赤潮綠潮生態(tài)模型

1、海洋生態(tài)環(huán)境預(yù)報(bào)國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心海洋環(huán)境預(yù)報(bào)室 高姍2LOGO富營(yíng)養(yǎng)化、營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化低氧、缺氧區(qū)域擴(kuò)大海洋酸化、生態(tài)效應(yīng)赤潮、綠潮、水母頻發(fā)漁場(chǎng)功能消失、資源量下降我國(guó)近海生態(tài)環(huán)境面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)海洋生態(tài)災(zāi)害暴發(fā)嚴(yán)重，維護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境安全海洋生態(tài)系統(tǒng)受人類活動(dòng)和氣候變化共同影響人類活動(dòng)氣候變化2013年，原國(guó)家海洋局公布了首批國(guó)家級(jí)海洋生態(tài)文明建設(shè)示范區(qū)，至2020年預(yù)計(jì)將新增40個(gè)國(guó)家級(jí)海洋生態(tài)文明建設(shè)示范區(qū)。2018年10月，習(xí)近平主持召開中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第三次會(huì)議的講話中指出：“實(shí)施重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)修復(fù)工程，恢復(fù)森林、草原、河湖、濕地、荒漠、海洋生態(tài)系統(tǒng)功能；實(shí)施海岸帶保護(hù)修復(fù)工程，建

2、設(shè)生態(tài)海堤，提升抵御臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害能力”推進(jìn)海洋生態(tài)文明建設(shè)，關(guān)注海洋生態(tài)環(huán)境健康2015年7月，原國(guó)家海洋局印發(fā)國(guó)家海洋局海洋生態(tài)文明建設(shè)實(shí)施方案（2015-2020年），作為 “十三五”期間海洋事業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)性工作抓實(shí)抓牢，將海洋生態(tài)文明建設(shè)貫穿于海洋事業(yè)發(fā)展的全過程和各方面，推動(dòng)海洋生態(tài)文明建設(shè)上水平、見實(shí)效。海洋生態(tài)預(yù)報(bào)An ecological forecast predicts changes in ecosystems and ecosystem components in response to an environmental driver such as cli

3、mate variability, extreme weather conditions, pollution, or habitat change. It also provides information about how people, economies, and communities may be affected. Local authorities and members of the public use these early warnings to make decisions to protect the health and well-being of a part

4、icular area.海洋生態(tài)預(yù)報(bào)（marine ecological forecasting）是指針對(duì)氣候變化、極端天氣事件、環(huán)境污染以及海洋棲息地變化等環(huán)境影響因素所引起海洋生態(tài)系統(tǒng)以及組成成分發(fā)生變化的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，根據(jù)這些預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)以及早期預(yù)警，可以為海上人類活動(dòng)、沿海社會(huì)安全、海洋環(huán)境健康等方面提供有效的信息服務(wù)和安全保障。赤潮低氧致病菌生物棲息地預(yù)報(bào)要素（預(yù)報(bào)災(zāi)種）赤潮綠潮水母暴發(fā)珊瑚白化富營(yíng)養(yǎng)化、低氧、致病菌等災(zāi)害指標(biāo)預(yù)報(bào)對(duì)象（海域差異性）河口海灣陸架近海大洋深海技術(shù)方法經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)診斷分析數(shù)值模擬海洋生態(tài)預(yù)報(bào)包括近海水質(zhì)預(yù)報(bào)、海洋生物災(zāi)害預(yù)報(bào)、特定海域和大海洋生態(tài)系(LMEs) 的可持

5、續(xù)性、生物資源豐度及生態(tài)健康預(yù)測(cè)，以及區(qū)域海洋生態(tài)對(duì)多類時(shí)間尺度氣象事件響應(yīng)的動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)等。有害藻類暴發(fā)預(yù)報(bào) 低氧區(qū)預(yù)報(bào)旅游區(qū)水質(zhì)環(huán)境預(yù)報(bào)養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)環(huán)境預(yù)報(bào)氣候與生態(tài)預(yù)測(cè)管理體系及時(shí) 準(zhǔn)確 開拓 奉獻(xiàn)海洋環(huán)境預(yù)報(bào)室溫鹽流組海上突發(fā)事故應(yīng)急組生態(tài)環(huán)境組主要內(nèi)容一、海洋生態(tài)環(huán)境預(yù)報(bào)基礎(chǔ)知識(shí)二、赤潮生成條件預(yù)測(cè)及個(gè)例分析三、綠潮漂移預(yù)報(bào)及個(gè)例分析四、海洋生態(tài)數(shù)值預(yù)報(bào)海洋生態(tài)環(huán)境預(yù)報(bào)基礎(chǔ)知識(shí)海洋生態(tài)預(yù)報(bào)理論統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)報(bào)綜合集成預(yù)報(bào)赤潮生成條件預(yù)報(bào)概念和預(yù)報(bào)理論赤潮預(yù)報(bào)術(shù)語(yǔ)和定義赤潮災(zāi)害預(yù)警等級(jí)劃分以及應(yīng)急響應(yīng)綠潮漂移預(yù)報(bào)理論統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)是以概率論作基礎(chǔ)，預(yù)報(bào)量與預(yù)報(bào)因子的回歸方程所示關(guān)

6、系，在概率論上已達(dá)到某種置信的程度，因此，在大多數(shù)情況下，如果預(yù)報(bào)因子出現(xiàn)，預(yù)報(bào)量也就出現(xiàn)。但并不能保證在任何時(shí)候都有效，從預(yù)報(bào)上講，動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)最理想，但統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法仍是業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中最實(shí)用的方法之一。在赤潮預(yù)報(bào)中，多是根據(jù)赤潮多發(fā)水域的氣象、物理化學(xué)生物等海洋環(huán)境特點(diǎn)，在大量觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用多種方法和技術(shù)，可以建立多種赤潮統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的模型進(jìn)行預(yù)報(bào)（Wilson，2001；Mynett，2002） 診斷分析主要是運(yùn)用一些統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，如：主成分分析法，判別分析法，逐步回歸法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法等。隱層1隱層2輸入層輸出層BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在葉綠素預(yù)測(cè)的應(yīng)用生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)報(bào)海

7、洋生態(tài)系統(tǒng)中的生命有機(jī)體及其賴以生存的生態(tài)綜合體具有很強(qiáng)的多樣化和變異性，生命形式的多樣化包括生命形式之間、生命形式與環(huán)境之間相互作用的多樣性，還應(yīng)涉及到生物群落、生態(tài)系統(tǒng)、生境、生態(tài)過程等的復(fù)雜性。對(duì)如此復(fù)雜的海洋生態(tài)系統(tǒng)，只有做出大量的簡(jiǎn)化假設(shè)并略去部分變異性時(shí)，才有可能對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。最簡(jiǎn)單的包含浮游動(dòng)物的生態(tài)系統(tǒng)模型僅含有三個(gè)變量：限制營(yíng)養(yǎng)鹽（N）、浮游植物（P）、浮游動(dòng)物（Z），也稱NPZ模型，另外也有豐富了碎屑（D）的模型稱為NPZD。1872-1876年 英國(guó)“挑戰(zhàn)者號(hào)”V.Hensen: PlanktonDiatom 硅藻1921-1923 Lotka-Volterra

8、 Equation 1949年Riley, Stommel, Bumpus這些海洋生物學(xué)家和物理海洋學(xué)家，第一次結(jié)合海水動(dòng)力環(huán)境的驅(qū)動(dòng)，創(chuàng)建了關(guān)于西北大西洋的浮游植物動(dòng)力學(xué)模型； 之后，關(guān)于海洋生態(tài)模型的研究，也著重考慮海洋物理環(huán)境，尤其是水動(dòng)力過程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，關(guān)于海洋生態(tài)系統(tǒng)模型的研究也相繼開展了大量的工作。 海洋生態(tài)數(shù)值模擬monitoring in-situ datasatellite dataPhysical-biogeochemical modelPopulation Model for marine disasters (Jellyfish，fish larvae etc.)

9、Future pre-warning and predictionretrospective analysisglobal modelhigh-resolution modelvalidationnestingvalidationvalidationvalidation綜合集成預(yù)報(bào)主要內(nèi)容一、海洋生態(tài)環(huán)境預(yù)報(bào)基礎(chǔ)知識(shí)二、赤潮生成條件預(yù)測(cè)及個(gè)例分析三、綠潮漂移預(yù)報(bào)及個(gè)例分析四、海洋生態(tài)數(shù)值預(yù)報(bào) 1. 赤潮(red tide)，又稱有害藻華（harmful algal blooms, HABs），是在特定的環(huán)境條件下，海水中某些浮游植物、原生動(dòng)物或細(xì)菌爆發(fā)性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種生態(tài)異

10、常現(xiàn)象。赤潮生成條件預(yù)報(bào)概念和預(yù)報(bào)理論赤潮預(yù)報(bào)術(shù)語(yǔ)赤潮生成條件預(yù)報(bào)概念和預(yù)報(bào)理論赤潮預(yù)報(bào)術(shù)語(yǔ)2.赤潮生物 (red tide organisms)能夠大量繁殖并引發(fā)赤潮的生物稱之為赤潮生物。赤潮生物包括浮游生物、原生動(dòng)物和細(xì)菌等，其中有毒、有害赤潮生物以甲藻類居多，其次為硅藻、藍(lán)藻、金藻、隱藻和原生動(dòng)物等。在水體中捧在手心海灘上的球形棕囊藻3.赤潮毒素（red tide toxin）由有毒赤潮生物產(chǎn)生的天然有機(jī)化合物。這些毒素在貝類體中蓄積和代謝，使得貝類生物污染，一旦人類或者其他海洋生物食用了被污染的貝類會(huì)發(fā)生各種中毒癥狀，赤潮毒素的主要類型：麻痹性貝類中毒（PSP）、腹瀉性貝類中毒（DSP

11、）、神經(jīng)毒性貝類中毒（NSP）、失憶性貝類中毒（ASP）等。顯微鏡下的赤潮生物藍(lán)藻門-顫藻科-束毛藻屬-紅海束毛藻 圖A：片束群體（示意圖）；圖B：群體（LM）；圖C：絲狀體（LM）。 熱帶性種類，廣泛分布于各大洋暖水區(qū)中。該種在我國(guó)南海大量分布。束毛藻可以產(chǎn)生類似與神經(jīng)毒素的藻毒素，并對(duì)漁業(yè)等產(chǎn)生危害。 硅藻門-圓篩藻科-圓篩藻屬-星臍圓篩藻 圖A：殼面觀（LM）；圖B：殼面花紋（示意圖，示殼面 中央玫瑰區(qū)）。 廣溫性外洋種，世界各海洋廣泛分布。在我國(guó)沿海分布甚廣，為最常見的種類之一。各季節(jié)均有，數(shù)量也較大。 4.赤潮分布面積（distribution area of red tide）赤潮

12、分布包絡(luò)線內(nèi)海域的面積。5.赤潮覆蓋面積 （coverage area of red tide）赤潮生物實(shí)際覆蓋海域的面積。6.赤潮發(fā)生概率（red tide occurrence probability）赤潮發(fā)生可能性大小的量。7.預(yù)報(bào)時(shí)效（forecasting period validity）預(yù)報(bào)內(nèi)容所覆蓋的時(shí)間長(zhǎng)度，單位為小時(shí)（h）。赤潮生成條件預(yù)報(bào)概念和預(yù)報(bào)理論赤潮預(yù)報(bào)術(shù)語(yǔ)赤潮預(yù)報(bào)赤潮的成因赤潮發(fā)生的原因首先是具備一定的環(huán)境條件，其次是海區(qū)有赤潮生物或其孢囊的存在和擴(kuò)布。1.養(yǎng)分的增加，氮、磷、微量元素和某些溶解有機(jī)質(zhì)都是赤潮生物發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。2.適宜的溫度和鹽度。水溫突然升高

13、常是發(fā)生赤潮的預(yù)兆，因降水引起鹽度的突然降低也常與赤潮發(fā)生有關(guān)。我國(guó)沿海赤潮多發(fā)生在水溫2328，鹽度2328之間。3.一定的氣象條件。炎熱無(wú)風(fēng)的晴天持續(xù)一段時(shí)間，有利于水層的穩(wěn)定性并形成水溫的垂直分層或水平分區(qū)，這種情形下許多赤潮生物因具有垂直移動(dòng)或水平運(yùn)動(dòng)能力，可選擇養(yǎng)分豐富，光照充足、溫鹽度適宜水層生活，在種間競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì)并大量繁殖。4.赤潮生物或其孢囊的存在。當(dāng)環(huán)境條件適宜而缺少赤潮生物種源時(shí)，水流或人為地帶進(jìn)赤潮生物或其孢囊常可引起赤潮的突然發(fā)生。赤潮發(fā)生的基本過程1起始階段：將要發(fā)生赤潮的海域具有形成赤潮的生物種(包括營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞或胞囊)，海水的各種理 化條件能滿足該種赤潮生物生長(zhǎng)、繁

14、殖的需要。在這一階段中，赤潮生物開始繁殖或胞囊大量萌發(fā)，競(jìng)爭(zhēng)能力較強(qiáng)的赤潮生物可逐漸發(fā)展到一定的種群數(shù)量。2發(fā)展階段:在海區(qū)的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及光照、溫度、鹽度等因素繼續(xù)保持有利于赤潮生物發(fā)展的狀態(tài)下，赤潮生物呈指數(shù)式增長(zhǎng)并迅速形成赤潮，同時(shí)原先的共存種多數(shù)被抑制或消失，也可能有個(gè)別種隨赤潮出現(xiàn)而有增長(zhǎng)。這一階段任何環(huán)境因素的改變都有可能阻礙、推遲或終止形成赤潮的過程。3維持階段：維持階段是赤潮現(xiàn)象:持續(xù)的時(shí)間，這時(shí)赤潮生物種群數(shù)量處于相當(dāng)高的水平。這一階段的時(shí)間長(zhǎng)短主要取決于水體的物理穩(wěn)定性和各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗和補(bǔ)充狀況。4消亡階段: 引起赤潮消亡的原因包括營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)耗盡又未能及時(shí)得到補(bǔ)充，或遇

15、臺(tái)風(fēng)、降雨等各種引起水團(tuán)不穩(wěn)定性的因素，或溫度的突然變化超過該種赤潮生物的適應(yīng)范圍，造成赤潮生物的大量死亡，赤潮現(xiàn)象就逐漸或突然消失。這一過程往往是對(duì)漁業(yè)危害最嚴(yán)重的。 赤潮的可預(yù)報(bào)性赤潮需要化學(xué)、生物和物理三個(gè)條件全部具備才能發(fā)生。我國(guó)沿海海域藻類品種較多，赤潮多發(fā)地區(qū)往往也是赤潮生物的相對(duì)密集聚集區(qū)域，因此生物條件具備?；瘜W(xué)因素中主要是營(yíng)養(yǎng)鹽的滿足，我國(guó)近海污染較為嚴(yán)重，海水富營(yíng)養(yǎng)化程度較高，如果水質(zhì)短期內(nèi)不會(huì)大幅提高，赤潮多發(fā)區(qū)的營(yíng)養(yǎng)化情況就不會(huì)根本改變，赤潮化學(xué)條件也基本具備。在上述生物、化學(xué)兩條件滿足的情況下，物理?xiàng)l件就成為赤潮多發(fā)區(qū)的限制條件。1-1A赤潮預(yù)警報(bào)誘發(fā)赤潮的天氣形勢(shì)之

16、一M型等高線誘發(fā)的渤黃海赤潮2005年5月31日2005年6月1日2005年6月2日時(shí)間相關(guān)系數(shù)（臨界值為0.50）是否有赤潮發(fā)生2006.5.260.64否2006.5.270.562006.6.70.54是2006.6.80.842006.6.90.762006.6.100.782006.6.140.90是2006.6.150.772006.6.160.782006.6.250.74是2006.6.260.66M型典型天氣形勢(shì)場(chǎng)可以看出有4次超過0.5的臨界值，其中有3次發(fā)生了赤潮，其正確率達(dá)到了75%。誘發(fā)赤潮的天氣形勢(shì)之二高空斜槽、副高和地面高壓西部邊緣控制渤黃海地區(qū)誘發(fā)的赤潮2005

17、年9月7日2005年9月8日2005年9月9日時(shí)間相關(guān)系數(shù)（臨界值為0.50）是否有赤潮發(fā)生2006.6.50.52是2006.6.210.76否2006.6.220.712006.6.270.63是高空斜槽和副高典型場(chǎng)可以看出有3次超過0.5的臨界值，其中有2次發(fā)生了赤潮，其正確率達(dá)到了66.7%。在典型場(chǎng)覆蓋的時(shí)間段內(nèi)誘發(fā)2006年渤黃海赤潮的天氣過程實(shí)際上有5次，而只利用這兩個(gè)典型場(chǎng)預(yù)報(bào)出來(lái)的誘發(fā)赤潮發(fā)生的天氣過程就有3次，加之兩次預(yù)報(bào)錯(cuò)誤，綜合而言預(yù)報(bào)正確率為3/（5+2）=42.9%。通過兩類天氣形勢(shì)典型場(chǎng)的初步研究，我們得到利用典型場(chǎng)進(jìn)行赤潮預(yù)報(bào)具有可行性。赤潮中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)赤潮與副熱

18、帶高壓周期性振蕩的關(guān)系中國(guó)近海赤潮多發(fā)區(qū)緯度變化與西太副高脊線位置、副高北緣584線具有很好的擬合性，赤潮多發(fā)區(qū)集中在西太副高北緣584線一帶海域，而西太副高北側(cè)正是地面鋒區(qū)最為活躍的地帶。在用的赤潮預(yù)報(bào)方法經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法。其中包括氣象條件預(yù)測(cè)，海洋學(xué)過程和生態(tài)學(xué)因子。統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法。包括主成分分析法，判別分析法，逐步回歸法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法等。數(shù)值預(yù)測(cè)法。數(shù)值預(yù)測(cè)法是根據(jù)有害赤潮發(fā)生機(jī)理，通過各種物理-化學(xué)-生物耦合生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型模擬赤潮發(fā)生、發(fā)展、高潮、維持和消亡的整個(gè)過程，從而對(duì)有害赤潮進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法赤潮數(shù)值預(yù)警報(bào)技術(shù)示范區(qū)赤潮業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)情況：兩套系統(tǒng)于4月份在東海監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行項(xiàng)目

19、軟件集成；兩套系統(tǒng)于5月開始示范區(qū)業(yè)務(wù)化地試運(yùn)行；5-9月實(shí)現(xiàn)兩套數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的示范業(yè)務(wù)運(yùn)行；6-9月制作赤潮生態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值預(yù)報(bào)和赤潮漂移擴(kuò)散預(yù)報(bào)產(chǎn)品及預(yù)報(bào)單；赤潮生態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程赤潮漂移擴(kuò)散數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)流程 項(xiàng)目海上示范區(qū)區(qū)域示意圖 非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格與有限體積法的結(jié)合;在長(zhǎng)江口區(qū)域進(jìn)行了局地加密，共生成5877個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，10584個(gè)單元，其中最小網(wǎng)格長(zhǎng)約1km，邊界處最大約50km；生態(tài)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)變量的平流擴(kuò)散過程所需要的流場(chǎng)信息以及生物、化學(xué)轉(zhuǎn)化過程所需要的重要的海水溫度和鹽度信息由建立的三維水動(dòng)力模式提供。 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格圖 赤潮生態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模式采用8個(gè)基本狀態(tài)變量，即溶解

20、氧(DO)、浮游植物(PHYT)、碳生化需氧量(CBOD)、氨氮(NH4)、亞硝酸鹽和硝酸鹽(NO2+NO3)、有機(jī)磷(OP)、無(wú)機(jī)磷(OPO4)、有機(jī)氮(ON)等。狀態(tài)變量循環(huán)變化示意圖溶解氧氧化攝取沉積沉降死亡礦化水體對(duì)流&擴(kuò)散邊界通量溫度&鹽度生化需氧量氨氮硝酸鹽+亞硝酸鹽無(wú)機(jī)磷有機(jī)氮浮游植物外源輸入有機(jī)磷反硝化礦化死亡硝化作用死亡沉降呼吸作用光合作用還氧作用死亡攝取反硝化底棲層光照赤潮生態(tài)動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)技術(shù)確定赤潮發(fā)生時(shí)葉綠素濃度值A(chǔ)i的閾值，假設(shè):大于a1時(shí)有赤潮發(fā)生，規(guī)定為1； 小于a0時(shí)不發(fā)生赤潮，規(guī)定為0； 介于a1與a0時(shí)，規(guī)定為Ai/(a1-a0)。計(jì)算區(qū)域不同網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)、同一時(shí)

21、間序列 數(shù)值預(yù)報(bào)診斷分析模型計(jì)算環(huán)境狀態(tài)變量結(jié)果處理建立赤潮發(fā)生概率的指標(biāo)函數(shù)根據(jù)葉綠素濃度值是否呈指數(shù)增長(zhǎng)給定權(quán)重wi將權(quán)重wi與指標(biāo)函數(shù)fi的乘積和作為最終赤潮發(fā)生概率fw其中赤潮發(fā)生概率預(yù)報(bào)且概率大于等于50%，有利于赤潮發(fā)生；概率小于50%，不利于赤潮的發(fā)生。 赤潮個(gè)例分析6月18日至23日，示范區(qū)葉綠素濃度呈逐漸增長(zhǎng)的變化趨勢(shì) 赤潮發(fā)生的概率均大于50%，根據(jù)建立的赤潮指標(biāo)函數(shù)判定方法，認(rèn)為6月20日至23日海洋環(huán)境條件有利于赤潮發(fā)生，即預(yù)測(cè)海區(qū)發(fā)生赤潮，與記錄的實(shí)際情況一致。日 期概 率20060620120.56448520060620180.67619120060621120.

22、5997420060621180.70820420060622120.69058720060622180.85651620060623120.57934320060623180.698934示范區(qū)數(shù)值模擬的葉綠素濃度時(shí)間序列變化 數(shù)值模擬的葉綠素濃度分布基于數(shù)值模型計(jì)算的赤潮發(fā)生概率 赤潮預(yù)測(cè)情況2013年制作并向項(xiàng)目組發(fā)送赤潮生態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值預(yù)報(bào)累計(jì)48期；制作并向項(xiàng)目組發(fā)送赤潮漂移擴(kuò)散預(yù)報(bào)累計(jì)54期；衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)疑似赤潮水體面積變化赤潮預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率判斷標(biāo)準(zhǔn)1：預(yù)報(bào)結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果相一致判斷為準(zhǔn)確，預(yù)報(bào)結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果不一致判斷為不準(zhǔn)確。例預(yù)報(bào)結(jié)果為不利于，監(jiān)測(cè)結(jié)果沒有赤潮發(fā)生，則判斷為預(yù)報(bào)準(zhǔn)確；預(yù)

23、報(bào)結(jié)果為不利于，監(jiān)測(cè)結(jié)果有赤潮發(fā)生，則判斷為預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確。判斷標(biāo)準(zhǔn)2：赤潮發(fā)生天數(shù)/（赤潮發(fā)生天數(shù)+漏報(bào)赤潮發(fā)生天數(shù)+錯(cuò)報(bào)赤潮發(fā)生天數(shù)）。根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)1，2013年?yáng)|海赤潮預(yù)警示范區(qū)對(duì)赤潮的預(yù)報(bào)共143天，其中118天預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，準(zhǔn)確率為82.5%。根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)2，2013年?yáng)|海赤潮預(yù)警示范區(qū)赤潮共發(fā)生14天，赤潮發(fā)生天數(shù)(14)+漏報(bào)赤潮發(fā)生天數(shù)(3)+錯(cuò)報(bào)赤潮發(fā)生天數(shù)(21)共38天，準(zhǔn)確率為36.8%。 主要內(nèi)容一、海洋生態(tài)環(huán)境預(yù)報(bào)基礎(chǔ)知識(shí)二、赤潮生成條件預(yù)測(cè)及個(gè)例分析三、綠潮漂移預(yù)報(bào)及個(gè)例分析四、海洋生態(tài)數(shù)值預(yù)報(bào)綠潮是指以石莼、滸苔為代表的大型綠藻類的異常增多聚集現(xiàn)象。綠潮漂移預(yù)報(bào)理論世界

24、綠潮藻華概況綠潮在全球沿岸海域爆發(fā)并造成嚴(yán)重危害的現(xiàn)象變得越來(lái)越頻繁，已經(jīng)成為一種世界性的海洋災(zāi)害。美國(guó)、加拿大、丹麥、荷蘭、法國(guó)、意大利、日本、韓國(guó)和菲律賓等國(guó)家沿岸海域，均爆發(fā)過綠潮災(zāi)害，已引起廣泛的關(guān)注。法國(guó)沿岸海域的情況尤為嚴(yán)重，從1997年到2001年，受綠潮危害的濱海城市從60個(gè)增加到103個(gè)。 2008年亞丁灣海域的綠藻藻華滸苔屬于綠藻門。藻體草綠色，管狀膜質(zhì)，叢生，主枝明顯，分枝細(xì)長(zhǎng)，高可達(dá)1米。藻體直立，基部細(xì)胞生出假根絲，向下形成固著器。它廣泛分布在全世界各海洋中，常生長(zhǎng)在潮間帶巖石上或石沼中，或泥沙灘的石礫上，有時(shí)也可附生在大型海藻的藻體上。滸苔的自然繁殖能力特別強(qiáng)，產(chǎn)量

25、巨大,有性繁殖、無(wú)性繁殖和營(yíng)養(yǎng)繁殖。我國(guó)海域特別是東海海域的綠藻資源十分豐富，僅福建沿海每年天然產(chǎn)量（鮮重）達(dá)10萬(wàn)t以上。 滸苔（Enteromorpha prolifera）年份爆發(fā)時(shí)間登陸時(shí)間最盛期結(jié)束時(shí)間2011年5月27日6月18日6月中旬至7月中旬8月14日2012年5月18日6月13日5月下旬至6月下旬7月29日2013年5月11日6月上旬6月上旬至7月上旬8月11日2014年5月13日6月初5月下旬至7月中旬8月6日2015年5月16日6月中旬5月下旬至7月上旬8月6日2016年5月16日6月中旬6月上旬至7月上旬8月5日近6年綠潮發(fā)展統(tǒng)計(jì)表2011年-2016年綠潮最大覆蓋面

26、積和分布面積圖黃海綠潮發(fā)生發(fā)展演變規(guī)律建立東海和黃海滸苔漂移預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用歐拉-拉格朗日漂移計(jì)算技術(shù),考慮海流、風(fēng)等作用，預(yù)報(bào)滸苔漂移路徑、覆蓋范圍、影響岸段等。中國(guó)海海域氣象預(yù)報(bào)模式海面風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)溫度和海流預(yù)報(bào)模式提供海流預(yù)報(bào)遙感圖像信息數(shù)字化處理模塊滸苔漂移路徑數(shù)值預(yù)報(bào)模塊海流預(yù)報(bào)模塊風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)模塊預(yù)報(bào)產(chǎn)品可視化模塊追蹤模塊拉格朗日追蹤方法海表面流速風(fēng)速風(fēng)拖曳系數(shù)(=0.02)風(fēng)對(duì)綠潮粒子漂移的影響：直接作用于綠潮粒子漂移速度；改變綠潮漂移方向。綠潮位置風(fēng)向風(fēng)拖曳偏轉(zhuǎn)角預(yù)報(bào)保障產(chǎn)品時(shí)效：48h1、滸苔漂移路徑、覆蓋范圍、影響岸段等。預(yù)報(bào)保障產(chǎn)品時(shí)效：48h2、海流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、天氣、海溫 （預(yù)報(bào)單）

27、生態(tài)模塊生長(zhǎng)和死亡過程(溫度影響)Following Epply(1972)s equationthe growth rate of green algae is set as：死亡過程和GT同樣處理方法。Growth rate atTemperature-dependent coefficient(1.01-1.18)Piecewise function生態(tài)模塊藻類生長(zhǎng)過程同時(shí)依賴光照The light limitation function follows Steele(1962)is optimal light intensity.總生長(zhǎng)率(溫度、光照)綠潮相對(duì)生物量2009年綠潮粒子和

28、相對(duì)生物量的時(shí)空分布5月快速、連續(xù)增加；6，7月份達(dá)到峰值；8月進(jìn)入消衰期；8月底消失。進(jìn)入E區(qū)綠潮相對(duì)生物量季節(jié)變化2008年(左)和2009年(右)綠潮粒子和相對(duì)生物量的時(shí)空分布20082009主要內(nèi)容一、海洋生態(tài)環(huán)境預(yù)報(bào)基礎(chǔ)知識(shí)二、赤潮生成條件預(yù)測(cè)及個(gè)例分析三、綠潮漂移預(yù)報(bào)及個(gè)例分析四、海洋生態(tài)數(shù)值預(yù)報(bào)地球系統(tǒng)的組成部分海洋生態(tài)系統(tǒng) 海洋低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)磷循環(huán)硅循環(huán)鐵循環(huán)ROMS_CoSiNE, US53Carbon Silicate Nitrogen Ecosystem Model (CoSiNE)物理-生物地球化學(xué)碳循環(huán)耦合模型 ROMS-CoSINE (Chai et al.

29、, 2002,2009；Liu et al., 2009a, 2009b)NEMO_BFM, ItalyLazzari et al. 2010Teruzzi et al. 2011Biogeochemical Flux Model (BFM)英國(guó)國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心（NCOF）發(fā)布的海洋生態(tài)業(yè)務(wù)化實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)3-DJapan Sea & COCO_NEMURO, JapanNorth Pacific Ecosystem Model Understanding Regional Oceanography (NEMURO)Development of water quality model in the

30、Satilla River Estuary, Georgia包括8個(gè)狀態(tài)參量（1）氨鹽（NH3）；（2）硝酸鹽與亞硝酸鹽（NO2，NO3）；（3）無(wú)機(jī)磷（OPO4）；（4）有機(jī)氮（ON）；（5）有機(jī)磷（OP）；（6）浮游植物（PHYT）；（7）碳生化需氧量（CBOD）；（8）溶解氧（DO）。除平流擴(kuò)散物理過程外，模型包括的主要生化過程包括：光合作用、呼吸作用、硝化作用、底層交換、泥沙再懸浮以及外部輸入。 -WQM類型模型名稱描述特點(diǎn)不足過程模型捕食者-被捕食者模型解決生物個(gè)體的生理機(jī)能或生理參數(shù)和生物功能間的關(guān)系較好地反映數(shù)據(jù)樣本的統(tǒng)計(jì)特征難以刻畫生物過程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律個(gè)體模型SSM（Stage

31、 Structured Population Models）計(jì)算個(gè)體能量收支和生長(zhǎng)只考慮個(gè)體的某個(gè)影響因子，基于個(gè)體建立模型不能完全模擬實(shí)際現(xiàn)象種群模型IBMs (Individual-based Models)研究水層魚類種群動(dòng)態(tài)模擬生物-物理環(huán)境耦合、動(dòng)力學(xué)-統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合計(jì)算量大，只追求參數(shù)化描述過程PSEM（partially specified ecological model）基于動(dòng)力統(tǒng)計(jì)耦合應(yīng)用思想的海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型某些成分以未知函數(shù)表示，避免因不合理假設(shè)出現(xiàn)行為的虛假限制需依據(jù)大量實(shí)測(cè)資料進(jìn)行參數(shù)適配系統(tǒng)模型ERSEM（European Regional Sea Ecosyst

32、em Model)模擬歐州北海生態(tài)系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)箱式模型，簡(jiǎn)便易行，一般適用于半封閉海灣或區(qū)域海不能用于動(dòng)力機(jī)制研究，空間分辨率缺失或較低浮游植物模型NORW 研究北海營(yíng)養(yǎng)鹽的輸運(yùn)和初級(jí)生產(chǎn)力的年變化三維模型，將三維斜壓水動(dòng)力模型與生物-化學(xué)模型耦合起來(lái)浮游植物動(dòng)力學(xué)的某些特征表征還不完善物質(zhì)循環(huán)模型東京灣模型評(píng)價(jià)東京灣污染治理有效性三維模型，與底棲模型相耦合生物過程只涉及浮游植物與初級(jí)生產(chǎn)力河口模型GEMBASE（General Ecosystem Model for Bristol Channel and Senvern Estuary）以水質(zhì)管理為目標(biāo)，預(yù)測(cè)分析攔水壩工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響箱

33、式結(jié)構(gòu)，由許多子模型構(gòu)成空間分辨率較低，不便于動(dòng)力機(jī)制研究赤潮模型ECOHAM（漢堡歐洲北海生態(tài)模型）預(yù)測(cè)歐洲北海生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)三維模型，營(yíng)養(yǎng)鹽再生過程較詳細(xì)只包含一種營(yíng)養(yǎng)鹽不同類別的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型海洋生態(tài)預(yù)報(bào)綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)縱觀國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)不是以集合立體的海洋觀測(cè)網(wǎng)為重要基礎(chǔ)，為預(yù)報(bào)部門傳輸實(shí)時(shí)快捷的海洋環(huán)境信息和赤潮發(fā)生的地理、氣象、水文以及理化環(huán)境數(shù)據(jù)信息。環(huán)境監(jiān)測(cè)，生態(tài)預(yù)報(bào)和藻類風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相結(jié)合的赤潮（綠潮）綜合預(yù)警報(bào)業(yè)務(wù)體系是發(fā)展方向。美國(guó)HAB-OFS預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供產(chǎn)品信息示意圖 法國(guó)國(guó)家浮游植物和藻毒素監(jiān)測(cè)網(wǎng)REPHY（左）和業(yè)務(wù)化浮游植物預(yù)報(bào)系統(tǒng)PREVIMER（右）

34、英國(guó)赤潮風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)（The AlgaRisk bloom warning system）構(gòu)架（左）和及其門戶網(wǎng)站各種信息資源的自動(dòng)更新（右）生物模型氣西北太平洋海洋生態(tài)環(huán)境數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)系統(tǒng)海物理模型碳循環(huán)過程temperaturetemperature國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目“南海海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的數(shù)值模擬研究”國(guó)家自然基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目“海洋過程及其資源和環(huán)境效應(yīng)”模擬結(jié)果遙感數(shù)據(jù)Jan. 2000Jul. 2000葉綠素模擬結(jié)果與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的比較驗(yàn)證2月份8月份2月份8月份Ji Xuanliang, Liu Guimei, Gao Shan, Wang Hui. 2015. Pa

35、rameter Sensitivity of the Biogeochemical Model in the China Coastal Seas. Acta Oceanol.Sin.(SCIE) DOI: 10.1007/s13131-015-0762-0: 51-60.320340360380400420440460pCO2 (uatm)海水二氧化碳分壓（pCO2 sea ）季節(jié)分布2月份Feb.8月份Aug.NovemberTakahashi, et al., 2009. DSR模擬結(jié)果pCO2seapH增長(zhǎng)速率：1.11atm yr-1Takahashi（2009）0.52atm yr

36、-1 (NPAC) 1.30.6atm yr-1（near the equator） 下降速率：0.001yr-1Solomon （2007）0.002 yr-1 (NATC) 海水呈酸化趨勢(shì)海水二氧化碳分壓與酸堿度的年際變化pCO2sea & pH (1982-2005)Gas transfer velocity (k):Wanninkhof（1992） 二氧化碳通量的季節(jié)分布 CO2 flux+ 海洋是大氣碳通量的匯- 海洋是大氣碳通量的源西北太平洋海域碳通量24年平均值為0.12mol m-2 yr-1 ，該海域是大氣碳通量的匯。The 24-year mean CO2 flux is

37、about 0.12mol m-2 yr-1 over the entire northwestern PAC.Northwestern PAC is a sink of CO2 to atmosphere over these 24 years.2月份Feb5月份May8月份Aug11月份Nov黃東海海洋生態(tài)環(huán)境數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)系統(tǒng)通常定義水體中的溶解氧(DO)濃度小于2.0 mg/L為缺氧狀態(tài)，當(dāng)DO2.0mg/L時(shí)，海洋中大部分水生生物將面臨死 缺氧定義：Zhuoyi Zhu et al, 2011,Marine Chemistry 長(zhǎng)江口溶解氧模擬季節(jié)分布狀況c: DOFeba: Tem

38、p，F(xiàn)ebb: Salt，F(xiàn)eb31oN斷面c: DOFeb二月份，溫度、鹽度均勻分布，高溶解氧I: DO，Augg: Temp，Augh: Salt，Aug八月份，海水呈層化現(xiàn)象，低氧現(xiàn)象顯著溫度鹽度溶解氧溫度鹽度溶解氧b)a)ExperimentIntegrated Hypoxic Area (103 km2days)Average N21mg/L2mg/L3mg/LSummer averageYearly averageBase run11.7330.511635.5810-42.6310-4River dischargeQconst8.0179.6(-46%)939.33.8010-42.2410-4Q294.1634.8(+92%)1640.410.0110-45.0310-4Q0.54.331