丁萍

（福建省海洋預報臺，福建福州350003）

1 引言

福建沿岸海域是中國赤潮多發(fā)海區(qū)之一，多發(fā)期在春夏季的4—7月[1-2]，高發(fā)期為5—6月，主要發(fā)生在寧德市、福州市和廈門市沿海海域[3]。福建沿岸海域位于臺灣海峽西側，臺灣海峽是連接中國東海和南海的經向海峽，其環(huán)流系統(tǒng)如圖1所示，主要由亞熱帶季風控制。臺灣海峽的春季（4—5月）是風向由東北季風逐漸向西南季風轉換的時段，隨著東北季風的減弱，由東北風驅動沿著中國沿岸流動的新鮮的、冷的和營養(yǎng)鹽豐富的浙閩沿岸水影響的范圍逐漸減弱，而黑潮分支水和南海水組成的高溫高鹽混合水通過水道（如：澎湖水道，見圖1）進入臺灣海峽且影響的范圍逐漸增大[4-6]。浙閩沿岸水帶來了豐富的營養(yǎng)物質，同時南?；旌纤M入臺灣海峽引起表層水溫上升，有利于浮游植物生長，從而有利于赤潮的暴發(fā)。前人通過統(tǒng)計分析和數值模擬等方式對福建沿海赤潮從多方面進行了研究。鄧華等[7]和楊昀等[8]從水文氣象、春季沿海溫鹽及環(huán)流結構方面對2012年5—6月福建沿海大規(guī)模米氏凱倫藻赤潮的原因和嚴重后果進行了研究。結果表明2012年5月呈強北風特性，水體向岸堆積作用明顯，有利于藻類在近岸的堆積聚集和種群密度的提高，為藻類的生長提供了穩(wěn)定的動力環(huán)境，促進了赤潮的暴發(fā)，這說明5月東北季風為赤潮暴發(fā)提供了必要的動力環(huán)境。張亞峰等[9]和林靜柔等[10]研究認為南海臺風引起水體的垂向混合，深層富營養(yǎng)水被帶到表層，經充足的光照后形成赤潮，這說明豐富的營養(yǎng)物質和充足的關照是赤潮形成的充分條件，缺一不可。林佳寧等[11]針對赤潮對皺紋盤鮑的危害原因進行了研究，結果認為赤潮發(fā)生時皺紋盤鮑短時間內的大量死亡與米氏凱倫藻本身的毒性效應有關，這揭示了赤潮會造成嚴重經濟損失的機理。因此，如何利用現有技術來預測赤潮的發(fā)生成為當前研究的重要課題。張俊峰等[12]利用水文氣象要素因子的變化趨勢來預測赤潮的發(fā)生，認為赤潮生成前期日平均風速都在4級（7 m/s）以下，可作為判斷有利于赤潮生成條件之一，且赤潮生物從初期繁殖到后期的暴發(fā)性繁殖，直至達到赤潮生物密度一般需要4～5 d。矯曉陽[13]通過葉綠素a對赤潮的預報原理進行探索，主要以葉綠素a大于某一基準值時連續(xù)2 d是否呈指數增長來判定未來1～3 d內是否會發(fā)生赤潮。結論指出多數種類赤潮時的葉綠素a在12～29 mg/m3之間，且調查數據顯示夜光藻為赤潮的第一優(yōu)勢種時，葉綠素a約為5.1 mg/m3，這為預測赤潮的發(fā)生提供了有力的判斷依據。

圖1 研究區(qū)域及水深

2019年5月福建沿岸海域發(fā)生多起赤潮事件，其中5月13—17日福州連江黃岐半島附近海域赤潮的優(yōu)勢藻種為無毒夜光藻，面積約為1～3 km2（信息來源：福建省海洋與漁業(yè)局發(fā)布的《福建省赤潮災害信息》）。此次連江黃岐半島附近海域赤潮發(fā)生前期（5月7日）有冷空氣影響，日平均風速14.7 m/s（7級），5月9日日平均風速降至7 m/s（4級）以下，冷空氣帶來高營養(yǎng)鹽的浙閩沿岸水，風速降低后高溫高鹽的南?；旌纤ㄟ^水道進入臺灣海峽。根據鄧華[7]和楊昀等[8]的研究，此種條件有利于赤潮的發(fā)生，且與張俊峰等[12]研究中赤潮生物繁殖到暴發(fā)性繁殖并達到赤潮密度需要4～5 d的結論一致（即5月9日之后4 d即5月13日發(fā)現赤潮），但是其發(fā)生的具體原因尚未知。石曉勇等[14]研究指出臺灣海峽水硝酸鹽含量不高，造成了福建沿海常常產生“氮限制”。屠建波等[15]研究顯示在長江口口門外無機氮異常豐富，浮游植物的生長主要受磷限制。由此可知，臺灣海峽赤潮藻種暴發(fā)主要受氮限制，河口區(qū)域赤潮藻種暴發(fā)主要受磷限制，所以本文將采用主要考慮氮限制的物理-生態(tài)耦合模型來分析探討此次赤潮發(fā)生的原因。

2 模型與驗證

2.1 物理模式

本研究采用的是物理-生態(tài)耦合模式。物理模式為區(qū)域海洋模式系統(tǒng)（Regional Ocean Model System，ROMS）[16]，在Boussinesq和垂向靜壓假定下，近似求解雷諾平均的Navier-Stoke方程。模擬區(qū)域包括西北太平洋，范圍為93.13°～147.68°E，8.54°S～44.9°N（見圖1），水平方向采用曲線正交網格，網格分辨率從開邊界的40 km逐漸精細至臺灣海峽的1.5 km。垂向分層采用S坐標系[17]，分為30層，網格點水深數據融合全球地形數據ETOPO1和福建沿海高精度水深（來源：中國人民解放軍海軍司令部航海保證部海圖，分辨率100～300 m）。垂直混合系數采用Mellor等[18-19]的湍流閉合模型計算。

2.2 生態(tài)模式

生態(tài)模型源于模擬西北大西洋的海洋浮游生態(tài)系統(tǒng)模型（Nutrient Phytoplankton Zooplankton Detritus，NPZD）[20]。模型包括7個變量，變量及模型結構如圖2所示。采用Geider等[21-22]的計算方法計算葉綠素與浮游植物生物量之間的關系，該方法考慮了光和營養(yǎng)條件的變化對浮游植物細胞內葉綠素量的影響。模式考慮了NH4對NO3吸收的抑制作用，將NO3（新生產力）與NH4（再生產力）的過程分開。有機大顆粒物和小顆粒物根據顆粒大小來區(qū)分。小顆粒物產生的源是浮游植物的死亡和浮游動物的低效攝食，大顆粒物是由小顆粒物與浮游植物聚合形成，顆粒物部分在水中再礦化為NH4，其余下沉至海底。

主要生物過程模型采用經典公式，如溫度決定浮游植物的最大生產率[23]和光合作用與短波輻射的關系（P-I）[24]以及Holling-Ш類的S型曲線計算浮游動物對浮游植物的捕食率[25]。大多數生態(tài)參數值參考文獻[21]，其余精細化參數參考文獻[6]。

2.3 模型設置

模型的驅動場采用的是福建省海洋預報臺每日業(yè)務化運行的氣象研究與預報（Weather Research and Forecasting，WRF）模式的預報產品。WRF模型的網格水平分辨率為20 km，邊界場采用美國氣象局環(huán)境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）6 h間隔的全球預報系統(tǒng)（Global Forecast System，GFS）產品。目前基于WRF產品驅動的模型已成功開展應用[8，26-28]。開邊界場采用法國麥卡托（Mercator）海洋中心的業(yè)務化產品，包含海表高度、溫度、鹽度和流。模型計算中的江河輸入均以《中國海灣志》的主要河流各月多年平均流量代入。開邊界潮汐引起的水位過程采用日本全球海洋潮汐預報模式（NAOTIDE）的天文潮調和常數，包含M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1、M1、J1、OO1、2N2、Mu2、Nu2、L2和T2，共計16個分潮，以其5′網格分辨率的分析產品（NAO.99Jb）數據進行內插得到模型所需水位數據。生態(tài)模型生態(tài)初始場和邊界場等見Wang等[6]的模型設置。模型調試穩(wěn)定后，2016年9月1日開始在福建省海洋預報臺每日業(yè)務化運行，生成未來7 d的數值預報產品。

圖2 生態(tài)模型結構示意圖

2.4 模型驗證

將生態(tài)浮標（圖1中紅色原點）實測數據與模型結果進行比較（見圖3）來驗證模型的可靠性。由圖3所示，5月7—11日模型值低于觀測值，11日之后模型值和觀測值呈迅速增大趨勢并于14日左右達到峰值，模型峰值略低于觀測值，之后開始減弱。模型結果再現了2019年5月13日連江黃岐半島附近海域暴發(fā)的赤潮過程，且模擬出了5月7日受冷空氣影響及影響減弱后臺灣海峽的流系及水溫變化分布（見圖4），因此模型結果可以用于此次赤潮暴發(fā)原因的進一步探究。因5月7—14日期間，風速明顯減弱（見圖5）而葉綠素濃度顯著增大（見圖3和圖6），所以本文選擇此段時間對赤潮發(fā)生原因進行研究。

圖3 5月7—20日實測與模型計算的葉綠素濃度

3 結果與分析

3.1 模型葉綠素

模型表層葉綠素濃度如圖6所示。由圖5可知，因受冷空氣影響5月7日東北風較強勁，日平均風速達14.7 m/s，圖6a顯示赤潮發(fā)生附近海域葉綠素濃度低于2 mg/m3；當風速降到7 m/s以下時，圖6 h顯示赤潮發(fā)生區(qū)域（見圖7a紅色三角形處）葉綠素濃度明顯增大，大于10 mg/m3；在風速減弱的過程中，圖6a—h顯示閩江口附近葉綠素濃度逐漸增大且呈向外擴散趨勢，14日赤潮發(fā)生海域附近的葉綠素濃度達到峰值約15 mg/m3；圖6i—k顯示赤潮發(fā)生海域附近葉綠素濃度逐漸降低，因為16—17日福建沿海天氣以小到中雨為主，天氣形勢不利于赤潮的維持（信息來源：福建省海洋與漁業(yè)局發(fā)布的《福建省赤潮災害信息》）。綜上可知葉綠素濃度時空變化與5月13日連江黃岐半島海域發(fā)生的赤潮事件時間基本一致，因此選取生態(tài)浮標海域的連江斷面（Lianjiang Section，LJS）（位置見圖1）對此次赤潮事件進行進一步的研究。

圖4 5月7日和14日模型平均環(huán)流（箭頭，單位：m/s）和海表溫度（色度，單位：℃）

圖5 5月7—20日大浮標風速及風向（浮標位置見圖1）

5月7日和14日LJS處的葉綠素和硝酸濃度分布如圖8所示。14日LJS處表層的葉綠素和硝酸濃度較7日明顯增大（見圖8b和8d），并出現明顯的分層，厚度小于5 m，垂向梯度增大；LJS處上層高葉綠素和硝酸濃度區(qū)域向外延伸，最遠可達45 km處。由此可知，當風速減弱時，表層葉綠素濃度增大且向外延伸。

圖6 5月7—17日模型海表葉綠素濃度分布（單位：mg/m3）

圖7 5月7日和14日葉綠素變化方程診斷項的表層分布（單位：mg/（m3·d））

3.2 水動力過程

下面我們將對模型的水動力結果進行分析，探討圖6中葉綠素濃度分布及圖8中對應LJS處葉綠素和硝酸濃度分布特征的成因。

3.2.1 環(huán)流結構的變化

5月是臺灣海峽季風轉換的時段，從圖4a可以看出5月7日受東北風影響，浙閩沿岸流較強，可將北部沿岸的低溫低鹽和高營養(yǎng)鹽水向南運輸到達廈門沿岸。5月14日風速較小，臺灣海峽主要受高溫高鹽的南?；旌纤绊?，北向流加強，水溫整體上升。沿岸南下的浙閩沿岸水和海峽北上的暖水在生態(tài)浮標附近交匯，因此赤潮發(fā)生區(qū)域的海流較弱，這為赤潮的暴發(fā)提供了穩(wěn)定的動力條件。

3.2.2分層和U方向流的加強

圖9d和圖9e顯示在LJS處溫度和鹽度均出現明顯的分層，水深小于5m的表層溫度和鹽度都具有較大的垂向梯度，水深大于5m區(qū)域則呈均勻分布。與圖9a和9b相比可知風速較小時，臺灣海峽較強的北向流將高溫高鹽的南?；旌纤边\輸，同時也阻擋了閩浙沿岸流的南下（見圖4b）。浙閩沿岸流帶來的淡水密度小于南?；旌纤虼说∮诒韺有纬煞謱?，垂向梯度大，從而垂向混合作用減弱。

由圖9c可知，5月7日風速較大，沿海為南向流，在科氏力作用下LJS處有較強的向岸流，流速可達0.24 m/s；5月14日風速較小，受徑流和科氏力的作用，LJS處表現為較強的離岸流，流速可達0.26 m/s（見圖9f）。從而解釋了圖6g—h和圖8b中葉綠素濃度明顯向外擴散的趨勢。

綜上可知，垂向分層和離岸流的共同作用促使了5月13日連江黃岐半島附近海域赤潮的發(fā)生。

3.3 葉綠素變化的診斷分析

式（1）為葉綠素變化率方程。模型診斷結果可以清楚地反應物理和生物因素對葉綠素變化率（即模型根據計算出來的前后時刻的葉綠素濃度自行計算）的作用。方程左邊是葉綠素的變化率，右邊是物理和生物項，其中物理項包括平流、擴散和沉降；生物項包含浮游植物的生長和消耗，消耗是由浮游動物捕食、浮游植物死亡以及小顆粒物與浮游植物聚合3部分組成。

圖7中的診斷項包括葉綠素濃度的變化率、平流項、擴散項和生物項，其中浮游植物沉降項與其他項相比小兩個數量級，忽略不計[6]。圖7中色標的正值和負值分別對應各項對葉綠素增加和減少的貢獻。

閩江口附近海域的葉綠素變化率較低（見圖7a），這與葉綠素濃度變化一致（見圖6a—b）。5月7日式（1）的右側項由圖7c、7e和7g所示，低變化率是由于平流項（見圖7c）、擴散項（見圖7e）和生物項（見圖7g）的抵消作用。5月14日閩江口附近海域葉綠素濃度變化率呈正負間隔現象（見圖7b），赤潮發(fā)生附近區(qū)域葉綠素濃度變化率為正，這與葉綠素濃度變化相一致（見圖6h）。赤潮發(fā)生附近區(qū)域葉綠素正的變化率（見圖7b）是因為擴散項（圖7f較圖7e）和生物項（圖7h較圖7g）在該區(qū)域減弱，而平流項（圖7d較圖7c）在該區(qū)域顯著增強。也就是說平流項（圖7d較圖7c）的明顯增強是赤潮發(fā)生附近區(qū)域表層葉綠素濃度增加的主要動力因素（見圖6h），即平流項的顯著增大是赤潮發(fā)生區(qū)葉綠素濃度上升的主要原因。

圖8 5月7日和14日模型LJS處葉綠素和硝酸分布

圖9 5月7日和14日模型溫度、鹽度和U方向流速（正值表示正東方向）在斷面處的垂向分布

圖10是LJS處的平流項、生物項及擴散項的垂向分布，可用來進一步說明圖7中表層葉綠素變化率分布是由擴散項的減弱和平流項的增強共同影響。生物項在14日出現明顯的上下層結構（見圖10c和10d），并且出現上層高值區(qū)與低值區(qū)并存的現象。上層生物項的明顯增加是因為有了充足的光照和高營養(yǎng)鹽，浮游植物光合作用效率提高，表層浮游植物的增長速率大于消耗，表層表現為葉綠素凈增長（見圖10c和10d中正值）；雖然光在水體中隨水深遞減，但因為水深較淺，下層水體中葉綠素仍然表現為凈增長，較上層相對較?。ㄒ妶D10c和10d中正值）。圖10d中生物項出現上下層結構是由于垂向混合作用減弱形成的，上層表現為高低值相間并向外延伸，是由平流項的作用導致。平流項強的位置（見圖10b正值較大區(qū)域）對應生物項表現較弱的位置（見圖10d負值較小區(qū)域），二者表現為較好的反相位對應關系。

圖10 5月7日和14日葉綠素變化方程中平流項、生物項和擴散項在斷面處垂向分布（單位：mg/（m3·d））

因此，浮游植物生長所產生的葉綠素在垂向混合和水平平流的作用下重新分配。平流項（見圖10a）與生物項（見圖10c）在LJS處幾乎呈相反位相。圖10a中平流項正值表明表層生物生長產生的葉綠素在水平平流的作用下被向外運輸，葉綠素濃度向外擴散，與葉綠素濃度變化趨勢（見圖6a—h）一致，且圖10a平流項和圖10c生物項及圖10b平流項和圖10d生物項之間反位相的對應關系也支持上述解釋。圖10c生物項中負值表明浮游植物由于平流的作用被往外運輸，導致此處的浮游植物量減少大于增多，即相當于此處浮游植物的生長降低。圖10e上層擴散項的負值表示上層生物生長產生的葉綠素在垂向混合的作用下往下層運輸，降低了表層葉綠素濃度，葉綠素濃度（見圖8a）和硝酸濃度（見圖8c）分布可以用來支持此解釋。5月7—14日，隨著風速的減弱，表層平流項的增大加強了表層葉綠素向外運輸，圖10c和10d生物項的分布可支持此結論；圖10e和10f可以看出，擴散項的減弱減少了葉綠素向下運輸，上層葉綠素表現為凈增長，從而出現上下層結構（見圖8b和10d）。

從葉綠素變化的診斷分析來看，5月7日在強東北風的作用下，表層生物生長產生的葉綠素由于擴散和水平平流作用被稀釋，表現為葉綠素的低濃度。風速較小時（5月14日）擴散作用減弱，水平平流作用加強，表層浮游植物迅速繁殖且在平流作用下向外運輸，從而出現葉綠素濃度高值區(qū)并向外延伸。

4 結論

2019年5月13日連江黃岐半島發(fā)現赤潮，本文用物理-生態(tài)耦合模型揭示了冷空氣及其減弱過程中發(fā)生的物理過程是促使這次赤潮發(fā)生的重要因子。分層和離岸流是赤潮發(fā)生的兩個重要因素，其中離岸流占主導作用。本研究揭示了福建沿海赤潮的發(fā)生原因和形成機制，有助于理解福建沿海同藻種赤潮在附近沿海先后出現的現象，為預測福建沿海赤潮的發(fā)生提供科學依據。但是赤潮發(fā)生是一個復雜的過程，要想更清楚地理解赤潮并實現準確預測，需要綜合氣象、水文、水動力、營養(yǎng)鹽和藻種特點等要素來探討分析。