秦皇岛近海赤潮发生的气象条件分析

2017-05-30张晓玲燕成玉

安徽农业科学 2017年35期

张晓玲燕成玉

摘要利用卫星遥感、海岛站、海岸带日照和EC渤海格点等资料，采用同步资料叠加分析，对2004—2013年5—8月出现在河北海区26次赤潮个例进行综合分析。结果表明，气象环境条件是赤潮发生、发展及消亡的新因素，赤潮发生后1～2 d环渤海地区地面维持均压场状态；赤潮发生的主要时间段为6—8月，持续时间7～15 d，最高气温30～34 ℃，相对湿度78%～88%，平均風速1～2 m/s，日照时数6～8 h；单一的海洋生物、物理、化学因子集成预测赤潮发生的空报次数偏多，叠加气象环境预测因子空报次数明显下降。

关键词近岸海区；赤潮；气象条件；预测因子

中图分类号P47文献标识码A文章编号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、气象环境条件下，近海至入海河口附近海水中某些浮游植物、原生动物或细菌等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[1-2]，近海海域发生的赤潮导致养殖、捕捞业以及海滨旅游业都遭受严重损失，已引起沿海国家的高度重视[3-4]。20世纪70年代初日本率先开展赤潮监测研究，采用上下联动体系，水产厅—研究所—渔民协会监测赤潮上报体系，并在大阪、濑户等海湾的赤潮监测与综合治理取得显著效果；法国、加拿大、挪威及瑞典在20世纪90年代分别设立了国家级赤潮监测与研究规划（EUROHAB）；美国1995年升级为赤潮生态学基金资助项目（ECOHAB），美国海洋资源部（DMR）从1996年开始为沿海渔港培训的海洋赤潮监测志愿者，为科研部门提供海洋水温、盐度及赤潮生物样本；国内自1989年渤海赤潮大面积暴发以来，由沿海环保部门、海洋生物研究所及气象部门以科研项目任务方式进行近海港区监测[5-6]及机理研究[7]。由于赤潮的发生不是单纯的生态学问题[8-9]，而是在海洋动力与气象环境[10-11]条件控制下的海洋物理和化学问题，不同种类赤潮发生机理十分复杂，较难得出一个普遍适用的规律性结论[12-13]和概念标准。

笔者基于已发生赤潮的生态学个例，分析主要赤潮生物种类的气象环境条件要素场，研究河北区域的近海赤潮发生、发展、消亡的气象环境条件；综合水文、海洋生态同步监测资料，初步归纳预测因子并建立试验预测模型，为搭建渤海赤潮综合防治业务平台及机理研究提供技术支撑。

1赤潮事件及资料处理

1.1赤潮事件个例

2004—2013年赤潮事件持续时间最长在30 d以上（表1），并呈频发趋势，如2011年8月1—9日北戴河附近海域发生赤潮，赤潮水体红褐色，赤潮生物优势种为夜光藻，面积约40 km2，分布在北戴河外交部大使馆区和中值机关游泳区域，恰逢旅游高峰期，日游客流量大于20万，对秦皇岛的水产养殖、海上旅游及社会造成了一定影响。

1.2资料处理

将上述入选个例分3个层面按发生的时段以10 d为一次过程，采用同步资料叠加方法，核查前5～7 d的气象场的海岸带日照时数、温度、10 m风场及Micaps 3.2环渤海地面形势场等，作为赤潮发生预测因子条件，后3 d作为赤潮发展时段预测实况检验因子，分析主要赤潮生物种类的气象环境条件要素场，找出一般对应关系，提炼秦皇岛区域的近海赤潮发生、发展的气象环境条件可预测因子。

1.3数值预测因子

在总结优势赤潮物种时空尺度分布特征及气象环境条件基础上，选取EC模式和WAF模式等渤海边界层气象要素格点资料，用2012—2013年7—8月同步74组的海洋物理、化学、生物监测值和水文气象监测值，确定赤潮可预测因子并建立试验模型。

2赤潮发生的气象环境条件分析

最新科研成果所达成初步共识为：①营养盐的含量，把海水营养盐的变化对赤潮生物生长影响规律作为基本条件；②水动力条件，赤潮生物本身的移动范围是有限的，赤潮生物分布、聚集和分散直接受到潮流动力影响；③气象条件，降水、气温、光照、风向风速等与赤潮形成、发展、维持和消失密切相关。其中气象环境条件是赤潮发生→发展→消亡的主要因素之一。赤潮的发生是小概率事件，是一个中尺度系统预报与海洋生态学、气象学、海洋动力学互相关联的复杂学科，对已经发生的赤潮事件用单一学术观点难以说明其机理，因此，深入研究赤潮发展的气象环境条件，对提升秦皇岛海洋赤潮灾害监测、预测能力建设具有重要的现实意义。

2.1基本气象环境条件

利用2004—2013年Micaps 3.2环渤海地面分析和探空，以及沿海唐山、沧州、秦皇岛（5个监测站）7个海岸带气象6要素监测站同步资料，对入选的26例赤潮过程（表1）气象环境背景场进行分析。

结果发现，赤潮发生面积小于100 km2的典型组合个例中，时间段一般为5、9月，持续时间3～7 d（特例大于10 d，但面积分散），赤潮发生前7 d环渤海地区地面维持均压场状态，最高气温26～32 ℃，相对湿度76%～88%，平均风速2～3 m/s，平均日照时数7～9 h；赤潮发生后1～2 d环渤海地区地面维持“弱高压区”均压场状态，最高气温30～33 ℃，相对湿度81%～88%，平均风速1～2 m/s，平均日照时数7～8 h。

赤潮发生面积小于1 000 km2的典型组合个例中，时间段一般为5、9月，持续时间3～10 d（特例大于30 d，但面积分散），赤潮发生前7 d环渤海地区地面维持“弱高压”均压场状态，最高气温26～30 ℃，相对湿度71%～86%，平均风速1～2 m/s，平均日照时数7～9 h；赤潮发生后1～3 d环渤海地区地面维持“低压区”均压场状态，最高气温30～33 ℃，相对湿度80%～88%，平均风速1～2 m/s，平均日照时数7～8 h。

河北海域赤潮发生面积大于1 000 km2的典型组合个例中，时间段为6—8月，持续时间7～15 d，赤潮发生前7 d环渤海地区地面维持弱均压场状态，最高气温29～34 ℃，相对湿度75%～85%，平均风速1～2 m/s，平均日照时数6～9 h；赤潮发生后1～2 d环渤海地区地面维持“低压区”均压场状态，最高气温30～33 ℃，相对湿度80%～88%，平均风速1～2 m/s，平均日照时数7～8 h。

安徽农业科学2017年

2.2赤潮发展过程气象因素控制

2.2.1初始期。

秦皇岛近海至海岸线内具有一定数量的赤潮生物种（夜光藻等或胞囊），海洋与环保部门监测水环境各种物理、化学接近或达到赤潮主要物种生长繁殖的临界值；气象部门预测：近3～5 d秦皇岛近海地区维持弱均压场状态，最高气温28～33 ℃，相对湿度76%～86%，平均风速1.6～2.7 m/s，风向W-SW，平均日照时数5～9 h，1～2次降水过程，降水量90～130 mm。

2.2.2发展期。

一般称为赤潮的形成期。当秦皇岛近海海域内的某种赤潮生物种群有了一定个体数量时，海洋部门监测的水环境各种物理、化学达到或超过赤潮主要物种生物生长、繁殖的临界值，赤潮生物进入指数增殖期；赤潮发生后1～2 d环渤海地区地面维持均压场状态，海岸带最高气温31～34 ℃，相对湿度88%～91%，平均风速1～2 m/s，风向W-SW，平均日照时数8～9 h，无强对流和海上短时大风天气。

2.2.3维持期。

时间的长短取决于水体的物理稳定性和各种营养盐的富有程度，以及当营养盐被大量消耗后补充的速率和补充量。气象与水文条件为：海区风平浪静，水体垂直混合与水平混合偏弱，维持赤潮聚合体相对稳定；近海监测的海水环境各种化学、物理指标維持赤潮主要物种生物生长的临界值，赤潮发生后1～3 d渤海西部地区地面维持“低压区”均压场状态，最高气温29～31 ℃，相对湿度82%～87%，平均风速1.4～2.4 m/s，平均日照时数6～7 h，海上无短时强对流和大风天气。

2.2.4消亡期。

消亡期是指赤潮现象消失的过程。近2～3 d 海洋部门监测的水环境各种物理、化学赤潮主要物种生物生长、繁殖的临界值呈下降趋势；未来1～3 d有系统性暴雨、海上大风及强对流灾害天气等，引起赤潮营养盐消耗殆尽，赤潮聚合体被风浪及强降水切割、扩散，未来3～5 d环渤海地区地面维持“次天气尺度高压场”，最高气温25～26 ℃，平均风速3.1～4.1 m/s，风向E-NE，平均日照时数6～7 h。水体稳定性差或因营养盐未能得到及时补充，赤潮现象将迅速消失。

2.3气象环境条件对赤潮发展过程的影响

2.3.1

气象环境条件的双重效应。在已经发生赤潮的条件下强降水天气的双重效应：一是海上暴雨、强对流冰雹、短时大风可能快速淡化赤潮生物浓度、分割聚合体；二是海岸带地区暴雨加大各河道向近海污染排放量并激发近海底排污口氮、磷等沉积物元素混合到表层海面，导致营养盐含量偏高，使赤潮维持或加重。

2.3.2

偏西风对赤潮发展的影响。由于秦皇岛海岸带为东北—西南向，偏西风为离岸风，起到降低近海风浪波峰作用。因此，偏西风对赤潮发展或维持效应为降低外海向岸区的涌浪，并对秦皇岛海区表层水温增温。在最新的一些科研报告中一直把太阳辐射增温作为赤潮环境的主要因素之一，忽略海岸带边界层偏西风平流增温因素分析，即在多云的天气条件下要大于辐射增温的监测事实。

3赤潮预测方法试验

近年来最新成果显示，赤潮监测、预测是综合防治的基础工作，是环境、海洋与气象交叉的前沿科学，与气象学一个中尺度系统预报类似，难度较大，赤潮的发生是小概率事件。针对赤潮样本个例相对偏少，预测区域为中小尺度及生态学因子无量纲等目前共性难点问题，预测模型将采用专家系统应用技术和分级概率加法模型；降低预测试验的空报率，改进赤潮预测方法单一学科因子常规数理统计模型，在试验过程中可随时加入新的预测因子；在日照因子选取方面将突破2～3 d的可能性，预测因子0～24 h选用WRF模式产品，48～72 h用EC模式850～500 hPa湿度与风场叠加格点值代替，提升秦皇岛近海赤潮潜势预测的能力和水平。

3.1预测因子选取

侧重于秦皇岛海区赤潮发生前后的环渤海岸区海区风场、温度、日照强度与海区强降水等气象环境要素。对环渤海地面—海区赤潮发生日08：00—20：00 850 hPa截图，气象背景场分析3维空间影响系统基本配置；比对历年赤潮发生日前7 d与后3 d的秦皇岛海岸带区域7个监测站日照强度、最大平均风向、平均最高气温、风速资料；评估同步个例海岛站、浮标站日最大平均风速、风向及平均最高气温；归纳出气象要素分级值、预报对应关系。

采用大连、乐亭、锦州3个气象探空站及物理量场等资料，结合EC和WRF数值产品10 m风场与温度场格点资料叠加，提供气象环境预测条件因子。叠加海洋动力及赤潮生态因子，建立0～24和48～72 h赤潮潜势预测方法；由于赤潮样本个例相对偏少，在研究过程中需要加入新的预测因子，采用目前比较成熟的环境预测方法及概念模型。初步试验拟合个例20个，试报个例2013年5—8月。其中，日照0～24 h预测代替因子用WRF模式产品，36～72 h预测因子用EC模式500～700 hPa湿度与风场叠加值代替。海区营养盐浓度潜势因子，重点将赤潮发生前后的岸区各主要河流暴雨污染物排放量作为诊断；消空因子，主要评估强对流降水、暴雨、大风天气等气象条件对赤潮区域削减和降温作用；日照因子来自晴空天气条件下沿西海岸带的偏西风对近海增温及削浪作用。

3.2赤潮预测模型试验

3.2.1资料处理及说明。

将秦皇岛近海海区赤潮2004—2013年5—8月各类不同的数值产品检验结果中的分级要素频数转换成概率值，气象同步要素场为20：00—次日20：00该区域沿海5个测站资料。环境场资料来自于本地44个区域气象观测站。其中，图表时次为08：00和20：00，取值区域38°～41°N、115°～122°E。预测因子分为4个量级，各因子独立取值分为3～5个级别。日照因子按季节概率值划分，选取抚宁、昌黎及北戴河3个代表站资料，取值分为3～5个级别。入选赤潮过程个例26个，2012—2013年预测试验个例6个（次）。预测级别定义为：0无赤潮发生；1赤潮可能性小；2赤潮发生可能性较大；3赤潮发生可能性最大或已经发生。

3.2.2预测因子转换概率值。

根据气象概率统计原理，对于彼此独立的赤潮环境数值产品预测因子，互斥的海洋、气象及环保预测量级（因子分级），可将频数分配概率P做近似转换，也可转换成计数值（表2）。

3.2.3 基本模型。

首先，将赤潮预测对象划分为m个等级或m个预报对象，采用多种环境预测方法或n个因子。记Pij为i种方法对第j等级的频率预报值，则有：Pij=（Pi1，Pi2，…，Pim），i=1，2，…，n。利用数值产品资料统计得到每种方

法的实际预报准确率为Wi，其中i=1，2，…，n，则Bj=ni=1WiPij，取ni=1Wi=1，则Bk=MAX（Bj），所对应等级为m个预报对象第j个综合结果。例如，设预测对象B分为4级（无、1、2、3），用3种产品做3次预测，具体试验初始数据和案例见表3。

3.3预测试验

3.3.1海洋生物、物理、化学因子集成试验。

将表1中赤潮个例2004—2013年5—8月同步资料中取出20个样本个例，利用2013年7—8月同步（34组）海洋物理、化学、生物监测值（表2），采用同步资料叠加分析，提炼出5个预测因子（4个级别），按上述模型进行分级概率加法模型试验，集成结果为：1级15次、2级10次、3级9次，预测赤潮（3级）发生的次数明显偏多。其中，74组数据源来自河北海洋局、环保局、海洋水产研究院等赤潮监测单位。

3.3.2预测因子改进方案。

关于赤潮发生发展的机理至今尚无标准定论，但赤潮发生的基础条件之一是赤潮生物增殖要达到一定的密度，否则，尽管其他海洋与气象环境因子都适宜，也不会发生赤潮，在一般的理化环境条件下，赤潮生物在浮游生物中所占的比重并不大，如鞭毛虫类（或甲藻类）还是一些鱼虾的食物，但由于气象环境条件的维持，促使某些赤潮生物优势物种过量繁殖，加速近海赤潮大面积的形成。

由于海洋、环保、气象部门监测系统各自独立，多数赤潮的发生时间为已经发生后的1～3 d，因此，同步气象资料一般取上报日期前7 d，预测方法研究局限于常规的科研方式。相关优势物种是否来自辽宁北部海域、天津海域，目前监测能力难以说明，赤潮预测的气象环境、海洋物理、海洋化學、水文等预测因子匹配是否合理，不确定性因素较多。

4结论与讨论

（1）渤海地理环境特征不同，赤潮有害种类时空尺度分布不均，形成机理有待于进一步探讨，但对赤潮的发生是各种物理、化学、生物等综合因素作用的结果已达成共识。气象环境条件是赤潮发生→发展→消亡的新因素之一。

（2）秦皇岛近海海域赤潮发生面积大于1 000 km2的典型个例中，时间段为6—8月，持续时间7～15 d，赤潮发生前7 d环渤海地区地面维持弱均压场状态，最高气温30～34 ℃，相对湿度78%～88%，平均风速1～2 m/s，平均日照时数6～8 h；赤潮发生后1～2 d环渤海地区地面维持均压场状态。

（3）强降水天气及离岸风场对赤潮发展过程的影响：在已经发生赤潮的条件下，降水因子起到2个效应，即海上强对流冰雹、短时大风可能快速淡化赤潮生物浓度、分割聚合体；暴雨加大各河道向近海污染排放量并激发近海底排污口氮、磷等沉积物元素混合到表层海面，导致营养盐含量偏高，使赤潮维持或加重；偏西风效应：降低外海向岸区的涌浪，对该海区表层水温增温。

（4）单一的海洋生物、物理、化学因子集成预测赤潮发生的空报次数偏多，叠加气象环境预测因子空报次数明显下降。由于海洋、环保、气象部门监测系统各自独立，海洋物理化学与气象水文等预测因子是否匹配合理及预测模型的设定不确定性因素较多，如何加强不同学科密切合作、资料共享，有效提升环渤海赤潮监测预测能力，尚需进一步研究。

参考文献

[1] 许小峰，顾建峰，李永平.海洋气象灾害[M].北京：气象出版社，2009：141-147.

[2] 高波，邵爱杰.我国近海赤潮灾害发生特征、机理及防治对策研究[J].海洋预报，2011，28（2）：68-77.

[3] 张洪亮，张爱君，窦月明，等.渤海海区赤潮发生特点的研究[C]//中国海洋学会赤潮研究与防治专业委员会.中国赤潮研究与防治（一）.北京：海洋出版社，2005：72-77.

[4] 钱宏林，刘康富，曾浓绥.广东沿海的赤潮生物与赤潮研究[C]//中国海洋学会赤潮研究与防治专业委员会.中国赤潮研究与防治（一）.北京：海洋出版社，2005：8-15.

[5] 韩笑天，邹景忠，张永山.胶州湾赤潮生物种类及其生态分布特征[J].海洋科学，2004，28（2）：49-54.

[6] 王颢，石晓勇，张传松，等.2004年春季东海赤潮高发区COD分布及其与赤潮关系的初步研究[J].海洋科学，2008，32（12）：82-86.

[7] 韦桂秋，王华，蔡伟叙，等.近10年珠江口海域赤潮发生特征及原因初探[J].海洋通报，2012，31（4）：466-474.

[8] 安鑫龙，李志霞，齐遵利，等.河北省沿海赤潮的成因及调控对策研究[J].安徽农业科学，2009，37（2）：718，731.

[9] 张万磊，张永丰，张建乐，等.北戴河赤潮监控区环境质量状况分析[J].河北渔业，2012（7）：13-16，68.

[10] 张春桂，任汉龙，吴幸毓，等.福建沿海赤潮灾害气象预报[J].气象科技，2010，38（2）：253-258.

[11] 陈淑琴，黄辉.赤潮发生规律及气象条件[J].氣象科技，2006，34（4）：478-481.