彭模，劉壽東，趙愛博，楊耀中（.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇南京0044；.江蘇省海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心,江蘇南京0036）

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環(huán)境要素與連云港海域赤潮發(fā)生關(guān)系研究

彭模1,2，劉壽東1，趙愛博2，楊耀中2
（1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇南京210044；2.江蘇省海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心,江蘇南京210036）

摘要：根據(jù)2004—2013年連云港海域赤潮事件記錄和赤潮監(jiān)控區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用相關(guān)性分析等數(shù)理統(tǒng)計方法，對連云港海域赤潮特征及其與環(huán)境要素的關(guān)聯(lián)性進行研究。結(jié)果表明，5—10月為連云港海域赤潮頻發(fā)時段，每次過程持續(xù)大多在3—7天之間；赤潮發(fā)生前三日葉綠素a、溶解氧、海溫、化學(xué)需氧量和pH等要素與赤潮發(fā)生表征指標浮游植物總量相關(guān)性顯著；在赤潮發(fā)生發(fā)展消亡過程中，海溫、葉綠素a、溶解氧和pH均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，化學(xué)需氧量則表現(xiàn)為相反變化態(tài)勢；赤潮發(fā)生前期和發(fā)展維持階段，以東到東南向風(fēng)為主，風(fēng)速較小，赤潮消亡前夕，常伴隨偏西大風(fēng)過程。

關(guān)鍵詞：連云港；赤潮；影響要素

1　引言

赤潮是一種海洋生態(tài)異?，F(xiàn)象，是指在特定的環(huán)境條件下，海水中某些浮游植物、原生動物或細菌爆發(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。近年來赤潮事件在全球頻繁發(fā)生、規(guī)模不斷擴大，已成為三大世界性近海污染問題之一[1-3]，引起各國政府及科學(xué)界的高度重視。隨著近岸海域營養(yǎng)鹽和有機物污染的逐年增加，包括江蘇在內(nèi)的我國近海赤潮災(zāi)害頻發(fā)，并呈現(xiàn)出頻次增多、面積擴大、損失加重的趨勢。自2003年開始，連云港海域建立了赤潮監(jiān)控區(qū)（見圖1），在赤潮高發(fā)期進行高頻次、高密度的業(yè)務(wù)化監(jiān)視監(jiān)測，提高了針對赤潮災(zāi)害的監(jiān)控能力。

近年來，很多學(xué)者以赤潮誘發(fā)條件為著眼點，針對不同海域赤潮爆發(fā)與天氣環(huán)流形勢演變關(guān)系開展了大量研究，任湘湘[4]等人通過相關(guān)性分析方法得出了最易引發(fā)珠江口赤潮的兩種天氣形勢的典型場，葉君武[5]等人研究提出了舟山海域不同規(guī)模赤潮爆發(fā)狀況下的三類天氣環(huán)流形勢。相較而言，對于區(qū)域性赤潮爆發(fā)與所在海域環(huán)境因子變化關(guān)系的研究甚少。

因此本文著眼赤潮環(huán)境因子誘發(fā)條件，根據(jù)2004—2013年連云港海域赤潮監(jiān)控區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，采用相關(guān)性分析等方法，進行赤潮發(fā)生與環(huán)境要素之間的關(guān)聯(lián)分析，試圖探究連云港海域赤潮發(fā)生、發(fā)展、消亡過程中相關(guān)環(huán)境要素的變化特征和演化規(guī)律。

赤潮發(fā)生的指示性特征，即浮游植物等爆發(fā)性增殖或高度聚集并引起水體變色，對應(yīng)監(jiān)測指標即浮游植物總量數(shù)值激增?；诔喑鄙镌鲋乘俣群退w變色表觀感受[6]等方面的綜合考慮，本研究分析定義一次赤潮過程分為發(fā)生前期、發(fā)生期和消亡日3個階段，浮游植物總量大于1.0×104cells/dm3且水體發(fā)生變色作為有赤潮記錄的時間段，將發(fā)生前期定義為一次赤潮過程中有赤潮記錄第一日之前的七日，消亡日則定義為一次赤潮過程中有赤潮記錄的最后一日，發(fā)生期即指有赤潮記錄的第一日至本次過程消亡日之前一日的這段時間。

圖1　連云港海域赤潮監(jiān)控站位

2　連云港海域赤潮基本特征

2004—2013年連云港海域共記錄發(fā)現(xiàn)16次赤潮，成災(zāi)面積在20—1000 km2之間，累計總面積約3764.4 km2；持續(xù)時間集中在3—7天，最長持續(xù)時間達14天（見表1、圖2），對沿海產(chǎn)業(yè)發(fā)展造成不同程度的影響，經(jīng)濟損失超過2500萬元[7]。十年間赤潮發(fā)生次數(shù)和成災(zāi)面積最多的均為2005年，共計發(fā)生4次，面積達1275 km2。

連云港海域赤潮發(fā)生主要集中在每年的5—10月間，其中尤以盛夏時節(jié)7月發(fā)生頻次最高**針對赤潮發(fā)生時段跨相鄰月份的，按此次赤潮記錄第一日所屬月份進行統(tǒng)計。，10年間有5次赤潮發(fā)生在此時段，占比31.3%，這可能與該時段海水表層溫度適宜，營養(yǎng)物質(zhì)含量較高等因素關(guān)聯(lián)性較大。資料統(tǒng)計表明，連云港海域赤潮多屬于原發(fā)型，即赤潮生物在連云港海域爆發(fā)繁殖而形成災(zāi)害。10年間，2004—2006年和2010年均有甲藻類有毒赤潮發(fā)生，該藻類可產(chǎn)生麻痹性貝毒（PSP）和腹瀉型貝毒（DSP）等毒素[8]，對生態(tài)環(huán)境、海洋生物和人類健康危害較大。其次以硅藻類赤潮較為多發(fā)，該類赤潮屬于無毒類赤潮，對水質(zhì)會產(chǎn)生一定程度的影響，但對各類海洋生物危害不大。

3　環(huán)境要素與赤潮發(fā)生的關(guān)系

赤潮是一種復(fù)雜的生態(tài)異?，F(xiàn)象，相關(guān)研究普遍認為是各種環(huán)境等因子綜合作用的結(jié)果[9-10]。海水中充足的營養(yǎng)物質(zhì)是赤潮發(fā)生的前提，配合適宜的海溫、溶解氧等環(huán)境條件，促使赤潮生物生長聚集，導(dǎo)致赤潮爆發(fā)，故而環(huán)境要素在赤潮爆發(fā)過程中起著重要作用。

連云港海域赤潮監(jiān)測主要在每年赤潮易發(fā)時段5—10月間在監(jiān)控區(qū)海域開展固定站位18項環(huán)境要素監(jiān)測，包括了表征赤潮爆發(fā)的浮游植物總量、海溫(Ts)、透明度(Tr)、pH、鹽度(S)、化學(xué)需氧量(COD)、溶解氧(DO)、磷酸鹽(PO4-P)、亞硝酸鹽(NO2-N)、硝酸鹽(NO3-N)、銨鹽(NH4-N)、硅酸鹽(SiO3-Si)、葉綠素a(Chl-a)等。

表1　2004—2013年連云港海域赤潮發(fā)生情況

圖2　2004—2013年連云港海域赤潮次數(shù)及面積

3.1環(huán)境要素與赤潮發(fā)生的相關(guān)性分析

開展赤潮發(fā)生前期各環(huán)境要素的變化與赤潮發(fā)生關(guān)聯(lián)性的分析，對赤潮爆發(fā)預(yù)判具有指示性意義。為此，以十年間連云港海域發(fā)生的赤潮過程監(jiān)測數(shù)據(jù)為樣本，將赤潮發(fā)生前五日逐日的海溫、透明度、pH、鹽度等12個環(huán)境要素與赤潮爆發(fā)當(dāng)日的浮游植物總量進行相關(guān)性分析，得到結(jié)果如表2。

數(shù)據(jù)分析顯示，在赤潮發(fā)生前五日的海溫、pH、化學(xué)需氧量、溶解氧、葉綠素a等要素與赤潮爆發(fā)表征指標浮游植物總量協(xié)同變化關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)值較大；其中赤潮發(fā)生前三日內(nèi)的上述要素與浮游植物總量相關(guān)性達到顯著水平（α=0.05），前一日的上述要素與浮游植物總量相關(guān)系數(shù)均達到前五日內(nèi)的最大值，海溫、pH、溶解氧、葉綠素a與浮游植物總量呈現(xiàn)正相關(guān)，化學(xué)需氧量則呈現(xiàn)負相關(guān)，相關(guān)大小依次為葉綠素a＞溶解氧＞化學(xué)需氧量＞海溫＞pH，上述要素為可作為備選預(yù)報因子，供建立赤潮預(yù)報模型使用。

表2　浮游植物總量與各要素之間相關(guān)系數(shù)

3.2海溫與赤潮發(fā)生的關(guān)系

適宜的海溫是赤潮生物生長增殖的必要條件，對于不同類別的赤潮藻種，其最適宜生長和繁殖的海溫也存在差異。據(jù)有關(guān)研究表明，赤潮發(fā)生與前期一段時間內(nèi)的海溫有著密切的聯(lián)系[11]。近年來的中國海洋災(zāi)害公報[12]顯示，我國華南沿海常年都有可能發(fā)生赤潮，而天津、山東等北方沿海地區(qū)赤潮發(fā)生則主要集中在夏季，這從一方面體現(xiàn)了海溫對赤潮發(fā)生的促進或抑制作用。

2004—2013年連云港海域赤潮發(fā)生各階段的海溫分布在18.3—29.8℃之間。對照連云港海域月均海溫觀測記錄，5月起，該海域海溫月平均值開始達到18℃以上，與赤潮發(fā)生時段記錄相吻合。對赤潮海溫要素數(shù)據(jù)，采取分級統(tǒng)計的方法，結(jié)果如圖3。

縱觀赤潮萌芽、發(fā)展、消亡過程，通常在赤潮發(fā)生前期，海溫存在一個上升過程，可為赤潮藻類孢囊的萌發(fā)和大量繁殖營造有利的環(huán)境條件；進入赤潮發(fā)生和維持階段，海表溫度的概率分布較前期廣泛，日平均海表溫度在22—26℃時較易發(fā)生赤潮，發(fā)生頻率高達61%。針對一次具體的赤潮過程，發(fā)展過程中其海溫日變化較為和緩。

對比分析赤潮發(fā)生3個階段的海溫，數(shù)據(jù)顯示從赤潮發(fā)生前-赤潮發(fā)生和維持-赤潮消亡的過程中，海溫的概率峰值呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，結(jié)合氣象要素監(jiān)測記錄，在赤潮接近消亡的階段，較易出現(xiàn)冷空氣過程，其所伴隨的大風(fēng)、降溫和降水天氣往往會造成海溫的下降。據(jù)此可見，冷空氣活動及其所導(dǎo)致的海溫下降在一定程度上促使了赤潮的消亡，這與潘雪峰等[13]的研究結(jié)論是相符的。

圖3　2004—2013年連云港海域赤潮過程海溫要素概率分布

3.3葉綠素a、溶解氧、化學(xué)需氧量和pH與赤潮發(fā)生的關(guān)系

根據(jù)前述分析，除海溫外，溶解氧、化學(xué)需氧量、pH等環(huán)境要素的變化趨勢與赤潮發(fā)生關(guān)系密切，葉綠素a則直觀的反映了赤潮發(fā)生各個階段的演化特征。

數(shù)據(jù)分析顯示，在赤潮發(fā)生、發(fā)展直至消亡的過程中，葉綠素a、溶解氧、化學(xué)需氧量和pH的變化趨勢是相互聯(lián)系的。葉綠素a的含量直接反映了海水中浮游植物的生物量，化學(xué)需氧量則大致反映了水體中有機質(zhì)的含量，在赤潮發(fā)生前期，赤潮生物大量聚集并快速增殖，大量消耗有機質(zhì)，化學(xué)需氧量監(jiān)測記錄顯示，其在赤潮發(fā)生發(fā)展階段呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，與此同時葉綠素a在赤潮發(fā)生前期有一快速升高的過程，并在赤潮發(fā)生和持續(xù)期間，較穩(wěn)定的保持在這一較高濃度上。

赤潮發(fā)生前夕，大量藻類生物在適宜的光照條件下，通過光合作用消耗有機質(zhì)、吸收二氧化碳釋放出氧氣，促使海水中溶解氧含量迅速升高，這一過程中pH值的變化也體現(xiàn)出較為明顯的上升趨勢，據(jù)此推斷可能與海水中酸性氣體二氧化碳等的消耗有關(guān)。

在赤潮接近消亡的階段，葉綠素a、溶解氧和pH三者的變化雖有振蕩往復(fù)，但總體上均呈現(xiàn)下降的趨勢，只是下降的幅度不盡相同；而化學(xué)需氧量則隨著赤潮藻類的消亡呈現(xiàn)逐步上升態(tài)勢。結(jié)合赤潮發(fā)生過程海溫變化分析可知，在海表溫度達到或超過22℃時，葉綠素a、溶解氧、pH分別大于33 ug/L、8 mg/L、8.2時，赤潮發(fā)生概率較大。

3.4風(fēng)與赤潮發(fā)生的關(guān)系

風(fēng)所引起的海水水體的水平和垂直運動，均會對海域環(huán)境變化產(chǎn)生重要影響，與赤潮發(fā)生關(guān)系密切。王桂蘭[14]等的研究認為，適中的風(fēng)速風(fēng)向?qū)⒓觿∷w的水平運動，有利于水體中赤潮生物的聚集。此外，風(fēng)所引起海水的垂直運動，使得深層低溫海水源源不斷的上翻至表層，促進了營養(yǎng)物質(zhì)的垂直輸送，在一定程度上降低了海表溫度，增加了海水中的溶解氧含量。

根據(jù)連云港海域赤潮發(fā)生過程風(fēng)向、風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得出如下分析結(jié)果：

有研究[15]表明，風(fēng)向?qū)Τ喑卑l(fā)生的影響與海域地形地貌關(guān)系密切，向岸風(fēng)和聚合性的風(fēng)向?qū)⒋偈钩喑鄙锏木奂粗x岸風(fēng)和散發(fā)性的風(fēng)向則有利于赤潮生物的擴散消亡。連云港所轄海域為海州灣的主體部分，東瀕黃海，東及東南向為主的風(fēng)源自海洋，水汽豐沛，有利于營造適宜赤潮生物增殖的溫濕環(huán)境。數(shù)據(jù)分析顯示，赤潮發(fā)生前期和爆發(fā)、維持階段，東風(fēng)和東南風(fēng)的出現(xiàn)頻次顯著高于其它風(fēng)向。西風(fēng)和西北風(fēng)來自內(nèi)陸，干燥且多伴隨冷空氣而來，不利于赤潮生成及維持。在赤潮消亡日和消亡日前1—2日，西風(fēng)和西北風(fēng)出現(xiàn)頻次較高，也印證了上述分析。

縱觀整個赤潮過程風(fēng)速變化趨勢，表現(xiàn)為赤潮發(fā)生前期風(fēng)速適中（4—5級為主）—發(fā)生期風(fēng)速減?。?級為主）—消亡日風(fēng)速激增（6級為主）的階段性變化特征。赤潮發(fā)生前期，4—5級的適中風(fēng)速可為赤潮生物聚集和增殖創(chuàng)造有利環(huán)境，這與葉綠素a監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示存在一增高過程相吻合，同時適中的風(fēng)速也促進了水體水平和垂直方向的交換，為赤潮生物增殖提供了大量有機質(zhì)。轉(zhuǎn)入赤潮發(fā)生期，風(fēng)速較發(fā)生前期趨小，3級風(fēng)速的出現(xiàn)概率高于其它各級出現(xiàn)概率之和，這為赤潮生物的滯留和維持營造了有利環(huán)境。當(dāng)赤潮進入消亡階段時，風(fēng)速有一激增過程，促使海域浪高明顯增大，水體水平和垂直運動范圍和強度急劇擴大，赤潮生物隨即大規(guī)模消散，宣告赤潮過程結(jié)束。

圖4　2004—2013年連云港海域赤潮過程環(huán)境要素變化趨勢

圖5　2004—2013年連云港海域赤潮過程風(fēng)速要素概率分布

4　結(jié)論

赤潮的發(fā)生是多種因素相互作用的結(jié)果，是極其復(fù)雜的生態(tài)變化過程，根據(jù)對2004—2013年連云港海域赤潮個例的特征分析，結(jié)果表明：

（1）5—10月為該海域赤潮發(fā)生集中時段，其中尤以7月為高發(fā)期；每次赤潮過程持續(xù)時間大多在3—7天之間；赤潮優(yōu)勢藻種以甲藻和硅藻居多；

（2）赤潮發(fā)生前三日，葉綠素a、溶解氧、海溫、化學(xué)需氧量、pH等環(huán)境要素與赤潮爆發(fā)表征指標浮游植物總量相關(guān)性顯著，相關(guān)大小依次為葉綠素a＞溶解氧＞化學(xué)需氧量＞海溫＞pH；

（3）在赤潮萌芽、發(fā)展、消亡過程中，海溫、葉綠素a、溶解氧和pH的總體變化態(tài)勢趨于一致，均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，化學(xué)需氧量則表現(xiàn)為相反變化態(tài)勢；

（4）在赤潮發(fā)生前期和發(fā)展維持階段，以東到東南風(fēng)為主，風(fēng)速較?。怀喑毕銮跋?，常伴隨偏西大風(fēng)過程。

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Survey on the causes and features of red tide in Lianyungang coastal waters

PENG Mo1,2, LIU Shou-dong1, ZHAOAi-bo2, YANG Yao-zhong2
(1. Nanjing University of Information Science and Technology, School of Applied Meteorology, Nanjing, 210044 China; 2. Marine environment monitoring and forecasting center of Jiangsu Province, Nanjing 210036 China)

Abstract：Based on the events of red tide and the element data of the red tide at high frequency area in Lianyungang coastal waters from 2004 to 2013, by using multivariate linear regression analysis method, the characteristics of the red tide and the relevance between it and the hydrological and environmental factors are analyzed. It is showed that the red tide in Lianyungang coastal waters always occurs from May to October. It is founded that each process of the red tide’s occurrence continues mostly from three to seven days. The number of phytoplankton has a high correlation with Chl-a, DO, Sea Temperature, COD and pH. During the process of the red tide, Sea Temperature, Chl-a, DO and pH increase firstly and then decrease, while COD shows the opposite changing trend. It always appears east to southeast wind with low speed in the early development stage of the red tide’s occurrence, while it mostly appears west strong wind in the dying stage.

Key words：Lianyungang ; red tide ; influence factor

通信作者：劉壽東（1963-），男，教授，碩士研究生，主要從事應(yīng)用氣象教學(xué)與研究工作。E-mail：lsd123123@163.com

作者簡介：彭模（1983-），男，工程師，學(xué)士，主要從事海洋觀測預(yù)報工作。E-mail：u235u235@139.com

基金項目：國家科技支撐計劃（2013BAB04B03）；國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項（201205005）；江蘇省科技支撐計劃(BE2012774；BE2014729)

收稿日期：2014-10-16

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.02.008

中圖分類號：X55

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2015）02-0051-06