李星
(福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái),福建 福州 350003)
福建省連江縣海洋捕撈、養(yǎng)殖和水產(chǎn)加工業(yè)發(fā)達(dá)。2018年漁業(yè)產(chǎn)值212.48億元,占連江縣第一產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的近九成,水產(chǎn)品產(chǎn)量110.3萬(wàn)噸[1],位列全省第一。連江黃岐半島位于福建省東部海岸,北面有羅源灣和三沙灣,南面是閩江出海口,呈現(xiàn)東西長(zhǎng)南北窄的形狀特點(diǎn)。黃岐半島附近海域一直是福建赤潮的高發(fā)地帶[2],一方面特殊的地形特征容易導(dǎo)致水體交換不良,另一方面養(yǎng)殖業(yè)的繁榮發(fā)展加劇了海水富營(yíng)養(yǎng)化[3]。了解赤潮發(fā)生因子與該海域赤潮的關(guān)聯(lián)特性,能在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)赤潮的提前預(yù)警,減少養(yǎng)殖戶的損失。
赤潮的生消發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,具體原因尚無(wú)定論,但普遍認(rèn)為與氣溫、風(fēng)力、SST、pH、溶解氧和無(wú)機(jī)鹽等幾十種孕災(zāi)因子相關(guān),涉及生物、化學(xué)、氣象、水文和人為活動(dòng)等多個(gè)方面[4-7]。海表面溫度(Sea Surface Temperature,SST)是水文環(huán)境中重要的孕災(zāi)因子之一,張健等[8]在研究與赤潮相關(guān)的環(huán)境因子中,發(fā)現(xiàn)東海沿海赤潮發(fā)生的最適SST區(qū)間為25~33℃,SST與赤潮發(fā)生呈顯著正相關(guān)。萬(wàn)艷[9]在研究平潭海域夜光藻赤潮與水溫的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn),溫暖的水溫背景更有利于赤潮的發(fā)生,在赤潮發(fā)生的前1 d,氣溫靠近最適宜赤潮發(fā)生的水溫。Hwang等[10]應(yīng)用自組織映射(Self-Organizing Map,SOM)技術(shù)研究了韓國(guó)赤潮發(fā)生時(shí)的SST特征以及SST的變化規(guī)律。對(duì)于赤潮生消發(fā)展與多種孕災(zāi)因子的關(guān)系研究有很多[11-12],但以單一因子作為對(duì)象的深入研究卻不多。本文將開展黃岐半島海域SST與赤潮發(fā)生的特征相關(guān)性研究,旨在挖掘SST對(duì)赤潮生消的影響,提升赤潮災(zāi)害應(yīng)急處置能力。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自2000—2019年《福建省海洋災(zāi)害公報(bào)》[13]中赤潮災(zāi)害過(guò)程的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,包括赤潮發(fā)生海域、起止時(shí)間、持續(xù)天數(shù)、最大面積、優(yōu)勢(shì)藻種和經(jīng)濟(jì)損失等。SST場(chǎng)資料采用美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的FNL(Final Operational Global Analysis)再分析SST資料,空間分辨率為1°×1°,時(shí)間間隔為6 h。SST月平均資料來(lái)自NCEP再分析數(shù)據(jù)集。
觀測(cè)資料選取黃岐半島附近浮標(biāo)搭載的兩個(gè)溫鹽傳感器傳回的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。站點(diǎn)1(119.7047°E,26.3573°N)在黃岐半島北側(cè),位于羅源灣內(nèi),SST數(shù)據(jù)從2014年6月—2019年12月;站點(diǎn)2(119.8752°E,26.3600°N)在同心灣漁排養(yǎng)殖區(qū)內(nèi),SST數(shù)據(jù)從2015年8月—2019年12月。這兩處數(shù)據(jù)為逐小時(shí)數(shù)據(jù),連續(xù)性較好且具有代表性,在本文研究時(shí)段的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)格式標(biāo)準(zhǔn)化處理、質(zhì)量控制和非均一性檢驗(yàn)。
據(jù)《福建省海洋災(zāi)害公報(bào)》統(tǒng)計(jì),2000—2019年20 a中福建近岸共發(fā)生233起赤潮事件,赤潮高發(fā)區(qū)集中在廈門、霞浦、連江、平潭和泉州,從北到南基本覆蓋了整個(gè)福建沿海。廈門為赤潮發(fā)生最頻繁的海域,高達(dá)54起,其次是霞浦,49起,連江,32起。但近5 a(2015—2019年)僅發(fā)生32起,平均每年6.4起,發(fā)生頻率顯著減少,發(fā)生最頻繁的海域依次是泉州、霞浦和連江。
在2000—2019年連江海域發(fā)生的赤潮中,有25起發(fā)生在黃岐半島附近海域,累計(jì)發(fā)生總天數(shù)166 d,平均持續(xù)6.64 d;近5 a連江發(fā)生的赤潮則全部發(fā)生在黃岐半島附近海域。每年的3—9月為福建省赤潮的高發(fā)時(shí)段,黃岐赤潮則主要暴發(fā)于4—6月(見(jiàn)圖1),3月、8月和9月偶有赤潮,7月沒(méi)發(fā)生過(guò)赤潮,5月發(fā)生次數(shù)最多,為11次,且赤潮種類較為多樣。
圖1 連江黃岐赤潮第一優(yōu)勢(shì)藻種統(tǒng)計(jì)
不同藻類的最適溫度、適溫范圍和耐受范圍不盡相同[14],從監(jiān)測(cè)的第一優(yōu)勢(shì)藻種來(lái)看,具有一定的規(guī)律性。出現(xiàn)頻率最高的中肋骨條藻,發(fā)生時(shí)間最早,且由于中肋骨條藻為廣溫性藻種,所以在3—6月很常見(jiàn);其次為東海原甲藻,5—6月出現(xiàn)較為集中。進(jìn)入夏季,由于氣溫和SST較高,藻類生長(zhǎng)受到抑制,增殖數(shù)量銳減,維持在較低水平。
從20 a統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,赤潮第一優(yōu)勢(shì)藻種多為無(wú)毒藻種,但在復(fù)雜的赤潮生物中,往往還有第二和第三優(yōu)勢(shì)種且具有毒性,甚至第一優(yōu)勢(shì)種會(huì)變換更替,這對(duì)于養(yǎng)殖業(yè)或多或少會(huì)造成損失。例如,2019年5月23日在連江發(fā)生的赤潮,第一優(yōu)勢(shì)種為夜光藻,24日第一優(yōu)勢(shì)種變更為東海原甲藻,26日米氏凱倫藻密度增加成為第二優(yōu)勢(shì)種,之后密度減弱,整個(gè)過(guò)程中始終伴有具有毒性的米氏凱倫藻和短凱倫藻,雖未達(dá)到基準(zhǔn)密度,但產(chǎn)生的毒素對(duì)海洋生物可能是致命的。
由于SST觀測(cè)數(shù)據(jù)有限,2016—2017年該海域沒(méi)有發(fā)生赤潮的記錄,結(jié)合有觀測(cè)數(shù)據(jù)且發(fā)生赤潮的年份,我們選擇對(duì)2015—2019年的5次赤潮過(guò)程(見(jiàn)表1)的SST進(jìn)行研究。
表1 2015—2019年黃岐半島附近海域發(fā)生的赤潮事件
近5 a,黃岐海域有2 a沒(méi)有觀測(cè)到赤潮,2015年4月和2018年4月各發(fā)生1起中肋骨條藻無(wú)毒赤潮,2018年6月發(fā)生米氏凱倫藻有毒赤潮,2019年5月發(fā)生2起夜光藻無(wú)毒赤潮。
利用FNL的再分析數(shù)據(jù)繪制的赤潮發(fā)生當(dāng)天SST的分布情況來(lái)看(見(jiàn)圖2),在羅源灣內(nèi)和同心灣養(yǎng)殖區(qū)SST等值線基本與岸線平行,越靠近岸邊溫度梯度變化越大。赤潮多發(fā)海域赤潮發(fā)生時(shí)的SST從18~26℃均有出現(xiàn),不過(guò)由于各藻種的最適宜溫度不同,增殖為赤潮災(zāi)害的第一優(yōu)勢(shì)種也不同。
圖2 赤潮發(fā)生時(shí)黃岐半島海域SST分布
中肋骨條藻是典型的廣溫廣鹽性赤潮生物,在10~34℃均可生存,最適溫度為25℃。2015年4月7日和2018年4月12日中肋骨條藻赤潮暴發(fā)的同心灣附近海域SST為18~20℃,是此海域中在偏低SST環(huán)境暴發(fā)較早的赤潮藻種。兩起赤潮均持續(xù)3 d就消亡了,消亡時(shí)SST為15℃和20℃。
米氏凱倫藻雖然也為廣溫廣鹽性種類,但20 a的統(tǒng)計(jì)表明,該藻種在黃岐半島出現(xiàn)在5月底—6月初,根據(jù)當(dāng)?shù)豐ST觀測(cè)資料,發(fā)現(xiàn)此時(shí)SST普遍已經(jīng)達(dá)到25℃,因此可判斷此海域暴發(fā)米氏凱倫藻赤潮最適溫度在25℃左右。姚煒民等[15]通過(guò)2005年浙江海域米氏凱倫藻赤潮的連續(xù)監(jiān)測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)浙江暴發(fā)米氏凱倫藻的最佳SST為23.4~23.8℃,這就說(shuō)明同一赤潮生物在不同海域表現(xiàn)出不同的生態(tài)習(xí)性。2018年米氏凱倫藻赤潮發(fā)生在6月,天氣系統(tǒng)較為穩(wěn)定,SST已達(dá)26℃,但隨著溫度繼續(xù)升高,過(guò)高的水溫不適合赤潮的發(fā)展和維持,赤潮持續(xù)了6 d后消亡。
夜光藻在16~25℃均可生存,最適溫度為22℃[16]。2019年5月的兩次夜光藻赤潮同樣發(fā)生在同心灣附近海域,SST在22℃左右。5月23日赤潮持續(xù)了14 d,在此期間SST始終維持在23℃左右,如此小的溫度波動(dòng)為赤潮的維持創(chuàng)造了有利條件,在消亡前2 d SST才上升至25℃,導(dǎo)致其消亡。
把赤潮發(fā)生時(shí)的日均SST與5 a同期平均值進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表2),可以看出在赤潮高發(fā)期的5—6月,黃岐半島附近海域的SST為22~26℃,與5 a同期平均值差不多,為多數(shù)赤潮藻種適宜生長(zhǎng)的溫度。但觀察在首次赤潮發(fā)生較早的年份中,初春SST較5 a同期明顯偏高,因此可以認(rèn)為SST異常偏高是引起赤潮提早發(fā)生的重要原因之一。
表2 赤潮發(fā)生和消亡時(shí)SST與5 a同期平均值對(duì)比
從連江黃岐附近海域5 a的SST變化來(lái)看,季節(jié)內(nèi)震蕩較大,最低日均溫8.9℃,最高日均溫達(dá)31℃,單日最高SST出現(xiàn)34℃。在赤潮多發(fā)的4—6月,除了沒(méi)有明顯天氣系統(tǒng)影響,水體條件穩(wěn)定,還有一個(gè)重要因素就是此時(shí)的SST基本達(dá)到了非常適宜赤潮生物生長(zhǎng)的水平。
在冬春季節(jié)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,冷空氣天氣系統(tǒng)對(duì)福建的影響逐漸減小,南海夏季風(fēng)基本都在5月左右正式建立,7月到達(dá)極盛期[17-19],但其實(shí)從3月起夏季風(fēng)就開始影響中國(guó)華南沿海,然后以漸進(jìn)和急進(jìn)兩種方式向北推進(jìn)[20]。南海夏季風(fēng)帶來(lái)了暖濕空氣,水溫持續(xù)升高,風(fēng)浪較小,在這種高溫、高濕和無(wú)風(fēng)浪的條件下,能夠促進(jìn)藻類繁殖[21]。從圖3可以看出,3月開始SST變化趨勢(shì)出現(xiàn)拐點(diǎn),開始緩慢升高,4月SST普遍超過(guò)15℃,并呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢(shì),7月SST接近30℃,赤潮藻種的生長(zhǎng)再次受到了抑制。
由于SST變化是一個(gè)緩慢的過(guò)程,所以以5 d SST變化率作為研究SST變化的指針,時(shí)間范圍包括赤潮發(fā)生盛期的前1 M—后1 M,即3—7月。5 d SST的變化范圍在5℃以內(nèi),是類似正弦波的曲線,在SST緩慢上升的過(guò)程中,存在增溫和降溫的交替出現(xiàn)。
2015年全球經(jīng)歷了一次超強(qiáng)厄爾尼諾(El Ni?o)事件,此時(shí)黃岐海域3—7月的5 d SST變化率比其他年份的震蕩周期更有規(guī)律,周期為0.5 M,1 M內(nèi)大約出現(xiàn)兩次振幅相當(dāng)?shù)纳郎睾徒禍兀ㄒ?jiàn)圖3a)。由于升溫和降溫的幅度較大,且每次基本都能達(dá)到2℃以上,因此雖然出現(xiàn)的最大5 d變化率為+3.72℃和最小5 d變化率為-4.95℃,遠(yuǎn)超其他年份,但平均值卻是5 a最低,方差為5 a最大(見(jiàn)表3)。2015年SST變化特點(diǎn)是沒(méi)有劇烈波動(dòng),且具有較長(zhǎng)的穩(wěn)定上升和下降時(shí)間,對(duì)赤潮藻種生長(zhǎng)是有利的。
表3 黃岐海域2015—2019年3—7月的5 d SST變化率統(tǒng)計(jì)
2016年和2017年在黃岐海域沒(méi)有監(jiān)測(cè)到赤潮事件,5 d的SST平均變化率為+0.49℃和+0.46℃,最大變化率都未達(dá)到3℃,方差較小。但值得注意的是雖然最小值為-3.81℃和-2.99℃,但在5 M中僅出現(xiàn)一次這樣的劇烈降溫,且都出現(xiàn)在盛期開始前和接近結(jié)束的時(shí)候,變化率波動(dòng)的范圍基本處于正半軸,也就是持續(xù)升溫,降溫時(shí)間較少幅度較小,升溫的幅度小且周期短。2018年和2019年平均SST變化率為+0.47℃和+0.45℃,5 d SST變化范圍較前3 a小,變化率在-2.5~2.9℃之間,波動(dòng)頻繁,周期短。
通過(guò)對(duì)比,發(fā)生赤潮年份的平均SST變化率與不發(fā)生赤潮的年份相近,3—7月的5 d最大SST變化率均超過(guò)2.7℃,方差超過(guò)0.96,也就是說(shuō)赤潮發(fā)生年份的海水變化較為劇烈,特別是升溫的幅度。與發(fā)生赤潮時(shí)間標(biāo)志(見(jiàn)圖3的“▲”)綜合來(lái)看,在5次赤潮事件發(fā)生前,有3次的SST有較大上升,幅度在2~3℃。這3次赤潮事件均為當(dāng)?shù)禺?dāng)年的首次赤潮事件,而后發(fā)生的第二次赤潮事件對(duì)SST變化的響應(yīng)沒(méi)有首次那么明顯。
圖3 2015—2019年黃岐海域日均SST和5 d海溫變化率(▲為赤潮發(fā)生標(biāo)志)
SST變化對(duì)赤潮消亡也有重要作用。在研究的赤潮事件中,2015年4月中肋骨條藻赤潮在消亡前受冷空氣影響,溫度迅速下降至15℃,終結(jié)了此次赤潮。2019年5月持續(xù)了14 d的夜光藻赤潮消亡前,也發(fā)現(xiàn)2 d內(nèi)SST從23℃上升到25℃。雖然SST的變化多依賴強(qiáng)天氣過(guò)程,但SST的快速變化卻可能直接加速赤潮的發(fā)生和消亡。
2015年全球經(jīng)歷了一次超強(qiáng)的厄爾尼諾事件,發(fā)生在熱帶太平洋地區(qū)的厄爾尼諾和南方濤動(dòng)(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)現(xiàn)象是年際氣候變化中的最強(qiáng)信號(hào)。美國(guó)氣候預(yù)報(bào)中心(Climate Prediction Center,CPC)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示(來(lái)源:https://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/MJO/enso.shtml),2015年4—6月赤道中東太平洋異常偏暖,赤道西太平洋附近呈現(xiàn)中性偏冷狀態(tài),有正SST異常向西傳播。
從福建近海SST情況來(lái)看(見(jiàn)圖4),2015年4月較常年值偏低0~0.5℃,但是在發(fā)生赤潮時(shí)黃岐海域的SST卻比5 a平均值偏高0.3℃。從赤潮發(fā)生前的天氣形勢(shì)來(lái)看,3月29日—4月6日連續(xù)9 d未受到冷空氣影響,在倒槽的發(fā)展下,強(qiáng)盛的西南暖濕氣流使福建沿海的SST不斷升高,連江黃岐海域SST于4月5日達(dá)到20.48℃的異常高值,在有浮標(biāo)數(shù)據(jù)記錄的5 a同期都未出現(xiàn),因此2015年首次赤潮比其他年份發(fā)生的偏早。
圖4 2015年4月福建近海SST與常年矩平
同樣在4月發(fā)生赤潮的2018年,從4月9日開始也是受到西南暖濕氣流影響,4月12日SST突破20℃,同日在連江黃岐海域也監(jiān)測(cè)到中肋骨條藻赤潮。
每年4—5月東亞夏季風(fēng)開始建立,從表4的經(jīng)向風(fēng)變化來(lái)看,4—5月北風(fēng)逐漸變?yōu)槟巷L(fēng),SST升高,有利于赤潮暴發(fā)。而在8—9月夏季風(fēng)向冬季風(fēng)轉(zhuǎn)變時(shí),SST降低,赤潮生物難再繁殖。
表4 黃岐附近海域1 000 hPa月平均經(jīng)向風(fēng)力(單位:m/s)
2015年和2018年4月中上旬都發(fā)生了赤潮,從經(jīng)向風(fēng)來(lái)看,3月的南風(fēng)比其他年份強(qiáng)勁,SST的升高對(duì)初春赤潮的暴發(fā)有重要作用。而在進(jìn)入春季后,連江黃岐赤潮發(fā)生的月份(2018年6月和2019年5月)南風(fēng)卻較弱,北風(fēng)異常加強(qiáng),說(shuō)明SST不是越高越好,適宜的范圍內(nèi)才有助于赤潮發(fā)生。
赤潮生物的生消經(jīng)過(guò)孢囊休眠、孢囊萌發(fā)、赤潮生成、赤潮維持、赤潮消亡和孢囊休眠等多個(gè)階段[22]。在赤潮生成到消亡整個(gè)過(guò)程中SST都起到相當(dāng)重要的作用,每個(gè)階段所需溫度是不同的。前文已說(shuō)明同一赤潮生物在不同海區(qū)的適宜溫度存在差異,這就要考慮其生長(zhǎng)發(fā)育所需要的積溫。前人的研究證明,即使達(dá)到適宜SST,還需要達(dá)到相應(yīng)的積溫值才有可能產(chǎn)生赤潮[23]。
赤潮生物必須從環(huán)境攝取一定的熱量才能完成某一階段的發(fā)育,而各個(gè)階段需要的總熱量是一個(gè)常數(shù),用有效積溫K表示[24],公式為:
式中:N為發(fā)育歷期;T為發(fā)育期平均溫度;C為生物學(xué)零點(diǎn)。計(jì)算起點(diǎn)應(yīng)為赤潮生物的生物學(xué)零度,但考慮到溫度對(duì)赤潮生物萌發(fā)的控制作用以及不同赤潮生物積溫間的對(duì)比,因此選用每年冬春交匯之際的最低溫度日作為起算點(diǎn)[22]。
2015年黃岐海域的最低日均SST出現(xiàn)在2月10日,2016年出現(xiàn)在1月25日,2017年出現(xiàn)在2月26日,2018年出現(xiàn)在2月5日,2019年出現(xiàn)在1月1日。5 a的積溫曲線如圖5所示,彩色實(shí)線代表該年份出現(xiàn)赤潮,兩條虛線代表該年份沒(méi)有出現(xiàn)赤潮。圖中可以看出2017年積溫低于其他年份,過(guò)低的積溫值不利于赤潮的發(fā)生。
由圖5顯示,雖然2015—2019年的起點(diǎn)日期不同,但是到12月底的積溫都在7 000~8 000℃·d,4月出現(xiàn)的兩次赤潮對(duì)應(yīng)的積溫為830℃·d和994℃·d,5月和6月赤潮對(duì)應(yīng)的積溫為2 307℃·d、2 079℃·d和2 304℃·d,積溫2 300℃·d的位置發(fā)生了兩次赤潮,分別是米氏凱倫藻和夜光藻,說(shuō)明此積溫將促進(jìn)赤潮生物加快生長(zhǎng)。
一般認(rèn)為在其他條件不變的情況下,積溫偏高或偏低則浮游生物發(fā)育速度較快或較慢,從而導(dǎo)致赤潮暴發(fā)時(shí)間的提前或推遲。換言之,同一種赤潮生物在環(huán)境SST提前或推遲達(dá)到某一積溫值時(shí),伴隨出現(xiàn)生長(zhǎng)發(fā)育的鼎盛時(shí)期。黃岐海域2019年(見(jiàn)圖5中藍(lán)線)的積溫值遠(yuǎn)高于其他年份,在2 300℃·d積溫值處發(fā)生的赤潮也比2018年的赤潮提前0.5 M。
圖5 2015—2019年黃岐海域積溫圖
本文利用20 a的赤潮統(tǒng)計(jì)和近5 a SST觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)SST對(duì)連江黃岐赤潮災(zāi)害的影響作了初步研究。結(jié)論如下:
(1)從2000—2019年的20 a統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,每年3—9月為福建省赤潮高發(fā)時(shí)間,連江黃岐赤潮災(zāi)害集中發(fā)生在4—6月,3月、8月和9月發(fā)生較少,7月則從未監(jiān)測(cè)到赤潮。在20 a發(fā)生的25起赤潮中,出現(xiàn)頻率最高的是中肋骨條藻,其次為東海原甲藻。
(2)在分析2015—2019年黃岐SST對(duì)赤潮的影響特征中發(fā)現(xiàn),羅源灣和同心灣SST等值線基本與岸線平行,且越靠近岸邊梯度越大。赤潮發(fā)生時(shí)SST為18~26℃,5—6月赤潮發(fā)生盛期的SST為22~26℃,與5 a同期平均值差不多。如果3月南風(fēng)異常強(qiáng)勁,可能造成SST提前達(dá)到赤潮生物大規(guī)模繁殖的適宜溫度,因此認(rèn)為初春SST異常偏高是引起首次赤潮提前發(fā)生的重要原因。
(3)黃岐附近海域在2015年、2018年和2019年發(fā)生了赤潮,將發(fā)生赤潮年份的5 d SST變化率與不發(fā)生赤潮的年份進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)發(fā)生赤潮的年份中最大SST變化率偏大,方差也偏大,說(shuō)明赤潮發(fā)生年份的SST變化劇烈,升溫幅度大。SST的快速變化可能直接影響赤潮的發(fā)生和消亡,這3 a首次發(fā)生赤潮災(zāi)害前均有一次較快升溫過(guò)程,幅度在2~3℃,說(shuō)明SST變化率與赤潮發(fā)生有著密切聯(lián)系。
(4)在討論積溫對(duì)赤潮影響的研究中發(fā)現(xiàn),黃岐附近海域在積溫達(dá)到2 300℃·d時(shí)對(duì)赤潮有加快生長(zhǎng)的作用,但對(duì)于不同赤潮生物是否有不同的響應(yīng)還需要繼續(xù)深入研究。