别方程预测赤潮 的发生。黄秀清等椴据王约0 年6 胃发生在长江口的赤潮监测资料，分别选取2 组环境因子：( 1 ) 硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、磷酸盐、硅酸盐；( 2 ) 硝酸盐、亚 硝酸盐、氨氮、磷酸盐、硅酸盐、铁、锰、水温、盐度、溶解氧、鹾。建立有赤 潮样本和无赤潮样本的判别式，得到如下结果：根据第一组因子建立的判别式进 行判别，无赤潮样本的判别准确率达王o o ，有赤潮样本判别准确率为6 2 5 。根 据第二组因子建立的判别式进行判别，无赤潮样本判别准确率3 3 3 ，有赤潮样 本判别准确率达1 0 0 ，在对赤潮进行预测的同时，也表明一些环境因子对赤潮 发生的影响。【嚣】。尽管判别分析法已经显示出预测赤潮的可能性，僵在选择变量 因子上仍然存在一定的盲目性。此外，目前应用较多的线性判别方程不能准确解 释个环境因子对赤潮发生的影响。( 霍文毅等，王9 9 9 ) ( 3 ) 逐步回归法：应用逐步相关性分析，找出影响赤潮发生的主要环境因子， 并建立赤潮生物量或密度与环境因子之间的回归方程，然后将目前的环境因子带 入回归方程，依据赤潮色生物量或密度的计算结果，并结合经验预报法预测赤潮 的发生。目前，此方法主要用来进行影响赤潮发生的环境因子分析。 2 3 数值预测法 统计预测法由于缺乏赤潮发生机理的支持丽导致对环境因子选择和分析的 主观性和盲翻性，目前，难以应用统计预测法给出稳定和合理的赤潮预测结果。 而数值预测法则是根据有害赤潮发生枫理，通过各种物理一化学一生物欧和生态 动力学数值模型模拟赤潮发生、发展、高潮、维持和消亡的整个过程而对有害赤 潮进行预测的方法。例如王寿松等依据生物种群生态学和营养动力学的原理，以 1 9 9 3 年3 月1 日4 月3 0 日大鹏湾发生的夜光藻赤潮现场连续监测资料，建立 了大鹏湾夜光藻一硅藻一营养物质三者相关的营养动力学模型： 和陋卅一嚣 知h 啪+ 器廿) 1 警等玛 - ( 艿+ c 3 ) + 岛6 ( h 一举) 式中，e = g ( t ) ，s = s ( 专) ，x 篇n ( t ) ，分别为随时间乞变化的营养物质浓度、硅 藻密度、夜光藻密度；e o 为定量输入的营养物质浓度；e _ 为营养物质浓度增长的 半饱和参数；e ；，c ：，e 。和r ，r 。，r 。分别为营养物质、硅藻、夜光藻的环境损耗 率和相对增长比例；a ，b ，y ，6 分别为硅藻、夜光藻的增长率和死亡率；， 1 0 濒江大学磺士学谴论文分析浙江海区券潮过程串的气象因子 ：分别为硅藻、夜光藻的吸收营养转换率，且o 专； t 。= 0 ，使褥当专 t ；，乞：】时瓣( 专) 3 l e 4 个几， 则我们便可判定在时间期间 t 。，t ： 内，夜光藻形成了赤潮。( 壬寿松等，1 9 9 7 ) 夏综湾等建立的大鹏湾夜光藻赤潮生态仿真模型综合考虑了生物动力学和 环境动力学因素对赤潮形成的影响，较成功地模拟了大鹏湾夜光藻赤潮生消过 程。( 夏综万等，1 9 9 7 ) 黄伟建和齐雨藻以1 9 9 0 年3 月3 0 日6 月1 0 日期间大 鹏湾现场监测资料为基础，建立了大鹅湾夜光藻种群生长动力学模型，为预测夜 光藻赤潮发生提供了依据。( 黄伟建等，1 9 9 6 ) 乔方利等对长江口海域赤潮生态 动力学模型和控制因子进行了研究。( 乔方利等，2 0 0 3 ) 数值预测法对生态动力 学模型有诸多要求：如模型要综合考虑赤潮发生的生态学和海洋学过程等，因此 物理一生物一化学耦含模型是建立准确和合理的赤潮数值预测法的主要生态动 力学模型；模型变量初始值和边界条件的资料要来源一致、客观准确、反映时空 连续变化；模型参数要反映地域特点以及模型维数要充分考虑已有资料的可利用 性和完整性。 2 。4 用卫星遥感技术进行赤潮探测和预报 从气象卫星遥感原理来看，只要水域上空天气晴朗，气象卫星是可以监测到 大面积的赤潮及其发展移动趋势的。因为赤潮发生期闻，浮游生物暴发性繁殖， 引起水色异常、水温变化，必然反映出与平时不同的辐射信息；利用前后的辐射 差异，就可以从卫星遥感信息中发现赤潮，并监测它们的动态和演变。圜外从上 个世纪7 0 年代中期开始赤潮卫星遥感技术研究。遥感技术提供了从空间快速获 取大量海面信息的技术手段，多次成功地利用遥感技术探测到赤潮的发生，为赤 潮的预报提供了新的研究途径。通过2 0 多年的努力，已经提出了一些赤潮卫星 遥感监测的技术。这些技术大致可归纳为单光谱波段技术、多波段遥感技术和数 僮模拟( 正演) 遥感技术等几大类。国内从2 0 世纪8 0 年代开始赤潮卫星遥感技 术的研究。在过去的十几年中开发了些赤潮卫星遥感信息提取技术。1 9 8 9 年 串国遥感卫星地面接收并处理了渤海海区赤潮乙鑫n 纛s a t 图像，展示了利用卫星遥 感技术监测赤潮的可能性。赤潮卫星遥感虽然近年来发展较快，但仍存在着遥感 机理研究不深、赤潮探测与监测技术不够成熟以及没有专门的赤潮遥感卫星等问 题。因此为满足赤潮灾害监测、预报、防治和管理等问题，还应加强赤潮卫星遥 感机理研究，二类海水的赤潮卫星遥感探测和识别技术开发，以及赤潮遥感星载 遥感器的研制。 浙江大学颟学位论文分析浙江海区券潮过程中的气象因子 2 。5 各种方法比较 上述的各种赤潮预报方法，有其一定适用范围，但也有其缺陷。经验预测法 和统计预测法缺乏赤潮发生机理的支持，导致对环境因予选取和分析的主观牲和 盲目性，目前难以给出赤潮预测稳定和合理的结果。数值预测法对生态动力学模 型中物理一生物一化学耦合模型的准确建立和合理的赤潮发生机理都有诸多要 求，因此目前难以准确使用。但是各种预测方法的尝试都会对揭示赤潮发生机理 提供有益的经验和启示。赤潮预测方法的发展趋势必然是经验预报法、统计预报 法和数值预报法。 赤潮发生机理研究是各种预测方法建立和有效预测的理论基础，要开展赤潮 研究方法必须同时开展赤瀑发生视理的研究。嚣孬赤潮发生机理的研究必须综合生 物、化学和物理等多门学科，因此开展各学科的交叉研究也是必要的。 1 2 融 锺多浙江人学硕：t 学位论文 分析浙江海区赤潮过程中的气象因子 第三章研究原理、方法和资料介绍 据资料记载，赤潮发生时，表现出一定的天气状况。如1 9 8 6 年6 月1 8 日厦 门西港暴发了大规模的裸甲藻赤潮。气象资料显示，在赤潮发生前后，该区气压 很低( 9 0 0 h p a 左右) ，且持续时间很长，天气形势发展稳定，风力一般只有2 3 级，海区风平浪静。此外，天气比较潮湿闷热，常出现雷阵雨天气。1 9 9 1 年8 月5 2 2 日，浙江嵊山水域发生中肋骨条藻赤潮。文献显示，此次赤潮发生前， 天气大多为阴转晴；8 月1 3 日起，赤潮水域天气始终保持晴朗、阳光充足，为 浮游植物大量繁殖提供良好的光合条件。赤潮在维持阶段，天气基本上为晴到多 云；1 9 日以后，由于受1 2 号台风影响而转成多云到阴，赤潮也因之趋于消亡。 这些研究只对赤潮发生时的天气状况做过粗略统计：如雨水少、气温高、光照足 等，但并没有针对赤潮发生地赤潮发生过程进行天气形势的系统分析。因此，对 诱发赤潮的天气背景缺乏系统完整的概念。另外赤潮在不同海区发生，各海区本 身因其化学、水文条件的不同，诱发赤潮的天气背景也一定会有所不同。针对浙 江海区，诱发赤潮的天气背景如何? 特别是赤潮发生前期，哪些天气要素的变化 对赤潮的预报有贡献，从而有可能成为赤潮预报的气象因子? 又或者能为其他学 科进行赤潮预报提供科学依据。 3 1 研究原理和方法 根据研究目的，针对浙江海区，分析赤潮发生过程的天气背景，故采用的研 究原理和方法包括天气气候分析原理、统计分析原理和综合合成分析的方法。统 计分析主要采用聚类分析的方法。 聚类分析是研究多要素( 或多个变量) 的客观分类方法，它的聚类原则是根 据某些相似性的指标进行聚类，把对象的个体( 或样本) 进行联合、分裂或添加 的方法进行聚类或串组，故也称为串组分析。聚类分析通常的办法就是找出典型 个例，然后利用其它个例与典型个例的相似程度来划分不同类型。系统聚类分析 在聚类分析中应用最为广泛。凡是具有数值特征的变量和样本都可以通过选择不 同的距离和系统聚类方法而获得满意的数值分类效果。系统聚类分析依赖于对观 测间的接近程度( 距离) 或相似程度的理解，定义不同的距离量度和相似性量度 就可以产生不同的聚类结果。例如对于n 个观测，先计算其两两的距离得到一个 距离矩阵，然后把离得最近的两个观测合并为一类，于是剩下了n 一1 个类。计算 这n 一1 个类两两之间的距离，找到离得最近的两个类将其合并，就只剩下n 一2 个类。以此类推，直到剩下两个类，把它们合并为一个类为止。当然，真的合并 成一个类就失去了聚类的意义，所以聚类过程应该在某个水平数停下来，最终的 1 3 a 圄浙江大学硕上学位论文分析浙江海区赤潮过程中的气象冈子 一类就取那些未合并的类。决定聚类个数是一个很复杂的问题。 设