王文娟 宋巍 鄭小羅 黃冬梅 朱建鋼 魏新宇

(1上海海洋大學(xué)信息學(xué)院, 上海 201306；2農(nóng)業(yè)部漁業(yè)信息重點實驗室, 上海 201306；3中國極地研究中心, 上海 200136)

提要 極地海洋環(huán)境評價對于極地海洋生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)尤為重要。由于對極地極端惡劣環(huán)境的監(jiān)測能力不足,缺乏長期連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù), 極地海洋環(huán)境評價變得異常困難。針對目前極地海洋環(huán)境評價目標(biāo)和評價因子均缺乏的情況, 在已有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上, 本文提出了海水表層葉綠素濃度、海冰覆蓋范圍、海水表層溫度和鹽度四個極地海洋環(huán)境決定因子, 分析了海冰覆蓋范圍與月份之間高度擬合的三次多項式分布關(guān)系, 并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了極地海洋環(huán)境評價模型, 最后提出了一種驗證該模型的方法?；诘?0、31、32次南極科考獲取的海水表層葉綠素濃度、溫度、鹽度數(shù)據(jù)以及美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心提供的對應(yīng)時間內(nèi)的海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)對提出的評價模型和方法進(jìn)行了驗證, 實驗結(jié)果表明: 該評價模型及其驗證方法具有有效性, 根據(jù)評價結(jié)果能判定某個時間段內(nèi)極地海洋環(huán)境相對于基準(zhǔn)時間的變化趨勢。

0 引言

海洋環(huán)境是一個多輸入多輸出的動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng), 具有不確定性和模糊性[1]。海洋環(huán)境評價是指通過測量海洋各水質(zhì)指標(biāo)對海水的水質(zhì)等級進(jìn)行綜合評判, 從而確定受評海域是否被污染, 為海洋生物保護(hù)以及海域景觀管理與決策提供依據(jù)[2]。目前, 國內(nèi)外關(guān)于水體評價研究的方法很多, 包括早期的單因子指數(shù)法[3-4]、綜合指數(shù)法[5-6]、分級評價法[7-9]等, 以及近期的模糊理論[9-11]、灰色系統(tǒng)理論[12-13]、投影尋蹤模型[14]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]、逐步判別分析[15]等。然而, 海洋水體物質(zhì)成分眾多, 海洋水質(zhì)評價需要多年積累的連續(xù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù), 因此這類海洋環(huán)境質(zhì)量評價研究多集中在數(shù)據(jù)相對比較容易獲取的近岸海域。鑒于極地環(huán)境惡劣, 常年被冰川和積雪覆蓋, 除了夏季以外近岸多以海冰的形式存在, 極地海洋環(huán)境的評價尤為困難。隨著人類對極地探索的加深以及全球環(huán)境變化對極地的影響, 極地海洋環(huán)境也發(fā)生著重大變化, 進(jìn)一步研究極地海洋環(huán)境的質(zhì)量對于探索和保護(hù)極地海洋生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。

目前極地海洋環(huán)境方面的研究十分有限, 主要關(guān)注于極地海洋生物成分構(gòu)成和習(xí)性研究[16-20],海冰變化研究[21-24], 以及大氣及周邊環(huán)境對極地海洋的影響研究等方面[21-22,25-27]。同時, 相關(guān)學(xué)者和國際組織在極地綜合環(huán)境測評, 特別是人文環(huán)境影響方面做出了一些探索[28-30]。1998年生效的《關(guān)于環(huán)境保護(hù)的南極條約協(xié)議書》規(guī)定了各國開展諸如人類活動強(qiáng)度與規(guī)模、環(huán)境影響、環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀與南極環(huán)境背景值調(diào)查等南極環(huán)境科學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)[28], 旨在通過有效措施來規(guī)范人類的南極活動和保護(hù)南極環(huán)境及其依附的相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)。但是, 基于綜合指標(biāo)的極地海洋環(huán)境評價研究目前還處于空白領(lǐng)域。

是否可以借鑒近岸海洋環(huán)境評價方法來評價極地海洋環(huán)境呢？答案是否定的。極地海洋環(huán)境與近岸海洋環(huán)境相比, 差異較大。首先, 海水特性及生態(tài)系統(tǒng)不同。極地極端天氣下海冰是高緯度海洋中海水的一種重要存在形式, 少數(shù)情況可形成固定冰；微微型(粒徑＜2 μm, autotrophic pico-flagellate, APF)和微型浮游植物(粒徑2—20 μm,autotrophic nano-flagellate, ANF)是極地海洋水體中生物量和生產(chǎn)量的重要貢獻(xiàn)者[16,31-32]。其次,近岸海洋環(huán)境評價具有非常明確的評價因子和評價目標(biāo)。比如在我國1998年實施的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB3097-1997中, 按照海域的不同使用功能和保護(hù)目標(biāo), 明確將海水水質(zhì)分為四類, 并規(guī)定了四類水質(zhì)對應(yīng)的各種環(huán)境評價因子的數(shù)值范圍, 為近岸海洋環(huán)境評價提供了非常明確的評價目標(biāo)。目前國內(nèi)很多海洋環(huán)境評價模型的評價因子均是這個海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的子集[1-2,15]。然而, 由于極地海洋研究的局限性, 還沒有任何一個國家或組織制定過類似的極地海洋水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 這大大增加了極地海洋環(huán)境評價的難度。要解決這個問題, 既要想辦法確定極地海洋環(huán)境的評價因子, 也要想辦法構(gòu)建評價目標(biāo)。最后, 由于人類活動多集中在近海岸, 近岸海洋數(shù)據(jù)的監(jiān)測和獲取相對容易,而極地海洋數(shù)據(jù)獲取, 尤其是長時間連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取在世界范圍內(nèi)都是一個難題。

本文的目的是初步探索極地海洋環(huán)境評價的理論與方法, 包括探究極地海洋環(huán)境的評價目標(biāo)和關(guān)鍵影響因子, 構(gòu)建初步的評價模型, 并提出極地海洋環(huán)境評價模型的驗證方法等, 其研究結(jié)果將進(jìn)一步推動極地海洋環(huán)境研究的發(fā)展。

1 方法

1.1 極地海洋環(huán)境評價的關(guān)鍵指標(biāo)

如上文所述, 目前尚未有通用的極地海洋環(huán)境評價因子和評價目標(biāo)。本文通過對現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行深度分析, 在極地海洋環(huán)境評價目標(biāo)不清晰的情況下, 將海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡性作為環(huán)境評價的重要目標(biāo)。因此, 在探索評價因子時, 聚焦與極地海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡性有強(qiáng)相關(guān)性的因素。同時,考慮到極地環(huán)境的特殊性, 所選擇的環(huán)境評價因子必須是在極地考察站或在極地考察活動中容易測量和獲取的數(shù)據(jù)[28]。

1.1.1 海水表層葉綠素濃度

海水中葉綠素的含量能夠代表海洋中浮游植物的現(xiàn)存量, 因此葉綠素的含量被認(rèn)為是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要影響因素之一[33]。很多極地海洋研究學(xué)者將海水表層葉綠素濃度作為極地海洋生態(tài)系統(tǒng)是否平衡的重要指標(biāo)之一, 并試圖通過分析其濃度范圍來確定極地海洋浮游生物的含量及其變化趨勢[16,20,34-41]。

李慧蓉等[33]利用 2014年夏季中國第 6次北極科考獲得的連續(xù)海水表層葉綠素濃度、溫度和鹽度數(shù)據(jù), 測試出白令海至楚科奇海海域葉綠素濃度平均值為 1.166 mg·m–3, 變化范圍為 0.06—8.283 mg·m–3, 并用海水中葉綠素含量代表浮游植物的現(xiàn)存量, 分析了浮游植物生長狀況與海水表層溫度和鹽度的相關(guān)性。羅光富等[34]用葉綠素濃度代表浮游植物的生物量, 并基于該理論使用2010—2011年夏季南極長城灣監(jiān)測的數(shù)據(jù)驗證了海水表層葉綠素濃度與水體流速之間存在顯著的負(fù)相關(guān)。張芳等[16]利用 2008年中國第三次北極科學(xué)考察的機(jī)會, 分析了夏季楚科奇海微微型、微型浮游植物和細(xì)菌豐度的分布特征, 并通過實驗數(shù)據(jù)分析得出三種生物均與海水中葉綠素濃度成顯著性相關(guān), 葉綠素是微微型浮游植物的主要組成成分和初級生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者。崔世開等[20]在測試北極黃河站附近的王灣海域浮游植物對光照和鹽度變化的適應(yīng)性研究中, 也將表層葉綠素濃度作為浮游植物群落生長速率的量化標(biāo)準(zhǔn)。此外, Boyce等[38]通過歷史數(shù)據(jù)實驗證明了葉綠素濃度對海洋微生物生態(tài)環(huán)境具有重要指導(dǎo)意義, Meiners等[39]也基于歷史數(shù)據(jù)分析了南大洋葉綠素含量變化, 據(jù)此來反映南大洋海冰生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀, Ryan等[40]研究在海冰融化過程中葉綠素的變化, 進(jìn)而反映海冰生態(tài)環(huán)境的變化, Moore等[41]通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)對南大洋海水表層葉綠素的含量進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測, 獲取了南大洋海水表層葉綠素含量的季節(jié)特性和空間特性, 并以此反映南極海洋生態(tài)環(huán)境的變化特性。綜上所述, 將海水表層葉綠素濃度作為擬構(gòu)建的極地海洋環(huán)境評價模型的決定因子是具有理論依據(jù)的, 并且通過熒光儀, 葉綠素濃度是比較容易連續(xù)監(jiān)測和獲取的數(shù)據(jù)。

1.1.2 海冰覆蓋范圍

隨著全球氣候變暖, 極地環(huán)境的研究逐漸受到重視, 其中大氣環(huán)境對極地海冰覆蓋范圍的影響是一個持續(xù)研究熱點[21-22,25-27]。近年來, 國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注海冰覆蓋范圍的變化對極地海洋生態(tài)環(huán)境的影響。

王桂忠等[23]通過深度分析國內(nèi)外文獻(xiàn)總結(jié)出, 北冰洋海冰覆蓋面積從20世紀(jì)70年代開始迅速下降、冰層變薄、水溫升高、淡水輸入增加、臭氧層和重金屬等污染加劇, 正威脅著現(xiàn)有與海冰關(guān)系密切的生態(tài)系統(tǒng), 并預(yù)測與海冰相關(guān)的食物鏈將在部分海域消失并被較低緯度的海洋生物物種所取代, 而北極熊和海象等大型海洋動物的生存也面臨極大挑戰(zhàn)。何劍鋒等[19]系統(tǒng)分析了北冰洋海域微食物環(huán), 對其主要類群的基本生態(tài)特征及各類種群間的相互關(guān)系做了分析, 同時指出近年來海冰覆蓋面積迅速減少會對微食物環(huán)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生重大影響, 進(jìn)而影響整個極地海洋生態(tài)系統(tǒng)。Legendre等[17]認(rèn)為海冰覆蓋范圍與生態(tài)系統(tǒng)密切相關(guān), 海冰支持了一個極富生產(chǎn)力的海冰生物群落。Melnikov等[18]通過實驗分析了海冰覆蓋范圍的變化與海冰生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性。Vincent[24]通過歷史觀測數(shù)據(jù)驗證了海冰覆蓋范圍變化對極地海洋微生物生態(tài)系統(tǒng)具有一定的破壞力。因此, 將海冰覆蓋范圍作為極地海洋環(huán)境評估模型的一個決定因子具備充足的理論依據(jù)；同時, 連續(xù)的海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)可以通過衛(wèi)星獲取并免費(fèi)下載使用, 將海冰覆蓋范圍作為評估模型的一個決定因子具備可行性。

此外, 陳靜和陸志波[22]從美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心(National Snow and Ice Data Center)獲取了南大洋區(qū)域1978年11月—2013年12月逐月海冰覆蓋范圍的衛(wèi)星數(shù)據(jù), 并在此基礎(chǔ)上分析南大洋海冰范圍的變化趨勢, 其研究結(jié)果顯示南大洋海冰覆蓋范圍整體呈現(xiàn)小幅度增加趨勢, 而且南大洋海冰覆蓋范圍呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性, 不同月份海冰范圍差異很大。南大洋海冰范圍最小值出現(xiàn)在2月份, 多年平均值為3.13×106km2, 最大值出現(xiàn)在9月份, 多年平均值為18.9×106km2[22,42], 2月到 9月之間隨著氣溫降低, 海冰覆蓋范圍由小到大逐漸變化, 9月到次年2月之間, 隨著氣溫升高,海冰覆蓋范圍由大到小逐漸變化。沈校熠等[43]通過對 2002—2011年南極海冰時空遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析, 揭示出了相似的規(guī)律, 即海冰覆蓋范圍夏季2月份最低, 最低值為2.03×106km2(2006年 2月 21日), 冬季 9月份最高, 歷年最大值為19.8×106km2(2005年9月26日), 雖然每年的海冰覆蓋范圍變化幅度不一, 但南極各海區(qū)海冰范圍季節(jié)變化特征幾近相同。因此, 在擬構(gòu)建的極地海洋環(huán)境評價模型中, 需要將月份與海冰覆蓋范圍之間的函數(shù)關(guān)系包含在內(nèi)。

1.1.3 海水表層溫度和鹽度

海水表層溫度和鹽度是極地海洋環(huán)境決定因子中比較容易獲取的數(shù)據(jù), 也是極地海洋研究的熱點之一。海水表層溫度和鹽度不僅對極地海洋生態(tài)系統(tǒng)有直接影響, 還與影響極地海洋生態(tài)系統(tǒng)的其他兩大要素—— 海水表層葉綠素濃度和海冰覆蓋范圍有強(qiáng)相關(guān)性[16,20,22-24,33,40,43-44]。陳靜和陸志波[22]發(fā)現(xiàn)表層溫度對海冰覆蓋范圍有直接影響, 夏季溫度高時海冰覆蓋范圍小, 冬季溫度低時海冰覆蓋范圍大, 溫度的變化對于極地海洋生物的種類有重要影響。王桂忠等[23]的研究表明表層溫度升高會造成海冰覆蓋范圍減小, 進(jìn)而直接影響極地海洋生態(tài)系統(tǒng)。沈校熠等[43]通過分析南極海冰近10年遙感時空數(shù)據(jù)揭示出2002年7月—2011年6月逐月海冰覆蓋范圍與逐月氣溫存在著明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。Vincent[24]的研究也表明溫度的變化可能會造成極地海洋微生物生態(tài)系統(tǒng)的種群發(fā)生變動。在極地海洋生物的適應(yīng)性相關(guān)研究領(lǐng)域, 學(xué)者普遍將海水表層葉綠素濃度、溫度和鹽度作為重要考量指標(biāo), 其中文獻(xiàn)[16,20,33,40,45-47]等均揭示出表層溫度和鹽度對于極地海洋生物生態(tài)環(huán)境有晴雨表的作用, 一旦溫度過高或鹽度過低均會對原來的生態(tài)系統(tǒng)造成破壞, 造成生物種群的變化。因為尚缺少可信的數(shù)據(jù), 表層溫度、鹽度、葉綠素濃度和海冰覆蓋范圍之間關(guān)聯(lián)很難進(jìn)行量化, 因此擬構(gòu)建的極地海洋環(huán)境評價模型將海水表層溫度和鹽度, 同表層葉綠素濃度和海冰覆蓋范圍一起作為環(huán)境決定因子。

1.2 評價模型的構(gòu)建

目前極地海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡性沒有既定的標(biāo)準(zhǔn), 本文在分析極地海洋生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵影響指標(biāo)的基礎(chǔ)之上, 構(gòu)建了極地海洋環(huán)境評價模型PEAM (Polar Environmental Assessment Model),模型公式如下:

其中, 海水表層葉綠素濃度 α, 海冰覆蓋范圍 β,海水表層溫度T和海水表層鹽度S這四個極地海洋環(huán)境影響因子的權(quán)重分別為K1, K2, K3, K4。由于海水表層溫度T和鹽度S的綜合影響在其他兩個因子中得到反映, 因此這里不考慮將其作為獨(dú)立參變量。為了反映海冰覆蓋范圍隨時間的變化,β(t)定義為海冰覆蓋范圍與月份t之間的函數(shù)依賴關(guān)系, 需進(jìn)一步根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行推導(dǎo)。

1.3 評價模型的驗證方法

由于缺乏國際標(biāo)準(zhǔn)和長期數(shù)據(jù), 對公式(1)中的極地海洋環(huán)境評價模型的驗證變得異常困難。最主要的問題是如何確定 PEAM 的目標(biāo)基準(zhǔn)(或評估值域)。因此, 本文擬提出一種對上述PEAM假設(shè)模型進(jìn)行驗證的理論方法, 其基本思路為:以某一相對基準(zhǔn)來評價環(huán)境變化趨勢。具體流程如下:

1.確定極地海洋環(huán)境評價目標(biāo)的基準(zhǔn)。因為沒有通用的評級標(biāo)準(zhǔn)和長期的歷史數(shù)據(jù), 本項目擬采用某一個時間段內(nèi)的環(huán)境評價因子數(shù)據(jù)作為對比基準(zhǔn), 例如, 取2015年3月的南極周邊海域表層葉綠素濃度、海冰覆蓋范圍、表層溫度和鹽度的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù), 令假設(shè)模型PEAM的結(jié)果為1;

2.利用觀測到的四個環(huán)境因子的數(shù)據(jù), 經(jīng)過多元線性回歸訓(xùn)練, 計算出假設(shè)模型中的決定因子的參數(shù)K1, K2, K3, K4;

3.選取基準(zhǔn)年之后的年份的同一個時間段(比如2017年3月)觀測到的四個環(huán)境因子數(shù)據(jù), 將其代入假設(shè)模型計算模型結(jié)果a (a≥1或a≤1);

4.選取基準(zhǔn)年之前的年份的同一個時間段(比如2013年3月)觀測到的四個環(huán)境因子數(shù)據(jù), 將其代入假設(shè)模型計算模型結(jié)果a (b≥1或b≤1);

5.根據(jù)步驟3和步驟4的計算結(jié)果確定模型計算結(jié)果數(shù)值大小與極地海洋環(huán)境變化趨勢之間的關(guān)系。

根據(jù)步驟3和步驟4計算出來的a和b的值大于1或小于1的情況, 代入基準(zhǔn)年份之前或之后的某個時間點的四個環(huán)境因子數(shù)據(jù)到假設(shè)模型PEAM并計算其結(jié)果, 根據(jù)模型計算值跟1的比較情況, 可以推斷出所驗證的時間點極地海洋環(huán)境的變化趨勢。如果步驟3和步驟4計算結(jié)果為a＜1, 同時 b＞1, 代入新的驗證數(shù)據(jù)之后模型計算結(jié)果為小于 1的數(shù)值, 則說明驗證的時間點極地海洋環(huán)境有惡化的趨勢, 反之, 說明環(huán)境有改善趨勢；如果步驟 3和步驟 4計算結(jié)果為 a＞1, 同時 b＜1, 代入新的驗證數(shù)據(jù)之后模型計算結(jié)果為小于 1的數(shù)值, 則說明驗證的時間點極地海洋環(huán)境有改善的趨勢, 反之, 說明環(huán)境有惡化趨勢。

假設(shè)選取了任意一個時間點的四個環(huán)境因子的數(shù)據(jù), 代入假設(shè)模型PEAM計算出的結(jié)果為x, 即

不管步驟3和步驟4計算結(jié)果為a＜1同時b＞1,還是 a＞1同時 b＜1, 極地海洋環(huán)境惡化或改善的程度均為

以上是針對目前極地海洋環(huán)境評價因子和評價目標(biāo)不確定情況提出的一種驗證極地海洋環(huán)境評價模型PEAM的理論方法, 可以計算出極地海洋環(huán)境變化的趨勢和程度, 為保護(hù)極地海洋生態(tài)系統(tǒng)提供量化依據(jù)。

2 實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)介紹

為檢驗以上極地海洋環(huán)境評價理論模型和驗證方法, 本文進(jìn)行了相關(guān)實驗。我們從中國極地研究中心獲取了第30、31、32次南極科考時的極地海洋環(huán)境實測數(shù)據(jù), 包括表層溫度、鹽度、葉綠素濃度等指標(biāo)。這三次南極科考分別發(fā)生于2013、2014、2015年的相近月份, 從當(dāng)年的 11月末到次年的 3月上旬, 符合本實驗對觀測數(shù)據(jù)時間方面的要求。三次科考數(shù)據(jù)測量的是南極普里茲灣海域海水表層水文觀測數(shù)據(jù), 其中溫度(T)和鹽度(S)數(shù)據(jù)由海鳥SBE 911 plus CTD直接獲得, 葉綠素濃度(α)用唐納熒光儀進(jìn)行測定。本文南極站點測量的普里茲灣區(qū)域緯度范圍為 64°S—70°S, 經(jīng)度范圍為 68°E—78°E。此外, 我們從美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心下載了對應(yīng)時間和空間范圍內(nèi)南極的海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)[48]。獲取的具體實驗數(shù)據(jù)情況如表 1所示。因為海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)的最小單位是天, 而表層葉綠素濃度、溫度、鹽度的測量數(shù)據(jù)可以精確到分秒, 所以, 擬合度完好的四個極地海洋環(huán)境決定因子數(shù)據(jù)與海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)記錄數(shù)目保持一致, 以天為單位。

表1 數(shù)據(jù)記錄情況Table 1.Introduction of the data set

2.2 海冰覆蓋范圍與月份之間的函數(shù)依賴關(guān)系

為了研究海冰覆蓋范圍與月份之間的依賴關(guān)系,我們從美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心還下載了 2008—2017年 10年間的南極海冰覆蓋范圍逐月數(shù)據(jù)。根據(jù)2008—2017年南極海冰范圍統(tǒng)計分析(圖1), 最小值出現(xiàn)在 2月份, 10年平均海冰范圍分別為3.26×106km2, 最大值出現(xiàn)在 9月份, 平均值為18.73×106km2, 這與已有文獻(xiàn)[22,43]的結(jié)論基本一致。我們選擇三次多項式擬合數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行訓(xùn)練,因為三次多項式是一種光滑的樣條曲線, 可以用來逐段擬合數(shù)據(jù), 使得擬合曲線是光滑的。從圖1的實驗結(jié)果來看, 海冰覆蓋范圍與月份之間的依賴關(guān)系與三次多項式分布曲線擬合度非常高。

圖1 2008—2017年南極海冰范圍與月份之間的關(guān)系Fig.1.The relationship between the Antarctic sea ice extent and the month of the year 2008—2017

根據(jù)計算, 我們得到下面的海冰覆蓋范圍公式(3), 精度以R2測量達(dá)到0.974。

要消除月份帶來的影響, 在計算PEAM時需要對其按月份的影響進(jìn)行歸一化, 即將某一測量值SA除以(3), 即

2.3 極地海洋環(huán)境評價模型與方法的驗證

根據(jù) 1.3節(jié)提出的評價模型驗證方法, 我們首先來確定K1,K2,K3,K4這四個參數(shù)。以第31次南極科考期間 2月的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)(該月份觀測到的連續(xù)數(shù)據(jù)最多), 將2015年2月2日—2015年2月28日所收集到的24組四個環(huán)境決定因子數(shù)據(jù)對應(yīng)的PEAM值設(shè)置為1, 經(jīng)多元回歸, 得到:

四個參數(shù)確定后, 我們需要選擇基準(zhǔn)年之后和之前的同一時間段觀測到的四個環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在此, 我們進(jìn)一步計算2016年2月(第32次科考)和2014年2月(第30次科考)的PEAM均值, 計算結(jié)果如表2所示。2016年2月計算出的PEAM均值a為0.955, 2014年2月計算出的PEAM均值b為1.01, 模型計算結(jié)果符合a＜1, 同時b＞1。

表2 基準(zhǔn)年前后年份同一月份的PEAM均值Table 2.The PEAM mean of the same month of the year before and after the base year

最后, 我們將觀測數(shù)據(jù)相對較多的2016年3月(第32次科考)的10組數(shù)據(jù)代入假設(shè)模型PEAM并計算其結(jié)果 x的值為 0.96, 即說明相對于基準(zhǔn)2015年2月, 2016年3月的極地海洋環(huán)境有惡化的趨勢, 其環(huán)境惡化的程度為4%。

3 結(jié)論

本文初步探索了極地海洋環(huán)境評價模型與方法, 并基于第30、31、32次南極科考獲取的海水表層葉綠素濃度、溫度、鹽度數(shù)據(jù)以及美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心提供的對應(yīng)時間和空間范圍內(nèi)的海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù), 對提出的評價模型和方法進(jìn)行了驗證。

1.將海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡性作為極地海洋環(huán)境評估的重要目標(biāo), 從與極地海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡性具有強(qiáng)相關(guān)性和容易測量獲取的兩個維度, 選取了海水表層葉綠素濃度、海冰覆蓋范圍、海水表層溫度、海水表層鹽度四個環(huán)境評價決定因子。

2.已有文獻(xiàn)表明海冰覆蓋范圍與月份之間存在強(qiáng)關(guān)聯(lián), 通過對美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心提供的 2008—2017年逐月海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析, 發(fā)現(xiàn)海冰覆蓋范圍與月份之間存在著高度擬合的三次多項式分布關(guān)系。

3.在分析極地海洋生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵影響指標(biāo)的基礎(chǔ)之上, 構(gòu)建了極地海洋環(huán)境評價模型PEAM, 并提出了該評價模型的驗證方法, 即以某一相對基準(zhǔn)來評價環(huán)境變化趨勢。實驗結(jié)果表明, 該評價模型及其驗證方法具有有效性, 根據(jù)評價結(jié)果能判定某個時間段內(nèi)極地海洋環(huán)境相對于基準(zhǔn)時間的變化趨勢。

4.本文是對極地海洋環(huán)境評價理論和方法的初步探索, 實驗數(shù)據(jù)量比較小, 而且南極和北極海域的情況也存在差異, 需要收集更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。此外, 四個環(huán)境決定因子之間的內(nèi)部聯(lián)系也尚未做深入探究, 研究結(jié)果存在一定的局限性。