秦皇島近海赤潮發生的氣象條件分析

張曉玲 燕成玉

摘要利用衛星遙感、海島站、海岸帶日照和EC渤海格點等資料，采用同步資料疊加分析，對2004—2013年5—8月出現在河北海區26次赤潮個例進行綜合分析。結果表明，氣象環境條件是赤潮發生、發展及消亡的新因素，赤潮發生后1～2 d環渤海地區地面維持均壓場狀態；赤潮發生的主要時間段為6—8月，持續時間7～15 d，最高氣溫30～34 ℃，相對濕度78%～88%，平均風速1～2 m/s，日照時數6～8 h；單一的海洋生物、物理、化學因子集成預測赤潮發生的空報次數偏多，疊加氣象環境預測因子空報次數明顯下降。

關鍵詞近岸海區；赤潮；氣象條件；預測因子

中圖分類號P47文獻標識碼A文章編號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、氣象環境條件下，近海至入海河口附近海水中某些浮游植物、原生動物或細菌等暴發性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種有害生態現象[1-2]，近海海域發生的赤潮導致養殖、捕撈業以及海濱旅游業都遭受嚴重損失，已引起沿海國家的高度重視[3-4]。20世紀70年代初日本率先開展赤潮監測研究，采用上下聯動體系，水產廳—研究所—漁民協會監測赤潮上報體系，并在大阪、瀨戶等海灣的赤潮監測與綜合治理取得顯著效果；法國、加拿大、挪威及瑞典在20世紀90年代分別設立了國家級赤潮監測與研究規劃（EUROHAB）；美國1995年升級為赤潮生態學基金資助項目（ECOHAB），美國海洋資源部（DMR）從1996年開始為沿海漁港培訓的海洋赤潮監測志愿者，為科研部門提供海洋水溫、鹽度及赤潮生物樣本；國內自1989年渤海赤潮大面積暴發以來，由沿海環保部門、海洋生物研究所及氣象部門以科研項目任務方式進行近海港區監測[5-6]及機理研究[7]。由于赤潮的發生不是單純的生態學問題[8-9]，而是在海洋動力與氣象環境[10-11]條件控制下的海洋物理和化學問題，不同種類赤潮發生機理十分復雜，較難得出一個普遍適用的規律性結論[12-13]和概念標準。

筆者基于已發生赤潮的生態學個例，分析主要赤潮生物種類的氣象環境條件要素場，研究河北區域的近海赤潮發生、發展、消亡的氣象環境條件；綜合水文、海洋生態同步監測資料，初步歸納預測因子并建立試驗預測模型，為搭建渤海赤潮綜合防治業務平臺及機理研究提供技術支撐。

1赤潮事件及資料處理

1.1赤潮事件個例

2004—2013年赤潮事件持續時間最長在30 d以上（表1），并呈頻發趨勢，如2011年8月1—9日北戴河附近海域發生赤潮，赤潮水體紅褐色，赤潮生物優勢種為夜光藻，面積約40 km2，分布在北戴河外交部大使館區和中值機關游泳區域，恰逢旅游高峰期，日游客流量大于20萬，對秦皇島的水產養殖、海上旅游及社會造成了一定影響。

1.2資料處理

將上述入選個例分3個層面按發生的時段以10 d為一次過程，采用同步資料疊加方法，核查前5～7 d的氣象場的海岸帶日照時數、溫度、10 m風場及Micaps 3.2環渤海地面形勢場等，作為赤潮發生預測因子條件，后3 d作為赤潮發展時段預測實況檢驗因子，分析主要赤潮生物種類的氣象環境條件要素場，找出一般對應關系，提煉秦皇島區域的近海赤潮發生、發展的氣象環境條件可預測因子。

1.3數值預測因子

在總結優勢赤潮物種時空尺度分布特征及氣象環境條件基礎上，選取EC模式和WAF模式等渤海邊界層氣象要素格點資料，用2012—2013年7—8月同步74組的海洋物理、化學、生物監測值和水文氣象監測值，確定赤潮可預測因子并建立試驗模型。

2赤潮發生的氣象環境條件分析

最新科研成果所達成初步共識為：①營養鹽的含量，把海水營養鹽的變化對赤潮生物生長影響規律作為基本條件；②水動力條件，赤潮生物本身的移動范圍是有限的，赤潮生物分布、聚集和分散直接受到潮流動力影響；③氣象條件，降水、氣溫、光照、風向風速等與赤潮形成、發展、維持和消失密切相關。其中氣象環境條件是赤潮發生→發展→消亡的主要因素之一。赤潮的發生是小概率事件，是一個中尺度系統預報與海洋生態學、氣象學、海洋動力學互相關聯的復雜學科，對已經發生的赤潮事件用單一學術觀點難以說明其機理，因此，深入研究赤潮發展的氣象環境條件，對提升秦皇島海洋赤潮災害監測、預測能力建設具有重要的現實意義。

2.1基本氣象環境條件

利用2004—2013年Micaps 3.2環渤海地面分析和探空，以及沿海唐山、滄州、秦皇島（5個監測站）7個海岸帶氣象6要素監測站同步資料，對入選的26例赤潮過程（表1）氣象環境背景場進行分析。

結果發現，赤潮發生面積小于100 km2的典型組合個例中，時間段一般為5、9月，持續時間3～7 d（特例大于10 d，但面積分散），赤潮發生前7 d環渤海地區地面維持均壓場狀態，最高氣溫26～32 ℃，相對濕度76%～88%，平均風速2～3 m/s，平均日照時數7～9 h；赤潮發生后1～2 d環渤海地區地面維持“弱高壓區”均壓場狀態，最高氣溫30～33 ℃，相對濕度81%～88%，平均風速1～2 m/s，平均日照時數7～8 h。

赤潮發生面積小于1 000 km2的典型組合個例中，時間段一般為5、9月，持續時間3～10 d（特例大于30 d，但面積分散），赤潮發生前7 d環渤海地區地面維持“弱高壓”均壓場狀態，最高氣溫26～30 ℃，相對濕度71%～86%，平均風速1～2 m/s，平均日照時數7～9 h；赤潮發生后1～3 d環渤海地區地面維持“低壓區”均壓場狀態，最高氣溫30～33 ℃，相對濕度80%～88%，平均風速1～2 m/s，平均日照時數7～8 h。

河北海域赤潮發生面積大于1 000 km2的典型組合個例中，時間段為6—8月，持續時間7～15 d，赤潮發生前7 d環渤海地區地面維持弱均壓場狀態，最高氣溫29～34 ℃，相對濕度75%～85%，平均風速1～2 m/s，平均日照時數6～9 h；赤潮發生后1～2 d環渤海地區地面維持“低壓區”均壓場狀態，最高氣溫30～33 ℃，相對濕度80%～88%，平均風速1～2 m/s，平均日照時數7～8 h。

安徽農業科學2017年

2.2赤潮發展過程氣象因素控制

2.2.1初始期。

秦皇島近海至海岸線內具有一定數量的赤潮生物種（夜光藻等或胞囊），海洋與環保部門監測水環境各種物理、化學接近或達到赤潮主要物種生長繁殖的臨界值；氣象部門預測：近3～5 d秦皇島近海地區維持弱均壓場狀態，最高氣溫28～33 ℃，相對濕度76%～86%，平均風速1.6～2.7 m/s，風向W-SW，平均日照時數5～9 h，1～2次降水過程，降水量90～130 mm。

2.2.2發展期。

一般稱為赤潮的形成期。當秦皇島近海海域內的某種赤潮生物種群有了一定個體數量時，海洋部門監測的水環境各種物理、化學達到或超過赤潮主要物種生物生長、繁殖的臨界值，赤潮生物進入指數增殖期；赤潮發生后1～2 d環渤海地區地面維持均壓場狀態，海岸帶最高氣溫31～34 ℃，相對濕度88%～91%，平均風速1～2 m/s，風向W-SW，平均日照時數8～9 h，無強對流和海上短時大風天氣。

2.2.3維持期。

時間的長短取決于水體的物理穩定性和各種營養鹽的富有程度，以及當營養鹽被大量消耗后補充的速率和補充量。氣象與水文條件為：海區風平浪靜，水體垂直混合與水平混合偏弱，維持赤潮聚合體相對穩定；近海監測的海水環境各種化學、物理指標維持赤潮主要物種生物生長的臨界值，赤潮發生后1～3 d渤海西部地區地面維持“低壓區”均壓場狀態，最高氣溫29～31 ℃，相對濕度82%～87%，平均風速1.4～2.4 m/s，平均日照時數6～7 h，海上無短時強對流和大風天氣。

2.2.4消亡期。

消亡期是指赤潮現象消失的過程。近2～3 d 海洋部門監測的水環境各種物理、化學赤潮主要物種生物生長、繁殖的臨界值呈下降趨勢；未來1～3 d有系統性暴雨、海上大風及強對流災害天氣等，引起赤潮營養鹽消耗殆盡，赤潮聚合體被風浪及強降水切割、擴散，未來3～5 d環渤海地區地面維持“次天氣尺度高壓場”，最高氣溫25～26 ℃，平均風速3.1～4.1 m/s，風向E-NE，平均日照時數6～7 h。水體穩定性差或因營養鹽未能得到及時補充，赤潮現象將迅速消失。

2.3氣象環境條件對赤潮發展過程的影響

2.3.1

氣象環境條件的雙重效應。在已經發生赤潮的條件下強降水天氣的雙重效應：一是海上暴雨、強對流冰雹、短時大風可能快速淡化赤潮生物濃度、分割聚合體；二是海岸帶地區暴雨加大各河道向近海污染排放量并激發近海底排污口氮、磷等沉積物元素混合到表層海面，導致營養鹽含量偏高，使赤潮維持或加重。

2.3.2

偏西風對赤潮發展的影響。由于秦皇島海岸帶為東北—西南向，偏西風為離岸風，起到降低近海風浪波峰作用。因此，偏西風對赤潮發展或維持效應為降低外海向岸區的涌浪，并對秦皇島海區表層水溫增溫。在最新的一些科研報告中一直把太陽輻射增溫作為赤潮環境的主要因素之一，忽略海岸帶邊界層偏西風平流增溫因素分析，即在多云的天氣條件下要大于輻射增溫的監測事實。

3赤潮預測方法試驗

近年來最新成果顯示，赤潮監測、預測是綜合防治的基礎工作，是環境、海洋與氣象交叉的前沿科學，與氣象學一個中尺度系統預報類似，難度較大，赤潮的發生是小概率事件。針對赤潮樣本個例相對偏少，預測區域為中小尺度及生態學因子無量綱等目前共性難點問題，預測模型將采用專家系統應用技術和分級概率加法模型；降低預測試驗的空報率，改進赤潮預測方法單一學科因子常規數理統計模型，在試驗過程中可隨時加入新的預測因子；在日照因子選取方面將突破2～3 d的可能性，預測因子0～24 h選用WRF模式產品，48～72 h用EC模式850～500 hPa濕度與風場疊加格點值代替，提升秦皇島近海赤潮潛勢預測的能力和水平。

3.1預測因子選取

側重于秦皇島海區赤潮發生前后的環渤海岸區海區風場、溫度、日照強度與海區強降水等氣象環境要素。對環渤海地面—海區赤潮發生日08：00—20：00 850 hPa截圖，氣象背景場分析3維空間影響系統基本配置；比對歷年赤潮發生日前7 d與后3 d的秦皇島海岸帶區域7個監測站日照強度、最大平均風向、平均最高氣溫、風速資料；評估同步個例海島站、浮標站日最大平均風速、風向及平均最高氣溫；歸納出氣象要素分級值、預報對應關系。

采用大連、樂亭、錦州3個氣象探空站及物理量場等資料，結合EC和WRF數值產品10 m風場與溫度場格點資料疊加，提供氣象環境預測條件因子。疊加海洋動力及赤潮生態因子，建立0～24和48～72 h赤潮潛勢預測方法；由于赤潮樣本個例相對偏少，在研究過程中需要加入新的預測因子，采用目前比較成熟的環境預測方法及概念模型。初步試驗擬合個例20個，試報個例2013年5—8月。其中，日照0～24 h預測代替因子用WRF模式產品，36～72 h預測因子用EC模式500～700 hPa濕度與風場疊加值代替。海區營養鹽濃度潛勢因子，重點將赤潮發生前后的岸區各主要河流暴雨污染物排放量作為診斷；消空因子，主要評估強對流降水、暴雨、大風天氣等氣象條件對赤潮區域削減和降溫作用；日照因子來自晴空天氣條件下沿西海岸帶的偏西風對近海增溫及削浪作用。

3.2赤潮預測模型試驗

3.2.1資料處理及說明。

將秦皇島近海海區赤潮2004—2013年5—8月各類不同的數值產品檢驗結果中的分級要素頻數轉換成概率值，氣象同步要素場為20：00—次日20：00該區域沿海5個測站資料。環境場資料來自于本地44個區域氣象觀測站。其中，圖表時次為08：00和20：00，取值區域38°～41°N、115°～122°E。預測因子分為4個量級，各因子獨立取值分為3～5個級別。日照因子按季節概率值劃分，選取撫寧、昌黎及北戴河3個代表站資料，取值分為3～5個級別。入選赤潮過程個例26個，2012—2013年預測試驗個例6個（次）。預測級別定義為：0無赤潮發生；1赤潮可能性??；2赤潮發生可能性較大；3赤潮發生可能性最大或已經發生。

3.2.2預測因子轉換概率值。

根據氣象概率統計原理，對于彼此獨立的赤潮環境數值產品預測因子，互斥的海洋、氣象及環保預測量級（因子分級），可將頻數分配概率P做近似轉換，也可轉換成計數值（表2）。

3.2.3 基本模型。

首先，將赤潮預測對象劃分為m個等級或m個預報對象，采用多種環境預測方法或n個因子。記Pij為i種方法對第j等級的頻率預報值，則有：Pij=（Pi1，Pi2，…，Pim），i=1，2，…，n。利用數值產品資料統計得到每種方

法的實際預報準確率為Wi，其中i=1，2，…，n，則Bj=ni=1WiPij，取ni=1Wi=1，則Bk=MAX（Bj），所對應等級為m個預報對象第j個綜合結果。例如，設預測對象B分為4級（無、1、2、3），用3種產品做3次預測，具體試驗初始數據和案例見表3。

3.3預測試驗

3.3.1海洋生物、物理、化學因子集成試驗。

將表1中赤潮個例2004—2013年5—8月同步資料中取出20個樣本個例，利用2013年7—8月同步（34組）海洋物理、化學、生物監測值（表2），采用同步資料疊加分析，提煉出5個預測因子（4個級別），按上述模型進行分級概率加法模型試驗，集成結果為：1級15次、2級10次、3級9次，預測赤潮（3級）發生的次數明顯偏多。其中，74組數據源來自河北海洋局、環保局、海洋水產研究院等赤潮監測單位。

3.3.2預測因子改進方案。

關于赤潮發生發展的機理至今尚無標準定論，但赤潮發生的基礎條件之一是赤潮生物增殖要達到一定的密度，否則，盡管其他海洋與氣象環境因子都適宜，也不會發生赤潮，在一般的理化環境條件下，赤潮生物在浮游生物中所占的比重并不大，如鞭毛蟲類（或甲藻類）還是一些魚蝦的食物，但由于氣象環境條件的維持，促使某些赤潮生物優勢物種過量繁殖，加速近海赤潮大面積的形成。

由于海洋、環保、氣象部門監測系統各自獨立，多數赤潮的發生時間為已經發生后的1～3 d，因此，同步氣象資料一般取上報日期前7 d，預測方法研究局限于常規的科研方式。相關優勢物種是否來自遼寧北部海域、天津海域，目前監測能力難以說明，赤潮預測的氣象環境、海洋物理、海洋化學、水文等預測因子匹配是否合理，不確定性因素較多。

4結論與討論

（1）渤海地理環境特征不同，赤潮有害種類時空尺度分布不均，形成機理有待于進一步探討，但對赤潮的發生是各種物理、化學、生物等綜合因素作用的結果已達成共識。氣象環境條件是赤潮發生→發展→消亡的新因素之一。

（2）秦皇島近海海域赤潮發生面積大于1 000 km2的典型個例中，時間段為6—8月，持續時間7～15 d，赤潮發生前7 d環渤海地區地面維持弱均壓場狀態，最高氣溫30～34 ℃，相對濕度78%～88%，平均風速1～2 m/s，平均日照時數6～8 h；赤潮發生后1～2 d環渤海地區地面維持均壓場狀態。

（3）強降水天氣及離岸風場對赤潮發展過程的影響：在已經發生赤潮的條件下，降水因子起到2個效應，即海上強對流冰雹、短時大風可能快速淡化赤潮生物濃度、分割聚合體；暴雨加大各河道向近海污染排放量并激發近海底排污口氮、磷等沉積物元素混合到表層海面，導致營養鹽含量偏高，使赤潮維持或加重；偏西風效應：降低外海向岸區的涌浪，對該海區表層水溫增溫。

（4）單一的海洋生物、物理、化學因子集成預測赤潮發生的空報次數偏多，疊加氣象環境預測因子空報次數明顯下降。由于海洋、環保、氣象部門監測系統各自獨立，海洋物理化學與氣象水文等預測因子是否匹配合理及預測模型的設定不確定性因素較多，如何加強不同學科密切合作、資料共享，有效提升環渤海赤潮監測預測能力，尚需進一步研究。

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