吳玲娟, 高　松, 白　濤

1 國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心, 青島　266061 2 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島　266061

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大型水母遷移規(guī)律和災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究進(jìn)展

吳玲娟1,2,*, 高松1,2, 白濤1,2

1 國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心, 青島266061 2 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島266061

摘要:20世紀(jì)80年代以來，全球大型水母災(zāi)害發(fā)生頻率與成災(zāi)種類不斷增加，已嚴(yán)重影響了近海海洋漁業(yè)、沿海工業(yè)、濱海旅游業(yè)和海洋生態(tài)系統(tǒng)，已引起了各國政府高度重視，并且越來越多海洋工作者投身水母遷移等科學(xué)研究和監(jiān)測預(yù)警工作中。回顧近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水母漂移聚集和溯源等遷移規(guī)律的研究進(jìn)展以及水母災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作現(xiàn)狀。水母研究為預(yù)測預(yù)警工作服務(wù)，應(yīng)側(cè)重于開展系統(tǒng)的水母海上和室內(nèi)試驗(yàn)，建立業(yè)務(wù)化立體監(jiān)測體系；加強(qiáng)水母漂移聚集機(jī)理研究，建立更完善的水母預(yù)警模式。

關(guān)鍵詞：大型水母; 遷移規(guī)律；業(yè)務(wù)化監(jiān)測體系；預(yù)警模式

Review on the migration mechanisms of large jellyfish and techniques of the

全球變化和人類活動(dòng)影響下海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生了很大的變化，大型水母災(zāi)害發(fā)生頻率與成災(zāi)種類不斷增加，已嚴(yán)重影響了海洋漁業(yè)、沿海工業(yè)、濱海旅游業(yè)和海洋生態(tài)系統(tǒng)[1-3]。在挪威，水母已經(jīng)被列為影響?zhàn)B殖業(yè)、漁業(yè)、旅游業(yè)等國家經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的重要因素之一。在日本，從2000年開始，巨型水母的暴發(fā)使日本漁業(yè)資源和捕撈業(yè)處于崩潰的邊緣[4]。在我國渤海遼東灣、黃海南部和東海北部海域，水母于2003年集中暴發(fā)[5], 并多次出現(xiàn)水母纏繞阻塞網(wǎng)具、漁獲量減少、海濱浴場傷人以及堵塞濱海發(fā)電廠、淡化水廠和核電站等取排水口事件。為了保證沿海經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，我國相關(guān)部門給予了高度重視，啟動(dòng)了多個(gè)科研和應(yīng)用項(xiàng)目，如國家自然科學(xué)基金“大型水母沙海蜇在黃、東海的生活史及其對(duì)浮游生物的調(diào)控作用”、973項(xiàng)目“中國近海水母暴發(fā)的關(guān)鍵過程、機(jī)理和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)”和2010年國家海洋局公益性項(xiàng)目“典型海域水母災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)業(yè)務(wù)化應(yīng)用與示范研究”。

王世偉等[6]和孫松等[7]的監(jiān)測和研究結(jié)果認(rèn)為青島近海的海月水母主要分布于膠州海灣內(nèi)，能夠在灣內(nèi)自行自我補(bǔ)充并完成其生活史，可能是原發(fā)型；沙海蜇和白色霞水母可能不是由本地水螅體和水母幼體發(fā)育，是外來型的。因此，根據(jù)水母災(zāi)害發(fā)生發(fā)展過程，將水母災(zāi)害劃分為原發(fā)型和外來型兩種。本文擬針對(duì)大型外來型水母，回顧國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于水母遷移規(guī)律和國內(nèi)外監(jiān)測預(yù)測預(yù)警工作現(xiàn)狀，并從防災(zāi)減災(zāi)角度出發(fā)，對(duì)未來工作進(jìn)行展望。

1大型水母遷移規(guī)律研究

水母是一種膠質(zhì)狀的浮游動(dòng)物(gelatinous zooplankton)，其運(yùn)動(dòng)主要包括自身自主運(yùn)動(dòng)和借助風(fēng)、浪和水流等的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。水母自主運(yùn)動(dòng)主要通過收縮外殼擠壓內(nèi)腔的方式，改變內(nèi)腔體積，噴出腔內(nèi)的水，通過噴水推進(jìn)的方式進(jìn)行移動(dòng)，并借助觸手，有效地改變運(yùn)動(dòng)方向。大型水母的漂移聚集(遷移)可能受氣象和水文動(dòng)力條件的影響。氣象條件主要包括降雨和光照。大部分漁民的經(jīng)驗(yàn)是陰雨天難見海蜇。2011年8月11日膠州灣沙海蜇和白色霞水母種群高峰期剛過，但8月16日與19日觀測到這兩種水母數(shù)量的顯著降低，這可能與該時(shí)段的降雨有關(guān)[6]，但其機(jī)理未見報(bào)道。部分學(xué)者認(rèn)為水母的自主運(yùn)動(dòng)可能與水母的趨光性有關(guān)，其晝夜遷移可能光的積極反應(yīng)；Mills[8]通過7種水母光照實(shí)驗(yàn)表明，晝夜遷移是依賴于光而不是內(nèi)在的，當(dāng)光強(qiáng)恒定時(shí)水母不遷移，光強(qiáng)發(fā)生變化水母才遷移[9], 但其具體機(jī)理仍不很清楚。Angel等[10]發(fā)現(xiàn)水母在1000m以深不存在晝夜運(yùn)動(dòng)，這可能與水深較深沒有光照的原因有關(guān)。Graham等[11]指出水螅水母綱、缽水母綱和管水母亞綱的水母普遍存在晝夜垂直遷移現(xiàn)象，即水母白天下沉到水體底層，夜間上浮到水體表層；櫛水母綱的水母卻不多見。但張芳等[12]通過2006年黃海海域大面調(diào)查發(fā)現(xiàn) 24h內(nèi)連續(xù)調(diào)查的水母數(shù)量變化并非水母晝夜垂直移動(dòng)所引起，可能是拖網(wǎng)調(diào)查過程中水團(tuán)的改變造成；在2006年4月至2007年8月期間10 次漁業(yè)底拖網(wǎng)調(diào)查的調(diào)查期間發(fā)現(xiàn)在許多站位的表層或次表層出現(xiàn)大量的水母個(gè)體。Barz等[13]報(bào)道北海南部的水母主要分布在5—25m; Honda等[14]使用彈出式存儲(chǔ)傳輸標(biāo)簽和超聲波發(fā)射器跟蹤水母，發(fā)現(xiàn)日本海南部的沙海蜇主要聚集于40m 以淺的水層, 而且夜間所處深度往往大于白天。膠州灣8—9月份水母調(diào)查中[6]水母垂直移動(dòng)的規(guī)律性并不明顯；國家海洋局北海監(jiān)測中心在2011—2013年青島近海水母監(jiān)測過程中，也發(fā)現(xiàn)一部分水母白天聚集在水面。從上述監(jiān)測結(jié)果和研究可以看出不同水母或同一種水母在不同環(huán)境條件下的自主運(yùn)動(dòng)(特別垂向運(yùn)動(dòng))規(guī)律不盡相同，所以迫切需要針對(duì)我國近海水母的遷移特點(diǎn)，開展大量的海上跟蹤監(jiān)測等海上試驗(yàn)，以認(rèn)清我國沿海不同種類水母的自主運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)行水母災(zāi)害預(yù)測預(yù)警研究。

國內(nèi)外學(xué)者通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值控制實(shí)驗(yàn)認(rèn)為水文動(dòng)力條件如溫度、鹽度和密度躍層[13,15]，海流及渦結(jié)構(gòu)等影響大型水母的漂移聚集。Honda等[15]指出不同季節(jié)海水的垂直水文結(jié)構(gòu)導(dǎo)致日本海南部的水母冬天聚集深度比秋天深。Brodeur等[16]發(fā)現(xiàn)白令海東部的大型水母受多種鋒面結(jié)構(gòu)的影響而呈現(xiàn)多種格局分布。Doyle等[17]發(fā)現(xiàn)水團(tuán)、躍層、鋒面等不連續(xù)是凱爾特和愛爾蘭海域水母種類的呈現(xiàn)明顯空間分布的主要原因；Robison等[18]在美國蒙特雷海灣的雙小水母豐度變化與季節(jié)性上升流的變化有關(guān)。通過分析膠州灣的沙海蜇和白色霞水母分布情況，發(fā)現(xiàn)水動(dòng)力過程是影響膠州灣水母分布主要因素[6,19]。

自20世紀(jì) 90 年代中后期起，在我國東海北部和黃海南部海域大型水母災(zāi)害相繼暴發(fā)[3]并受溫度、鹽度[20]的影響呈現(xiàn)很強(qiáng)的空間分布格局：霞水母(沙海蜇)聚集在長江口南(北)[12]；從長江口向外海，水母類豐度及其種類隨鹽度增加而增加[21]：低鹽河口性的水母聚集長江口附近海域；暖水性水母聚集在鹽度高、離岸遠(yuǎn)的海域，并受外海海水特別是臺(tái)灣暖流影響較大。周永東等[22]指出漁場的水溫也是影響水母的發(fā)生時(shí)間和數(shù)量以及漂移聚集的主要因子。東海海域沙海蜇為低溫高鹽種,主要分布于黃海冷水團(tuán)伸向東海舌鋒的鋒面以北海域；霞水母為暖水高鹽種, 主要密集分布于東海北部的暖水控制的海域，因此可以利用黃海冷水團(tuán)勢力強(qiáng)弱預(yù)測沙海蜇暴發(fā)和漂移聚集[20]。該研究為今后水母漂移聚集預(yù)測提供了關(guān)鍵的思路: 利用海洋生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵要素預(yù)測水母的發(fā)生和漂移聚集過程。

2大型水母遷移數(shù)值模擬方法研究

對(duì)于外來型大型水母，國內(nèi)外學(xué)者利用海洋數(shù)值模式，將水母粒子化，模擬水母漂移路徑，以分析影響水母漂移聚集關(guān)鍵動(dòng)力因素。Barz等[23]發(fā)現(xiàn)平流過程是中央波羅的海海域海蜇幼體的發(fā)生和分布的關(guān)鍵因素。Johnson等[24-25]基于Gulf of Mexico(GOM)環(huán)流模型，追蹤墨西哥灣五卷須金黃刺母的漂移路徑，指出灣內(nèi)環(huán)流的季節(jié)變化在水母豐度和分布上起重要作用。Berline等[26]基于ROMS(Regional Ocean Modeling System)模式建立了法國利古里亞海高分辨率的模式，考慮水母0—300m 垂直運(yùn)動(dòng)，模擬水母的漂移情況，并指出北向流和海面風(fēng)場是水母向岸的主要因素。吳玲娟等[27]考慮水母自主運(yùn)動(dòng)，借鑒氣象中的集合預(yù)報(bào)方法，基于拉格朗日粒子追蹤方法，建立青島近海大型水母的集合漂移預(yù)測模型，快速預(yù)測2012—2013年青島近海水母集合漂移軌跡、速度、趨勢和可能影響范圍等要素。通過分析水母監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果，指出在水母自主運(yùn)動(dòng)及其機(jī)理尚不十分清楚的情況下，多軌跡漂移預(yù)測結(jié)果比單軌跡的更合理、科學(xué)、可信，能夠傳達(dá)更多的信息量，對(duì)水母災(zāi)害的應(yīng)急處置更具有指導(dǎo)意義。上述工作假定水母只隨海流漂移的粒子進(jìn)行研究，在水母暴發(fā)海域，模擬了水母漂移過程，分析了水母漂移聚集動(dòng)力因素。但是由于不同種類水母的自主運(yùn)動(dòng)機(jī)理尚不清楚，同時(shí)沒有考慮水母的生態(tài)學(xué)特性，因此，該類模式對(duì)用于研究水母遷移規(guī)律和水母漂移預(yù)測預(yù)警和需要進(jìn)一步完善。 因此，可以借鑒國外少部分科學(xué)家建立海洋物理-生態(tài)模型模擬水母的生態(tài)過程的經(jīng)驗(yàn)。例如Kishi等[27]和Megrey等[28]，并以魚類為代表的高營養(yǎng)級(jí)生態(tài)變量，加入以膠狀體浮游動(dòng)物和磷蝦為代表的大型浮游動(dòng)物作為生物變量，更全面模擬海洋生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)作用過程；Ren等[29]利用包含浮游植物，浮游動(dòng)物，貝類，水母等變量的生態(tài)模型，與水動(dòng)力模型相耦合，模擬新西蘭比阿特里克斯灣貝類的生長；其模擬結(jié)果較好的反映水母與其他魚類之間的競爭關(guān)系。在海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型模擬研究中，不同海域的參數(shù)比如生長率，死亡率和排泄率等都不一樣，特別增加水母等食肉性浮游動(dòng)物等生物狀態(tài)變量。因此，建立我國近海的水母物理—生態(tài)模型，需要根據(jù)我國近海水母發(fā)生發(fā)展的特點(diǎn)，開展大量室內(nèi)和海上試驗(yàn)來確定相關(guān)的生態(tài)參數(shù)。

3大型水母溯源研究

國內(nèi)外學(xué)者主要利用數(shù)值模擬方法追溯水母的來源。Moon等[30]利用ROMS模型，未考慮潮汐運(yùn)動(dòng)，采取粒子示蹤法追溯日本海沙海蜇來源，指出日本海暴發(fā)的水母可能的源地之一為長江口，而且水母的分布受中國東海到日本海之間的風(fēng)應(yīng)力及沿岸流的影響較大。而羅曉凡等[31]利用考慮潮汐運(yùn)動(dòng)和垂直過程的海洋模式得到與Moon等相反的結(jié)論：濟(jì)州島沿岸質(zhì)點(diǎn)大部分穿過對(duì)馬海峽進(jìn)入日本海, 其它質(zhì)點(diǎn)主要聚集黃海潮汐鋒區(qū)和長江口以南沿岸鋒，并未進(jìn)入日本海。張彥等[32]未考慮水母垂直運(yùn)動(dòng)，采用拉格朗日粒子方法反向追蹤方法追溯其運(yùn)動(dòng)路徑及可能源地，并結(jié)合水母種類分布特征和沉積物分布特征綜合分析夏季青島外海大型水母的潛在源頭。水母溯源研究為探討大型水母的暴發(fā)機(jī)制，并從源頭上監(jiān)測和防控水母的暴發(fā)起著重要的作用，所以需要結(jié)合大量監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果，追溯源頭，并在源頭上進(jìn)行詳實(shí)考證和研究。

4大型水母災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警工作

近幾年，我國大型水母災(zāi)害發(fā)生頻率不斷增加，已嚴(yán)重影響了海洋漁業(yè)、沿海工業(yè)、濱海旅游業(yè)和海洋生態(tài)系統(tǒng)，急需一套完善的監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)防和減輕水母災(zāi)害造成的損失。同時(shí)，為大型水母的漂移聚集機(jī)理研究提供大量監(jiān)測數(shù)據(jù)支持。大型水母監(jiān)測除了傳統(tǒng)的目測監(jiān)測和拖網(wǎng)采樣監(jiān)測外，Lynam[33]在納米比亞的本格拉海利用聲學(xué)對(duì)海蜇的生物量進(jìn)行了評(píng)估；英國Swansea大學(xué)的科學(xué)家們聯(lián)合愛爾蘭科學(xué)家建立了第一個(gè)海蜇跟蹤項(xiàng)目(EcoJel)[34]，利用小型電子追蹤標(biāo)記跟蹤南威爾士沿岸水母的運(yùn)動(dòng)狀況。韓國基于濟(jì)州島附近海域水母種類和毒性程度以及水母監(jiān)測體系方法研究，于2011年正式建立水母監(jiān)測體系，為預(yù)測水母的運(yùn)動(dòng)趨勢、發(fā)布海水浴場的水質(zhì)狀況、選擇漁船的作業(yè)位置等提供重要信息；2014年7月利用智能機(jī)器人自動(dòng)探測并除去水母的綜合防治系統(tǒng)投入試運(yùn)行[35]。日本利用船舶監(jiān)測、遙感監(jiān)測、浮標(biāo)監(jiān)測、漁業(yè)市場調(diào)查等多元化手段，隨時(shí)獲取監(jiān)測海域大型水母的分布情況，經(jīng)過匯總和預(yù)報(bào)后，被處理為可視化的水母實(shí)時(shí)分布與預(yù)報(bào)信息，最后及時(shí)發(fā)布給漁民和其它用海群眾[30,36]；并組織相關(guān)部門負(fù)責(zé)大型水母的清除，有效降低了水母災(zāi)害損失。美國NOAA和幾個(gè)大學(xué)研發(fā)太平洋黃金水母出現(xiàn)概率長期預(yù)報(bào)系統(tǒng)，定期發(fā)布水母預(yù)警報(bào)[37]。2012年，法國濱海自由城海洋實(shí)驗(yàn)室基于Berline等水母漂移模式[26]和監(jiān)測結(jié)果，推出從馬賽到芒通、從圣特羅佩到意大利邊境的濱海海灘48 h在線水母預(yù)警系統(tǒng)，并在Medazur和jellywatch(http://www.jellywatch.org/)兩家網(wǎng)站負(fù)責(zé)發(fā)布水母預(yù)報(bào)和分等級(jí)的警報(bào)。我國借助國家海洋局海洋公益科研項(xiàng)目，研制了有害種類快速定量監(jiān)測、漂移路徑預(yù)報(bào)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警和水母災(zāi)害的應(yīng)急處置技術(shù)，構(gòu)建水母災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系，并在青島近海、秦皇島和廈門等水母災(zāi)害典型海域開展示范應(yīng)用[19,38]。我國雖然已初步構(gòu)建了水母災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系，但是還需借鑒新西蘭大學(xué)和日本等研究機(jī)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)不同種類的水母進(jìn)行海上跟蹤等海上試驗(yàn)，了解水母的漂移和聚集規(guī)律；進(jìn)一步完善監(jiān)測和預(yù)警體系，建立立體監(jiān)測和應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

5研究展望

由于國內(nèi)對(duì)大型水母的研究起步比較晚，與國外相比還有很大差距。在水母遷移方面的研究主要體現(xiàn)在水母漂移聚集機(jī)理、監(jiān)測和預(yù)警等方面的研究不夠完善。建議從水母災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)角度出發(fā)，結(jié)合我國近年來監(jiān)測預(yù)警工作現(xiàn)狀，著重以下幾個(gè)領(lǐng)域:

(1)開展系統(tǒng)的水母海上和室內(nèi)試驗(yàn)，建立業(yè)務(wù)化立體監(jiān)測體系

由于我國近海水母相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺乏，無法準(zhǔn)確了解水母的自主運(yùn)動(dòng)規(guī)律和生態(tài)學(xué)特性，并數(shù)值模式中進(jìn)行參數(shù)化。因此，建議借鑒新西蘭Swansea大學(xué)和日本研究機(jī)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同種類的水母通過系統(tǒng)的室內(nèi)和海上試驗(yàn)，進(jìn)行反復(fù)多次跟蹤試驗(yàn)，以了解水母的運(yùn)動(dòng)特征，確定水母物理-生態(tài)學(xué)參數(shù)。建議進(jìn)一步改進(jìn)和規(guī)范水母監(jiān)測技術(shù)，利用傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，結(jié)合聲學(xué)調(diào)查、岸基調(diào)查、航空遙感調(diào)查和水下攝像調(diào)查，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，結(jié)合海洋遙感和地理信息系統(tǒng)，建立和完善海洋水母業(yè)務(wù)化立體監(jiān)測系統(tǒng)，為今后水母物理-生態(tài)模型參數(shù)化提供依據(jù)，為模型初始和驗(yàn)證場提供可靠的數(shù)據(jù)。

(2)加強(qiáng)水母漂移聚集機(jī)理研究，建立更完善的水母預(yù)警模式

結(jié)合我國水母實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究水母漂流聚集的氣象和水文動(dòng)力相關(guān)因子和主要生態(tài)動(dòng)力學(xué)因子。借鑒國外水母生態(tài)模型建立的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)我國近海水母的生活習(xí)性，建立我國近海的水母生態(tài)-動(dòng)力預(yù)測模式，并結(jié)合目前已使用傳統(tǒng)預(yù)測和集合預(yù)測方法，進(jìn)一步完善我國近海大型水母的業(yè)務(wù)化預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)，提高預(yù)測預(yù)警的準(zhǔn)確度。

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monitoring, forecasting, and warning of jellyfish disaster

WU Lingjuan1,2,*, GAO Song1,2, BAI Tao1,2

1NorthChinaSeaMarineForecastingCenterofStateOceanicAdministration,Qingdao266061,China2ShandongProvincialKeyLaboratoryofMarineEcologicalEnvironmentandDisasterPreventionandMitigation,Qingdao266061,China

Abstract：The occurrence frequency and disaster category of large jellyfish has increased continuously worldwide since 1980s. The jellyfish disaster has seriously affected the offshore marine fisheries, coastal industry, coastal tourism and marine ecosystem. The governments and organizations have paid much attention to jellyfish study such as the migration mechanisms, and work on monitoring, forecasting, and warning of jellyfish disaster. In this paper, the recent progress has been reviewed on the migration mechanisms of large jellyfish, including its drifting and aggregation behavior as well as its source. Furthermore, recent work on the monitoring, forecasting, and warning of jellyfish disaster has been introduced. Several suggestions are proposed, such as the development of a three-dimensional operational monitoring system, the need for integrated studies on the migration mechanisms, and further development of improved forecasting and warning models.

Key Words:large jellyfish; migration mechanisms; operational monitoring system; forecasting and warning model

基金項(xiàng)目:國家海洋局公益性項(xiàng)目(201005018)

收稿日期:2014- 09- 25; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 09- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: vivioceangk@163.com

DOI:10.5846/stxb201409251898

吳玲娟, 高松, 白濤.題大型水母遷移規(guī)律和災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究進(jìn)展目.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(10):3103- 3107.

Wu L J, Gao S, Bai T.Review on the migration mechanisms of large jellyfish and techniques of the monitoring, forecasting, and warning of jellyfish disaster.Acta Ecologica Sinica,2016,36(10):3103- 3107.