何恩業(yè) 季軒梁 高 姍① 趙 亮 王玉衡 李 云 楊 靜

(1. 國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081; 2. 天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院天津 300457)

自2007 年起, 每年4—8 月, 我國(guó)黃海中、南部海域都會(huì)暴發(fā)以滸苔為優(yōu)勢(shì)種的大規(guī)模綠潮災(zāi)害,因其災(zāi)害暴發(fā)周期長(zhǎng)、影響區(qū)域廣和致災(zāi)程度深受到廣泛關(guān)注。2008 年大量滸苔聚集青島海域, 對(duì)奧帆賽造成嚴(yán)重威脅; 2009 年山東因滸苔災(zāi)害導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失 6.41 億元; 2015 年黃海滸苔最大覆蓋面積達(dá)594 km2, 單青島市累計(jì)清理的滸苔就達(dá) 53.54×104t;2018 年山東省、江蘇省組織大量人力物力開展源頭防控、海上攔截和打撈處置等工作, 最終打撈滸苔共計(jì)18.7 萬余t (中華人民共和國(guó)自然資源部, 2008—2019;吉啟軒等, 2015; 陳磊等, 2018)。滸苔災(zāi)害除造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失外, 對(duì)生態(tài)平衡的破壞以及導(dǎo)致的環(huán)境污染問題也是不能忽視的問題之一。滸苔發(fā)展盛期,在生態(tài)位的競(jìng)爭(zhēng)中獲得巨大優(yōu)勢(shì), 改變了浮游生物群落結(jié)構(gòu), 削減了原始海域環(huán)境物種的多樣性; 消亡期的滸苔大量沉降、腐爛會(huì)消耗大量的溶解氧并產(chǎn)生毒素侵入底棲生態(tài)環(huán)境形成潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(吉啟軒等, 2015; 顏天等, 2018)。

近年來, 國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)黃海滸苔開展了多方面的研究, 如張浩(2013)論證了利用黃海南部2—3 月水溫變化來預(yù)測(cè)滸苔暴發(fā)規(guī)模的可行性; 董明帆等(2018)分析了滸苔暴發(fā)初期蘇北淺灘營(yíng)養(yǎng)鹽的變化規(guī)律和分布特征; 吉會(huì)峰等(2018)基于 MIKE3 模型對(duì)江蘇海域滸苔漂移擴(kuò)散進(jìn)行模擬; 趙昌等(2018)基于中國(guó)近海高分辨率三維MASNUM(marine science and numerical modeling)海浪-潮流-環(huán)流耦合海洋數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的GFS(Global Forecast System)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù), 建立滸苔漂移輸運(yùn)模式; 白雨等(2019)基于衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)研究了海表溫度、光照和降水在黃海滸苔生消各階段中的作用。這些研究方向主要集中在滸苔的生物學(xué)特性、滸苔暴發(fā)期間環(huán)境關(guān)鍵要素的變化規(guī)律及其響應(yīng)機(jī)制、綠潮的監(jiān)測(cè)和識(shí)別技術(shù)以及基于水動(dòng)力條件下的物理漂移過程模擬等, 而以水動(dòng)力學(xué)和生物、化學(xué)過程聯(lián)合作用下的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型鮮有預(yù)報(bào)研究和應(yīng)用。本研究是在考慮風(fēng)、流驅(qū)動(dòng)的漂移輸運(yùn)模型的基礎(chǔ)上, 增加了溫度、光照環(huán)境限制因子對(duì)滸苔生長(zhǎng)和消亡作用的生態(tài)模塊, 建立黃海滸苔綠潮生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型, 利用 CFSR (Climate Forecast System Reanalysis)和CGOFS (Chinese Global operational Oceanography Forecasting System)再分析數(shù)據(jù)(Kourafalou et al, 2015; 王輝等, 2016)以及CFS (Climate Forecast System products)預(yù)報(bào)場(chǎng)數(shù)據(jù), 結(jié)合衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)資料, 開展黃海滸苔綠潮漂移輸運(yùn)和生長(zhǎng)消亡過程2016 年數(shù)值模擬的敏感性實(shí)驗(yàn), 以及2019 年預(yù)測(cè)應(yīng)用研究, 為黃海滸苔綠潮災(zāi)害早期防控提供理論參考, 服務(wù)于海洋防災(zāi)減災(zāi)。

1 數(shù)據(jù)資料來源和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料來源

本文利用海面風(fēng)場(chǎng)、光照強(qiáng)度、表層海流和海表溫度再分析數(shù)據(jù), 對(duì) 2016 年黃海滸苔從暴發(fā)到消亡的全過程開展模擬, 選用衛(wèi)星遙感綠潮數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證, 率定模型參數(shù)。在此基礎(chǔ)上, 利用 2019 年 CFS預(yù)報(bào)場(chǎng)數(shù)據(jù), 對(duì)黃海滸苔的年度發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

黃海滸苔綠潮資料來源于 2011—2019 年《國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心綠潮遙感監(jiān)測(cè)通報(bào)》中發(fā)布的基于HY-1B/1C、Radarsat1/2、Aqua/Terra 和 GF 系列等多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)黃東海海域進(jìn)行的業(yè)務(wù)化綠潮遙感影像反演結(jié)果, 信息包含綠潮監(jiān)測(cè)的時(shí)間、覆蓋面積(km2)、分布面積(km2)和影響區(qū)域等, 衛(wèi)星遙感解譯區(qū)域范圍為 119°—125°E, 32°—38°N, 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)見表1。該數(shù)據(jù)用于分析歷年黃海滸苔災(zāi)害暴發(fā)的源地和時(shí)間, 以此確定模型投放滸苔粒子的初始位置和起報(bào)時(shí)間, 以及用于驗(yàn)證模式對(duì)滸苔粒子漂移輸運(yùn)的位置、時(shí)間、影響范圍和相對(duì)生物量等的模擬效果。

表層海流和海表溫度再分析數(shù)據(jù)來源于國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 CGOFS 的黃東海再分析數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)由ROMS(Regional Ocean Modeling System)模擬計(jì)算, 區(qū)域范圍為 114°—143°E, 22.3°—53.1°N, 水平分辨率為1/30°, 垂向30 層, 最小水深5 m, 時(shí)間分辨率1 h, 經(jīng)過衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)、海表溫度遙感數(shù)據(jù)、浮標(biāo)觀測(cè)等數(shù)據(jù)同化融合形成再分析數(shù)據(jù)集。海面風(fēng)場(chǎng)和光照強(qiáng)度再分析數(shù)據(jù)來源于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)的 CFSR 海上 10 m 風(fēng)場(chǎng)和太陽短波輻射全球數(shù)據(jù)(https://www.hycom.org/dataserver/ ncep-cfsr), 空間分辨率為1/3°, 時(shí)間分辨率6 h, 該數(shù)據(jù)是NCEP 第三代大氣-海洋-陸地-海冰耦合同化模擬系統(tǒng)的全球高分辨率再分析數(shù)據(jù)集。本文選取2016 年5—8 月CFSR海面風(fēng)場(chǎng)、CGOFS 表層海流作為漂移輸運(yùn)模塊的表層強(qiáng)迫場(chǎng), CGOFS 海表溫度、CFSR 光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)作為生態(tài)模塊中對(duì)滸苔生長(zhǎng)的限制因子。

表1 黃海滸苔衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)Tab.1 Information of the satellites used for monitoring Enteromorpha in the Yellow Sea

海面風(fēng)場(chǎng)、光照強(qiáng)度、表層海流和海表溫度的年度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)均來源于 CFS, 時(shí)間分辨率均為 6 h,預(yù)報(bào)時(shí)效為 9 個(gè)月 (https://nomads.ncdc.noaa.gov/modeldata/cfsv2_forecast_6-hourly_9mon_flxf/), 海面風(fēng)場(chǎng)和光照強(qiáng)度預(yù)報(bào)場(chǎng)的水平分辨率為190×384 全球格點(diǎn)數(shù)據(jù), 表層海流和海表溫度的水平分辨率為181×360 全球格點(diǎn)數(shù)據(jù)。本文選取2019 年5 月15 日—8 月31 日預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)2019 年黃海滸苔發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行年度預(yù)測(cè)。

1.2 黃海滸苔漂移輸運(yùn)和生長(zhǎng)消亡過程數(shù)值模式結(jié)構(gòu)和設(shè)置

該模式的構(gòu)建分為兩個(gè)模塊, 漂移輸運(yùn)模塊和生態(tài)模塊(圖 1)。漂移輸運(yùn)模塊采用拉格朗日粒子追蹤方法, 在海面風(fēng)場(chǎng)和表層海流的驅(qū)動(dòng)下計(jì)算滸苔粒子的漂移方向、漂移距離、漂移速度和分布區(qū)域等。生態(tài)模塊引入海表溫度和光照強(qiáng)度等環(huán)境因子影響下的滸苔生長(zhǎng)與死亡方程, 計(jì)算滸苔粒子相對(duì)生物量的增加或減少。

圖1 黃海滸苔漂移輸運(yùn)和生長(zhǎng)消亡過程數(shù)值模式Fig.1 The schematic of the Enteromorpha model (drift, life cycle) of the Yellow Sea

1.2.1 漂移輸運(yùn)模塊 黃海滸苔作為漂浮態(tài)大型藻類自身沒有運(yùn)動(dòng)能力(Zhao et al, 2015; 龐云龍等,2017), 風(fēng)場(chǎng)、表層流是影響黃海滸苔綠潮由南向北漂移的主要驅(qū)動(dòng)力(Bao et al, 2015; 王宗靈等, 2018)。高松等(2014)研究發(fā)現(xiàn)海面風(fēng)場(chǎng)與表層環(huán)流兩者決定了滸苔漂移路徑和影響區(qū)域; 張廣宗等(2018)對(duì)2011—2017 年南黃海海域滸苔進(jìn)行詳細(xì)分析, 得出其漂移路徑方向與海面風(fēng)的風(fēng)向高度一致?；谏鲜鲅芯? 本文中的漂移輸運(yùn)模塊參考李燕等(2010)、Lee等(2011)計(jì)算方法, 只考慮風(fēng)、流作用下滸苔粒子水平方向物理運(yùn)動(dòng)過程, 采用拉格朗日方法計(jì)算并分析滸苔漂移路徑和時(shí)空分布特征, 滸苔粒子運(yùn)動(dòng)方程如下:

其中, xi分別為滸苔粒子i 在t 時(shí)刻的位置; va、 vd分別表示流速和風(fēng)速; R1為海流經(jīng)驗(yàn)系數(shù), 由敏感實(shí)驗(yàn)率定, 滸苔發(fā)展盛期會(huì)受到重力、浮力、波浪和湍流等作用, 這將導(dǎo)致海流賦予滸苔的速度會(huì)有所下降; R2為風(fēng)經(jīng)驗(yàn)系數(shù), 由敏感實(shí)驗(yàn)率定, 表示風(fēng)對(duì)滸苔的拖曳作用; ζ ( xi, t )表示風(fēng)對(duì)滸苔運(yùn)動(dòng)方向的改變作用, 衣立等(2010)研究發(fā)現(xiàn)滸苔移動(dòng)偏向盛行風(fēng)的右側(cè)約 5 °—40°, 設(shè)α 為風(fēng)與 x 軸方向的夾角,β 為風(fēng)拖曳偏轉(zhuǎn)角(滸苔移動(dòng)偏向盛行風(fēng)右側(cè)的角度), 在 x 方向上則有 ζx= c os(α - β), 在 y 方向上則有 ζy= s in(α - β), 本研究設(shè) β=20°。

滸苔粒子運(yùn)動(dòng)跨網(wǎng)格處理方法參考張海彥等(2012)對(duì)水母粒子跨網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)所采用的追蹤法, 設(shè)粒子初始位置為 ( x1,1y) , 則在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng) Δt 內(nèi)粒子在緯向、徑向上的位移分量為:

式中, uw、 vs分別為網(wǎng)格西邊界處的x 向速度分量、南邊界處的y 向速度分量。若在 Δt 時(shí)間內(nèi)粒子出現(xiàn)跨網(wǎng)格情況, 設(shè)粒子碰網(wǎng)格邊界前所用時(shí)間為Δt1、所運(yùn)動(dòng)距離為Δx1, 跨網(wǎng)格邊界后剩下的時(shí)間為Δtrest,則有

如果運(yùn)動(dòng)中滸苔粒子再次碰到網(wǎng)格邊界, 則重復(fù)此步驟, 直至 Δ trest= 0為止, 對(duì)于 y 方向也同法處理。

滸苔粒子靠岸的判斷方法參考李燕等(2010)處理方式, 若滸苔粒子當(dāng)前時(shí)刻位置點(diǎn)和下一時(shí)刻位置點(diǎn)兩點(diǎn)連成的直線和海岸線段相交, 則交點(diǎn)為粒子的登岸點(diǎn), 滸苔到達(dá)陸地時(shí)就粘在陸地上, 不再參與計(jì)算。

1.2.2 生態(tài)模塊 黃海滸苔災(zāi)害之所以暴發(fā)期長(zhǎng)、影響范圍廣, 其重要原因之一是滸苔在適宜條件下繁殖能力較強(qiáng)。滸苔受風(fēng)、流等外界強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)下發(fā)生了漂移擴(kuò)散, 移動(dòng)到其他海域, 外部環(huán)境條件的改變會(huì)導(dǎo)致滸苔生長(zhǎng)速率和死亡速率也隨之變動(dòng)。李瑞香等(2009)研究表明滸苔生長(zhǎng)對(duì)溫度的適應(yīng)性較廣,5—30°C 均具有明顯的種群增長(zhǎng)率, 其最適宜生長(zhǎng)的溫度范圍為14—26°C。范士亮等(2012)研究表明, 滸苔最高生長(zhǎng)速率出現(xiàn)在15—20°C, 2009 年和2010 年的平均增長(zhǎng)率分別高達(dá)36%和43%, 大規(guī)模綠潮形成時(shí)的水溫約為17°C。吳曉文(2010)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)圍隔外海區(qū)滸苔日均相對(duì)增長(zhǎng)率為 4%。韓笑天等(2019)發(fā)現(xiàn)漂浮態(tài)滸苔在船基圍隔中相對(duì)日生長(zhǎng)率為19.1%。高穎超等(2019)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)滸苔發(fā)現(xiàn) 4500 lx 條件下最大相對(duì)日增長(zhǎng)率為 11.9%。龐秋婷等(2013)現(xiàn)場(chǎng)船基圍隔實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在營(yíng)養(yǎng)鹽適中時(shí), 滸苔相對(duì)生長(zhǎng)率最高可達(dá)82%, 即使在低營(yíng)養(yǎng)鹽條件下也會(huì)保持10%左右的生長(zhǎng)速率。而近30 年來南黃海無機(jī)氮年均濃度呈上升趨勢(shì), 特別是2008 年后出現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì),與1985 年相比, 2008—2012 年黃海南部近岸海域無機(jī)氮濃度升高了3 倍(Li et al, 2015)。大量的研究證明,溫度、光照對(duì)黃海滸苔的發(fā)生發(fā)展起到關(guān)鍵性作用,因此黃海漂浮滸苔的生長(zhǎng)率公式可表達(dá)為:

滸苔是一種能適應(yīng)高光強(qiáng)的海藻。黃海滸苔具有典型的潮間帶海藻的光合特性, 高的飽和光強(qiáng)[平均為 567 μE/(m2·s)], 較高的補(bǔ)償光強(qiáng)[平均為 62 μE/(m2·s)],從光補(bǔ)償點(diǎn)到光飽和點(diǎn)有較大的距離, 說明滸苔對(duì)光強(qiáng)有廣泛的適應(yīng)性(張曉紅, 2011)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,滸苔最適合光照 5000—6000 lx(吳洪喜等, 2000), 飽和光照強(qiáng)度在 320—400 μE/(m2·s)(叢珊珊, 2011)。一般情況下隨著光強(qiáng)的增加, 藻類光合作用會(huì)加強(qiáng), 但當(dāng)光強(qiáng)超過一定界值時(shí)則會(huì)對(duì)藻類生長(zhǎng)形成抑制,本文采用 Steele(1962)光抑制模型最優(yōu)曲線公式來描述光強(qiáng)I 對(duì)滸苔生長(zhǎng)的影響:

1.2.3 模式設(shè)置 初始位置和起報(bào)時(shí)間的合理設(shè)定對(duì)提高模式的最終模擬和預(yù)報(bào)效果起到關(guān)鍵性的作用。近年來眾多學(xué)者通過多角度對(duì)黃海滸苔溯源做了大量研究, 如劉峰等(2012)在蘇北淺灘沉積物中發(fā)現(xiàn)了大量滸苔微觀繁殖體; 劉材材等(2017)基于多源數(shù)據(jù)綜合分析得出蘇北淺灘紫菜養(yǎng)殖業(yè)是滸苔初始生物量的直接提供者; 白雨等(2019)利用2008—2017年 MODIS 影像分析發(fā)現(xiàn), 歷年黃海滸苔首次出現(xiàn)的位置主要集中在蘇北淺灘離岸約 100—150 km 以內(nèi)的海域, 暴發(fā)的時(shí)間多在 5 月中旬至下旬; 鄭翔宇(2017)基于多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)黃海滸苔進(jìn)行溯源研究,最終斷定 120.5°—121.5°E, 33.0°—34.3°N 是滸苔暴發(fā)的源地。本文利用國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心的綠潮遙感信息, 對(duì) 2011—2019 年黃海滸苔暴發(fā)初期的位置和時(shí)間進(jìn)行了相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析(圖2a), 結(jié)果顯示黃海滸苔災(zāi)害暴發(fā)的時(shí)間在5 月中旬和下旬, 暴發(fā)初期位置集中在119.8°—121.5°E, 33°—34.5°N 的蘇北淺灘, 這與上述相關(guān)研究成果基本一致。因此, 將 5 月 15 日作 為 模式起報(bào)時(shí)間, 區(qū)域范圍 119.8°—121.5°E,33°—34.5°N 設(shè)置為滸苔初始位置(圖 2b)。

圖2 2011—2019 年衛(wèi)星遙感黃海滸苔暴發(fā)初期位置(a)和模型設(shè)置的滸苔初始位置(b)Fig.2 The location (a) of the earliest appearance of Enteromorpha in the Yellow Sea from 2011 to 2019, and the initial position (b) of Enteromorpha in model setting

本模型采用C 網(wǎng)格, 模擬海域范圍為119°—125°E,32°—38°N, 水平分辨率為3 km, 時(shí)間步長(zhǎng)為720 s。滸苔的生成具有持續(xù)性, 從5 月暴發(fā)至6 月上旬, 滸苔在蘇北淺灘會(huì)持續(xù)生成(王宗靈等, 2018; 顏天等,2018)。因此, 在滸苔粒子釋放實(shí)驗(yàn)中加入了持續(xù)釋放過程, 5 月15—30 日, 每隔5 d 釋放一次滸苔粒子, 每次釋放粒子 1248 個(gè), 每個(gè)粒子初始相對(duì)生物量設(shè)為10 g。利用線性插值將風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和太陽輻射場(chǎng)插值到滸苔漂移點(diǎn)上, 利用再分析表層海流、海表10 m 風(fēng)場(chǎng)、海表溫度場(chǎng)和光照強(qiáng)度場(chǎng)以及衛(wèi)星遙感綠潮資料對(duì)2016 年黃海滸苔從暴發(fā)到消亡全過程進(jìn)行模擬驗(yàn)證, 率定模型參數(shù)。在模型參數(shù)設(shè)定合理以及模擬效果穩(wěn)定的基礎(chǔ)上, 利用 CFS 預(yù)報(bào)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)2019 年黃海滸苔發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。時(shí)效均為5 月15 日—8 月31 日, 系統(tǒng)每天輸出一次結(jié)果,信息包含滸苔漂移路徑、分布范圍以及滸苔相對(duì)生物量等。

2 2016 年黃海滸苔漂移輸運(yùn)和生長(zhǎng)消亡過程數(shù)值模擬

2016 年5 月16 日, 衛(wèi)星遙感首次在鹽城以東海域發(fā)現(xiàn)呈斑塊狀滸苔綠潮, 覆蓋面積約二十余平方公里, 此后滸苔暴發(fā)規(guī)模逐漸增大(圖 3)。模式設(shè)定的滸苔初始位置和起報(bào)時(shí)間均與前文一致, 為119.8°—121.5°E, 33°—34.5°N 和 5 月 15 日。海面風(fēng)場(chǎng)和光照強(qiáng)度為CFSR 再分析數(shù)據(jù), 表層海流和溫度為CGOFS 黃東海再分析數(shù)據(jù)。

2.1 參數(shù)率定

滸苔藻類的漂移主要受海面風(fēng)場(chǎng)和表層海流的共同驅(qū)動(dòng), 相關(guān)研究一般將海流系數(shù)取值為 1.0, 風(fēng)拖曳系數(shù)取值為0.01—0.05(吉會(huì)峰等, 2018; 趙昌等,2018)。本文利用2016 年衛(wèi)星遙感滸苔影像資料, 對(duì)黃海滸苔漂移輸運(yùn)過程中的海流影響系數(shù) R1和風(fēng)影響系數(shù) R2設(shè)置了多組取值方案(表 2), 進(jìn)行滸苔的漂移輸運(yùn)模擬結(jié)果對(duì)比測(cè)試, 以率定最佳參數(shù)。

圖3 2016 年5 月16—18 日衛(wèi)星遙感綠潮分布圖Fig.3 The satellite images in Yellow Sea from May 16 to 18, 2016注: 紅色包絡(luò)線區(qū)域?yàn)闈G苔分布區(qū)域

表2 黃海滸苔漂移輸運(yùn)和生長(zhǎng)消亡過程數(shù)值模擬的風(fēng)、流參數(shù)率定實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 The experimental configuration of sensitivity variables for simulating the drift and life cycle of Enteromorpha in the Yellow Sea

敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(圖 4), 滸苔漂移路徑和速度對(duì)海流系數(shù) R1的取值敏感性較低, 當(dāng)風(fēng)系數(shù)值固定后, 海流系數(shù)取值0.80—1.00 時(shí)對(duì)滸苔漂移路徑影響甚微, 對(duì)漂移速度產(chǎn)生略微差異。整體而言, 模擬的滸苔主要形成兩條路徑, 均與風(fēng)系數(shù) R2的取值有關(guān),表明海面風(fēng)場(chǎng)對(duì)綠潮分布和位置的變動(dòng)有較大影響。當(dāng) R2取值過大時(shí), 會(huì)使模擬滸苔遷移速度加快, 登陸時(shí)間過早, 模擬滸苔分布位置與實(shí)際偏差較大; 當(dāng)R2取值過小時(shí), 會(huì)使模擬滸苔位移量偏小, 與監(jiān)測(cè)實(shí)況匹配度不高, 且模擬的滸苔擴(kuò)散范圍略偏小(吉會(huì)峰等, 2018)。經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn), 最終表層海流系數(shù)為0.90, 海面風(fēng)系數(shù)為0.01 時(shí)模擬結(jié)果與衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合度相對(duì)最好, 在長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月的漂移輸運(yùn)數(shù)值模擬中, 模擬滸苔區(qū)域幾何中心點(diǎn)位置和衛(wèi)星遙感滸苔區(qū)域幾何中心點(diǎn)的誤差未超過 50 km(表 3),其中5 月中、下旬和7 月中、上旬誤差均在30 km 以下, 6 月誤差有所上升, 6 月13 日最大誤差為47 km。推測(cè)可能為 5 月份滸苔在蘇北淺灘開始集中暴發(fā)(劉材材等, 2017; 白雨等, 2019), 與模擬的初始位置較為一致有關(guān), 而7 月中上旬受黃海水溫升高滸苔開始消亡(范士亮等, 2012)以及滸苔大量向山東沿岸堆積,分布區(qū)域逐漸向近岸縮減(鄭翔宇, 2017)有關(guān)。而在6月份, 滸苔藻體在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的同時(shí), 會(huì)不間斷的釋放生殖細(xì)胞, 并在風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)的作用下處于動(dòng)態(tài)的分布變化中, 滸苔微觀繁殖體不斷的生長(zhǎng)聚集從而形成不同規(guī)模的滸苔斑塊, 使得滸苔分布區(qū)域不斷擴(kuò)大(劉峰等, 2012), 導(dǎo)致模擬區(qū)域與衛(wèi)星遙感區(qū)域誤差有所擴(kuò)大。

圖4 2016 年滸苔主體漂移路徑(滸苔區(qū)域幾何中心點(diǎn))和速度的敏感試驗(yàn)(Exp1—Exp6 對(duì)應(yīng)表2)Fig.4 The drift path and speed of Enteromorpha in 2016 in Exp1—Exp6

2.2 模型驗(yàn)證

2.2.1 漂移速度和影響海區(qū) 考慮到滸苔衛(wèi)星遙感受天氣影響較大, 本文在每旬中選取云量少、綠潮覆蓋面積最大的衛(wèi)星圖片作為模擬結(jié)果的對(duì)比實(shí)況。圖5 為模擬的2016 年滸苔漂移輸運(yùn)全過程與衛(wèi)星遙感影像資料對(duì)比, 結(jié)果顯示模擬與實(shí)況具有較好的吻合度。5 月下旬滸苔集中在江蘇鹽城東北部海域; 6月上旬滸苔快速北漂越過 35°N 線, 且滸苔北緣區(qū)開始向東西兩向擴(kuò)展, 少量滸苔粒子奔襲至連云港沿岸; 6 月中旬滸苔范圍迅速擴(kuò)大, 少量前沿滸苔抵達(dá)日照和青島開發(fā)區(qū)沿岸海域, 并有極少量滸苔開始登灘; 6 月下旬滸苔主體壓至日照、青島近海, 大量滸苔開始登陸; 7 月上旬至中旬滸苔向東北方向漂移,并在煙臺(tái)海陽和威海乳山登陸; 7 月下旬大量滸苔在山東半島中部南岸堆積, 外海已無大規(guī)模滸苔斑塊聚集, 滸苔進(jìn)入了消亡期。上述模擬結(jié)果與衛(wèi)星遙感實(shí)況較為一致, 也與鄭翔宇(2017)利用多源遙感數(shù)據(jù)繪制的2016 年綠潮移動(dòng)趨勢(shì)圖基本一致。

表3 模型模擬滸苔區(qū)域幾何中心點(diǎn)誤差(2016 年)Tab.3 Error of geometric center point of Enteromorpha area in model simulation (2016)

圖5 2016 年模擬結(jié)果(綠色區(qū)域)與衛(wèi)星遙感結(jié)果(紅線區(qū)域)對(duì)比Fig.5 The comparison between the modeled results (the green part) and satellite images (the red part) in 2016

表 4 為數(shù)值模擬與衛(wèi)星遙感滸苔分布面積時(shí)間序列對(duì)比, 5 月18 日滸苔模擬分布面積為15411 km2,基本包絡(luò)了衛(wèi)星遙感滸苔區(qū)域, 但重合率僅為24%(重合率=重合部分面積/(模擬分布面積+衛(wèi)星遙感面積-重合部分面積)), 推測(cè)為滸苔暴發(fā)初期處于微觀繁殖體不斷聚集萌發(fā)階段, 形成的滸苔斑塊分布范圍較小(王宗靈等, 2018; 顏天等, 2018), 導(dǎo)致初期模擬面積遠(yuǎn)大于衛(wèi)星遙感面積, 重合率較低; 之后滸苔分布區(qū)域快速擴(kuò)增, 5 月 30 日模擬分布面積為25911 km2, 衛(wèi)星遙感面積為12465 km2, 模擬分布區(qū)域與衛(wèi)星遙感結(jié)果位置重合率增加到39%; 至6 月下旬滸苔達(dá)到最盛期時(shí), 模擬滸苔分布面積超過了30000 km2,模擬分布區(qū)域與遙感結(jié)果滸苔區(qū)域重合率超過了50%; 7 月中旬以后, 模擬的滸苔已基本向近岸海域堆積, 衛(wèi)星遙感滸苔分布區(qū)域范圍也大幅減小(中華人民共和國(guó)自然資源部, 2008—2019)。此外, 自6月上旬至7 月中旬的模擬過程中, 重合部分面積占衛(wèi)星遙感滸苔面積比例均保持在60%以上, 重合部分面積占數(shù)值模擬面積比例均保持在50%以上。這表明模型能夠較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)綠潮斑塊的影響海域和漂移軌跡。

表4 數(shù)值模擬結(jié)果與衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比 Tab.4 Comparison between simulation results and satellite remote sensing monitoring results

2.2.2 漂移軌跡變動(dòng)特征 2016 年數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感實(shí)況均顯示, 滸苔主體漂移路徑以偏北向?yàn)橹? 最終登陸以青島為中心的山東半島沿岸城市, 青島受災(zāi)尤為嚴(yán)重(圖6a)。6 月中旬之前滸苔漂移方向以北偏西為主, 6 月中旬轉(zhuǎn)向北偏東方向, 6 月下旬滸苔主體突然快速轉(zhuǎn)向東北方向漂移, 這可能與滸苔抵達(dá)山東沿海后受到東北向的沿岸流作用所致(圖4中的Exp4)。進(jìn)入7 月, 滸苔主體開始在山東半島沿岸海域做東西往復(fù)運(yùn)動(dòng), 期間大規(guī)模的滸苔持續(xù)侵襲沿岸灘地。由于模式設(shè)定的初始位置(分布區(qū)域幾何中心點(diǎn))比2016 年衛(wèi)星遙感的滸苔實(shí)際暴發(fā)位置偏西約30 km, 這對(duì)后續(xù)預(yù)報(bào)會(huì)產(chǎn)生一定的偏差, 但是整體來看, 該模式對(duì)2016 年滸苔漂移方向、轉(zhuǎn)向時(shí)間點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和影響的岸段及程度等方面的模擬結(jié)果都與實(shí)況基本保持一致, 基本抓住了2016 年滸苔漂移輸運(yùn)過程的幾個(gè)主要特征。

圖6 數(shù)值模擬的滸苔粒子在2016 年與2019 年漂移輸運(yùn)過程及對(duì)應(yīng)時(shí)間 Fig.6 The drift process and biomass in different times in 2016 and 2019

2.2.3 滸苔生物量變動(dòng)情況 模擬結(jié)果顯示(圖7a), 5 月中旬滸苔開始持續(xù)增長(zhǎng), 在6 月中旬至下旬滸苔增殖能力迅速提升, 開啟了最大生長(zhǎng)率時(shí)段, 6月末至7 月初滸苔生物量達(dá)到峰值, 7 月中旬之后滸苔死亡率超過了生長(zhǎng)率, 滸苔生物量迅速降低, 至8月初模擬的滸苔相對(duì)生物量曲線進(jìn)入平坦區(qū), 表明部分滸苔已經(jīng)登陸, 而剩余仍在海洋水體中的滸苔也已基本消亡, 平坦區(qū)數(shù)值較高說明該年滸苔的登陸量較大。目前實(shí)況綠潮生物量的估算主要是通過水平拖網(wǎng)方法獲取的單位面積生物量乘以遙感圖像中的綠潮覆蓋面積得到(范士亮等, 2012), 肖艷芳等(2017)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 構(gòu)建了衛(wèi)星遙感的綠潮生物量估算模型, 顯示了滸苔生物量和覆蓋面積變化呈現(xiàn)高度相關(guān)的一致性, 研究表明綠潮覆蓋面積的變化趨勢(shì)可以反映滸苔生物量的變動(dòng)情況, 因此在檢驗(yàn)滸苔生消模擬方面參考綠潮覆蓋面積的變動(dòng)情況是可行的。對(duì)比顯示(圖7a), 模擬的滸苔相對(duì)生物量和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的滸苔覆蓋面積的變動(dòng)趨勢(shì)及增量幅度較為一致, 2016 年5—6 月滸苔覆蓋面積呈連續(xù)增加趨勢(shì), 6 月底達(dá)到極大值, 滸苔覆蓋面積從開始的約20 km2增長(zhǎng)至約1350 km2, 增長(zhǎng)了約60—70 倍, 7 月開始走低, 至7 月底進(jìn)入快速消衰期, 衛(wèi)星已經(jīng)遙感不到成片滸苔分布。對(duì)比來看, 該模式對(duì)黃海滸苔相對(duì)生物量變動(dòng)趨勢(shì)的模擬是基本可靠的。

圖7 2016 年和2019 年模型模擬滸苔粒子相對(duì)生物總量的變化和衛(wèi)星遙感綠潮覆蓋面積變化對(duì)比 Fig.7 The comparison between the simulated relative biomass of Enteromorpha and monitored coverage area of green tide from satellite in 2016 and 2019

3 2019 年黃海滸苔災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

基于該數(shù)值模型和2016 年的初始位置、起報(bào)時(shí)間和模式參數(shù), 利用CFS 的預(yù)報(bào)場(chǎng)數(shù)據(jù), 對(duì)2019 年滸苔漂移輸運(yùn)和綠潮相對(duì)生物量動(dòng)態(tài)變化全過程進(jìn)行年度預(yù)測(cè)(2019 年5 月15日—2019 年8月31 日), 并利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了該模型在黃海滸苔年度預(yù)測(cè)應(yīng)用上的可靠性檢驗(yàn)。

預(yù)測(cè)結(jié)果顯示(圖7b、圖8), 5 月中下旬滸苔集中在鹽城以東海域; 6 月上旬初期, 滸苔主體快速向北漂移發(fā)展, 并出現(xiàn)連續(xù)增長(zhǎng)現(xiàn)象; 6 月上旬末期, 受風(fēng)、流作用滸苔主體轉(zhuǎn)向東北方向漂移發(fā)展, 期間出現(xiàn)南北往復(fù)運(yùn)動(dòng); 6 月中旬后期部分滸苔登陸威海、煙臺(tái); 6 月下旬少量滸苔登陸日照、青島; 7 月上旬至中旬, 大量滸苔聚集登陸煙臺(tái)、威海和青島, 生物量達(dá)到高峰維持階段; 7 月末, 滸苔死亡率開始超過生長(zhǎng)率, 生物量開始減少; 8 月滸苔進(jìn)入緩慢的消亡期。由數(shù)值模型預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)2019 年黃海滸苔呈現(xiàn)幾個(gè)典型特點(diǎn)(圖6b), 一是漂移路徑前期偏北, 中后期向東北方向遷移, 相比往年漂移路徑更偏東; 二是影響岸段主要為山東半島東北部南岸, 青島、日照受災(zāi)度相對(duì)較輕; 三是登陸時(shí)間偏晚, 首先侵襲的是煙臺(tái)海陽和威海乳山, 之后侵襲青島, 這與往年相比存在明顯的差異; 四是滸苔生物量呈現(xiàn)較多態(tài)勢(shì), 且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng), 至8 月底還有部分滸苔未完全消亡。該特征與中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)(中華人民共和國(guó)自然資源部, 2008—2019)發(fā)布的2019 年黃海滸苔特征一致。

模擬結(jié)果與2019 年滸苔實(shí)況在漂移路徑、影響區(qū)域和相對(duì)生物量的變動(dòng)方面基本一致, 但在滸苔后期分布區(qū)域的預(yù)測(cè)上有所差異。2019 年7 月下旬, 滸苔綠潮分布面積和覆蓋面積不斷減小, 主要分布在山東半島南部沿海一帶, 滸苔進(jìn)入消亡期, 國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心于9 月9 日在119.7°—121.8°E, 34.2°—35.7°N 區(qū)域最后一次遙感探測(cè)到滸苔, 覆蓋面積為0.5 km2, 分布面積為1182 km2, 這是近10a 黃海滸苔消亡最晚的一年。而數(shù)值模擬結(jié)果為8 月份之后, 山東近海只有極少數(shù)滸苔粒子分布, 大部分滸苔粒子漂至威海東北部海域。這種差異的存在, 推測(cè)與模式參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)場(chǎng)分辨率等有一定關(guān)系。模式設(shè)置5 月中、下旬在滸苔源地多次釋放滸苔粒子進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè), 而實(shí)際上在滸苔漂移發(fā)展進(jìn)程中, 海水中的滸苔微觀繁殖體也會(huì)不斷的生長(zhǎng)聚集形成不同規(guī)模的滸苔斑塊, 使得滸苔分布區(qū)域更廣(劉峰等, 2012)。2019 年受海溫等海洋環(huán)境要素的影響, 滸苔 在蘇北淺灘生成的時(shí)間超過6 月上旬, 從衛(wèi)星實(shí)況圖可見6 月24 日在江蘇鹽城東北部沿海仍然有新的滸苔生成, 且分布范圍較大, 這種滸苔粒子釋放時(shí)間設(shè)置的偏差造成了后期模擬與實(shí)況的差異。此外, 本模型只考慮了滸苔粒子的平流運(yùn)動(dòng), 未考慮隨機(jī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的擴(kuò)散過程(如湍流或次網(wǎng)格效應(yīng)導(dǎo)致的隨機(jī)速度), 尤其是動(dòng)力背景場(chǎng)水平分辨率不高的情況下, 在小尺度的海洋物質(zhì)輸運(yùn)模擬和預(yù)報(bào)中, 滸苔粒子并不會(huì)完全按照由預(yù)報(bào)場(chǎng)得到的確定性速度(海流和風(fēng)引起的速度)移動(dòng), 這可能也是導(dǎo)致黃海滸苔后期模擬結(jié)果較實(shí)況偏東的原因之一。加之2019 年滸苔相比往年漂移路徑更為偏東、分布范圍較廣, 大量滸苔未向岸邊堆積聚集, 近海較適宜的環(huán)境條件也增加了當(dāng)年滸苔的災(zāi)害時(shí)長(zhǎng)。與2016 年相比, 由于2019年滸苔暴發(fā)初期實(shí)際位置相比模型設(shè)定的初始位置偏向東南區(qū)域(圖8), 因此在5 月下旬至6 月初, 數(shù)值模擬與衛(wèi)星遙感結(jié)果偏差較大, 但隨著滸苔在黃海南部不斷繁殖生長(zhǎng)以及向西、向北方向擴(kuò)展, 從6 月中旬開始數(shù)值模擬結(jié)果和衛(wèi)星遙感結(jié)果便呈現(xiàn)出較高的吻合度, 體現(xiàn)出該模型在實(shí)際業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)應(yīng)用上的可靠性和有效性。

4 結(jié)論

本文基于CFSR 再分析數(shù)據(jù)、CGOFS 黃東海再分析數(shù)據(jù)和CFS 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的海面風(fēng)場(chǎng)、表層海流、海表溫度和光照強(qiáng)度要素, 開發(fā)了一套將生物學(xué)模型與海洋學(xué)模型相耦合的高分辨率黃海滸苔生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型。通過敏感實(shí)驗(yàn)和預(yù)報(bào)檢驗(yàn)來看, 該模式較好的模擬了滸苔的漂移路徑、影響范圍和增殖與消衰過程, 模擬結(jié)果與衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)實(shí)況較為一致。2016年黃海滸苔漂移路徑以偏北向?yàn)橹? 主要影響山東半島中部南岸海域, 青島受災(zāi)尤為嚴(yán)重, 滸苔先期登陸日照、青島, 其后登陸煙臺(tái)和威海。2019 年滸苔漂移方向以東北向?yàn)橹? 主要影響山東半島中、東部南岸, 致使當(dāng)?shù)厥転?zāi)較重, 滸苔先期登陸煙臺(tái)海陽和威海乳山, 其后登陸青島和日照, 且滸苔綠潮災(zāi)害持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖8 2019 年滸苔分布預(yù)測(cè)結(jié)果(綠色區(qū)域)與衛(wèi)星遙感結(jié)果(紅線區(qū)域)對(duì)比 Fig.8 The comparison between the modeled results (the green part) and satellite images (the red part) in 2019

遙感分析和數(shù)值模擬均顯示影響山東南岸的滸苔主要來自蘇北淺灘, 并于5 月中旬暴發(fā)衛(wèi)星遙感可見, 這說明該模式預(yù)設(shè)的黃海滸苔源地和暴發(fā)日期是可行的。此外, 模擬結(jié)果還顯示表層海流、海面風(fēng)場(chǎng)直接影響滸苔的遷移路徑和分布范圍, 間接影響滸苔的生長(zhǎng)和消亡; 海溫、光照等因子直接影響滸苔 的生、消, 間接影響滸苔的分布范圍。作為國(guó)內(nèi)首套業(yè)務(wù)化的黃海滸苔漂移輸運(yùn)和生長(zhǎng)消亡過程數(shù)值模式, 仍存在許多不足之處, 如該模式未考慮營(yíng)養(yǎng)鹽過程、對(duì)環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子的描述還不夠全面、初始條件的設(shè)置還需進(jìn)一步探討。此外, 在進(jìn)行黃海滸苔長(zhǎng)期預(yù)測(cè)時(shí), 使用的CFS 海流和海溫?cái)?shù)據(jù)分辨率較低, 同時(shí)滸苔在海水運(yùn)動(dòng)過程中還會(huì)受到湍流等其他作用的影響, 這些不足均可能導(dǎo)致滸苔的漂移過程存在一定偏差。因此, 如何提高海流和海溫的分辨率、加入粒子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過程以進(jìn)一步完善滸苔漂移過程模擬也是下一步的重點(diǎn)工作?？傊? 黃海滸苔的暴發(fā)是海洋物理、生物和化學(xué)過程綜合作用的結(jié)果, 隨著針對(duì)各環(huán)境因子與滸苔發(fā)生發(fā)展聯(lián)動(dòng)效應(yīng)機(jī)制研究的深入, 海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型在定量化描述和分析黃海滸苔時(shí)空演變特征方面將具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。