全球气候变化对太湖蓝藻水华发展演变的影响

王成林,潘维玉,韩月琪,钱 新(1.南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京1009；.解放军理工大学气象学院,江苏 南京 11101；.南京信息工程大学,气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏 南京 10044)

全球气候变化对太湖蓝藻水华发展演变的影响

王成林1,2,潘维玉3,韩月琪2,钱 新1*(1.南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京210093；2.解放军理工大学气象学院,江苏 南京 211101；3.南京信息工程大学,气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏 南京 210044)

对太湖周边4个常规气象观测站的47年观测资料进行分析,以探讨全球气候变化对太湖蓝藻水华演变的影响.结果表明,20世纪80年代之前,太湖流域气象条件的年代际尺度变化趋势不利于蓝藻的生长和水华的形成,而在20世纪80年代以后,尤其是20世纪90年代以后,气温、风速、降水变化都较大,且都有利于蓝藻的生长和水华的形成,这与蓝藻水华的观测事实一致.据此定义了蓝藻水华气象指数,每年太湖蓝藻水华气象指数能够很好地反映蓝藻水华的发展变化情况.进而,分析了反映ENSO循环变化的Niño3指数与太湖流域气象条件变化的相关性,结果表明ENSO循环与太湖流域风速、降水在年代际尺度上有着非常好的相关性.据此预测,2000年以后10～20年中,太湖蓝藻水华气象指数将继续在高位振荡,若蓝藻生长所需的营养盐浓度得不到有效的控制和明显的降低,蓝藻水华在气候条件的影响下,仍将可能大面积暴发.

太湖；全球气候变化；蓝藻水华；蓝藻水华气象指数

Abstract：Based on the analysis of 47 years observation data from the 4 weather stations around Taihu Lake, before the 1980's, the annual scale fluctuation of weather condition around Taihu Lake was against the growth of cyanobacteria, while it was becoming propitious for the cyanobacteria after the 1980's, especially after the 1990's with the significant change in air temperature, wind speed and precipitation. The meteorological index of the cyanobacteria bloom was defined, which was proved to be a good reflection of the annual cyanobacteria bloom situation. Furthermore, the relation between the Niño3 Index, a reflection of the change in ENSO circulation, and the change in climate conditions of Taihu Lake Basin was studied. An obvious relevance in annual scale between the ENSO circulation and the wind speed/precipitation was indicated in Taihu Lake Basin. During 2000 to 2020, the cyanobacteria bloom index would continue keeping in the high value. If there was no effective control and decrease in the nutrients, the cyanobacteria bloom may continue happening extensively each year in Taihu Lake.

Key words：Taihu Lake；global climate change；cyanobacteria bloom；meteorological index of cyanobacteria bloom

太湖位于长江中下游地区,目前蓝藻水华频繁暴发,而且暴发面积不断增大[1-3].相关研究表明[4-5],太湖20世纪50年代未见蓝藻水华,20世纪60年代仅见于五里湖,20世纪70年代在鼋头渚和焦山附近水域出现,20世纪80年代初在五里湖和梅梁湾2/5区域出现,20世纪80年代末发展到梅梁湾的3/5湖面以及大太湖西岸局部水域,之后逐渐向南、向西、向东迅速蔓延发展,直至2006年蓝藻水华约覆盖太湖总面积的2/5.由此可见,太湖蓝藻水华发展演变在20世纪80年代初出现了突变,之前太湖基本没有出现大面积蓝藻水华现象,仅在五里湖和梅梁湾局部湖区出现;之后几乎每年都暴发大面积的蓝藻水华.

气候变化与富营养物质高度聚集是导致水华周期性暴发的2个主要原因.已有研究认为,中国近30年的经济迅速发展,太湖周边经济发达城市的工业、农业、生活污水不断汇入太湖,使得太湖水体富营养化程度日益加重,是造成蓝藻生长和水华暴发的主要原因之一[3,6-7];另外,全球气候变化与大尺度的ENSO (El Niño and the Southern Oscillation)循环造成了湖泊气象条件的改变,包括降水、风速、光照、气温等,这些主要的气象条件变化通过打破流场、水温和营养平衡直接影响湖泊的水质[8-15],是造成蓝藻生长和水华暴发的另外一个主要原因.所以,只要湖泊营养盐浓度长期在较高水平波动,即使完全切断外源污染,只要温度、水流、光照等条件适宜,蓝藻也很可能大规模暴发.

图1 太湖流域月平均气温的演变趋势Fig.1 The fluctuation of monthly mean temperature in Taihu Basin

人们所观测到的太湖湖面出现蓝藻水华暴发,一般是在高温季节、强光条件和风平浪静时等特定的环境条件[7].因此,在太湖营养盐浓度较高的情况下,太湖流域高温、微风气象条件出现的天数能够反映蓝藻水华的变化情况.当高温、微风气象条件出现的天数越多,则反映蓝藻水华暴发的次数可能越多、面积可能越大;反之,蓝藻水华暴发次数可能越少、面积可能越小.本研究对半个世纪以来太湖流域气温、风速和降水分别进行小波分析,并将其与全球气候的变化及异常联系在一起,寻求两者的相关性.进而选择太湖流域高温、微风的天气情况进行统计分析,定性地解释全球气候变化及异常对太湖蓝藻水华暴发的影响.

1 太湖流域气候演变

选择太湖周边东山站、吴中站、无锡站、宜兴站的47a(1961～2007年)日平均资料, 4个站点的月平均气温、风速,作为太湖流域的月平均气温、风速;4个站点的月平均累积降水量,作为太湖流域的月累积降水量.

图1a为太湖流域月平均气温随时间的变化,图1b为太湖流域月平均气温经小波滤波后[16],保留大于27个月以上时间尺度的变化序列,反映的是年代际时间尺度的变化趋势.由图1b可见,太湖流域月平均气温在20世纪80年代中期以后发生跃变,逐年升高,到2003年左右达到峰值,其后有下降趋势,其峰谷气温差值高达1℃以上.

图3 太湖流域月平均降水的演变趋势Fig.3 The fluctuation of monthly mean rainfall in Taihu Basin

图2a为太湖流域月平均风速随时间的变化,图2b为太湖流域月平均风速年代际尺度的变化趋势.由图2b可见,太湖流域月平均风速在20世纪70年代以后发生跃变,逐年下降,2007年达到谷值,与峰值的差接近1m/s.

图3a为太湖流域月累积降水量随时间的变化,图3b为太湖流域月累积降水量年代际尺度的变化趋势.由图3b可见,太湖流域月累积降水量在20世纪70年代初以后发生跃变,逐年增加,90年代初月累积降水量达到峰值,与谷值的差接近25mm; 20世纪90年代以后月累积降水量逐年下降,2007年月累积降水量下降至20世纪70年代初的水平.

2 结果与讨论

2.1太湖流域气候演变对蓝藻水华发生的影响

根据太湖流域月平均气温、风速和月累积降水的变化趋势,可以分为4个阶段综合分析气候变化与蓝藻水华发展演变的相关性.20世纪60～70年代,太湖流域气温基本没有变化、风速略呈上升趋势、降水呈下降趋势,虽然降水的减少使得太湖水体中的污染物和营养盐浓度升高,有利于蓝藻的生长,但气温较低且基本没有变化,风速上升使得对水体的搅动增大,均不利于蓝藻上浮聚集、形成水华.20世纪70～80年代,太湖流域气温、风速均呈下降趋势,降水呈上升趋势,虽然风速的下降使得对水体的搅动减小,有利于蓝藻上浮聚集,形成水华.但是气温的下降不利于蓝藻的生长,降水的增加又使得太湖水体中的污染物和营养盐浓度下降,也不利于蓝藻生物单体的生长.20世纪80～90年代,太湖流域气温呈上升趋势、风速呈下降趋势、降水呈上升趋势.虽然降水的增加使得太湖水体中的污染物和营养盐浓度下降,但是随着改革开放的发展,环太湖城市污染物的排放加剧了太湖的富营养化程度.同时,气温的上升和风速的下降有利于蓝藻的生长和蓝藻上浮聚集、形成水华.20世纪90年代以后,太湖流域气温呈上升趋势,风速、降水均呈下降趋势.气温的急剧升高有利于蓝藻的生长,同时使得蓝藻水华形成所需的积温时间提前;风速的下降使得对水体的搅动减小,有利于蓝藻上浮聚集,形成水华;降水的减少使得太湖水体中的污染物和营养盐浓度升高,富营养化程度加大,这又有利于蓝藻的生长,更加恶化了水质.

所以,20世纪60～80年代,太湖流域气象条件的年代际尺度变化趋势不利于蓝藻的生长和水华的形成;但是,20世纪80年代以后,太湖流域气象条件的年代际尺度变化趋势有利于蓝藻的生长和水华的形成,尤其是20世纪90年代以后,气温、风速、降水变化都较大,而且都有利于蓝藻的生长和水华的形成.这与观测事实以及其他学者的研究结论一致[1-2,4-5].

2.2太湖蓝藻水华气象指数的定义

通过上述分析发现,20世纪90年代以后太湖流域气温、风速、降水的变化趋势有利于蓝藻的生长和水华的形成.高温使得太湖的水温升高、强光照增强了蓝藻细胞的光合作用,从而加大了蓝藻的原位生长速率[17];当风速小于4m/s时,风浪较小,有利于蓝藻生长或漂浮[18].由于近10年太湖营养盐浓度长期在较高水平波动,降水并不能从根本上降低太湖水体富营养化程度,所以只考虑气温和风速对蓝藻水华形成的影响,定义太湖周边东山站、吴中站、无锡站、宜兴站同时满足14∶00的气温＞25℃、风速≤4m/s的累计天数为太湖蓝藻水华气象指数.此指数越大,表明高温、微风的天数越多,蓝藻水华出现的可能性越大.

为了检验太湖蓝藻水华气象指数与蓝藻水华发展演变的趋势的相关性,选择1961～2007年共计47a的气象报文资料计算蓝藻水华气象指数.47a中全年平均指数为48.2128d,近似为48d.由图4a可见, 1981年之前,气象指数都小于平均值,1995年之后除了2000年外都大于平均值,尤其是2004、2005、2006和2007年的气象指数较大.与太湖蓝藻水华发展演变趋势的研究结果基本吻合[4-5].所以,每年太湖蓝藻水华气象指数能够很好地反映蓝藻水华的变化情况.

由图4a还可见,2006年太湖蓝藻水华气象指数大于平均值33d、2007年大于平均值26d.依据此结果,2006年太湖蓝藻水华暴发应该较为严重.但是,2007年太湖蓝藻水华暴发较2006年造成的灾害和经济损失要严重得多,而且在2007年5月就暴发了大面积水华,甚至无锡市5月份中下旬就出现饮用水紧张的现象[3].为此,进一步计算每年6月份之前蓝藻水华气象指数,如图4b所示,可以看出2007年6月份之前气象指数明显大于2006年的8d,共计15d,较2006年多出7d.从图4c可以看出,2006年满足14∶00的气温＞25℃、风速≤4m/s的开始时间为4月18日,而2007年为3月28日,比2006年提前了18d.因此,2007年出现高温、微风的气象条件的时间较早,而且6月之前出现的总天数较多,这可能是导致2007年蓝藻水华较早大面积暴发的原因.这也从另外一个方面反映出蓝藻水华气象指数能够较好地反应蓝藻水华发生的面积和强度.

图4 高温、微风天气累计天数Fig.4 Cumulative days under high air temperature and gentle breeze

图5 Niño3指数变化与太湖气候条件变化的相关性Fig.5 The correlational analysis between Niño3 index and climate conditions in Taihu Basin

2.3ENSO循环与太湖流域气象条件演变趋势的相关性

目前,研究人员大都使用反映El Niño发生的Niño3指数(150°W～90°W,5S°～5°N范围内海温距平的区域平均值)正值至少持续3个季以上,且Niño3指数至少有1个季以上超过0.5℃,同时南方涛动指数SOI(塔西提岛与澳大利亚的达尔文的气压差)在此期间必须保持为负值,且＜-1.0,这一标准来判断ENSO事件的发生.为此利用文献[19]中的Niño3指数,分析ENSO循环与太湖流域气候条件变化的相关性.

将Niño3指数及太湖流域月平均气温、月平均风速、月累积降水量大于27个月时间尺度的变化序列进行归零化处理.如图5所示,太湖流域月平均气温、月平均风速、月累积降水量以及Niño3指数大约在20世纪70年代以后,均一致性地经历了一次跃变.这与郭燕娟[20]的研究结论基本一致.分别将月平均气温、月平均风速、月累积降水量与Niño3指数作相关性分析,其最大相关系数分别为0.2584、-0.9087、0.8107,且 Niño3指数均超前12个月.由此可以得出,ENSO循环与太湖流域的气温相关性较差,其原因可能是全球温室效应的加剧导致了气温逐年升高[21-23];但ENSO循环与太湖流域的风速和降水相关性较好,而且均超前1a.这反映出在年代际尺度上ENSO循环的异常影响着太湖流域的风速和降水.

2.4太湖蓝藻水华长期预警

图5中Niño3指数在20世纪70年代中期至20世纪90年代末出现了周期性的振荡,已有的研究也表明,Niño3指数在年代际尺度上有20a左右的周期性变化[20,24-25].所以,2000年以后,Niño3指数在年代际尺度上将由波谷向波峰演变,预计将在2010～2015年左右达到波峰.由于Niño3指数在年代际尺度上与太湖流域风速变化呈显著负相关.因此,可以预计2000～2015年期间,太湖流域风速将继续保持在低位振荡.另外,由于全球温室气体排放逐年在增加,温室效应导致全球气温逐年在增加.所以,今后的若干年中太湖流域的蓝藻水华气象指数仍将继续保持在高位振荡,即高温、微风的天数仍将明显高于历史平均值.据此,可以预测2000年以后10～20a中,若蓝藻生长所需的营养盐浓度得不到有效的控制和明显的降低,蓝藻水华在气候条件的影响下,仍将可能大面积暴发.

气象条件能够很好地反映蓝藻水华的发展演变情况,这些气象条件的气候尺度变化又与全球气候变化有着高度的相关性,所以,全球气候变化对太湖蓝藻水华演变有较大影响.对于全球气候变化影响蓝藻水华发展演变的机理,应成为后续进一步研究的重点.

3 结论

3.120世纪80年代之前太湖流域气象条件的年代际尺度变化趋势不利于蓝藻的生长和水华的形成,而在20世纪80年代以后,尤其是20世纪90年代以后,气温、风速、降水变化都较大,且都有利于蓝藻的生长和水华的形成,这与蓝藻水华的观测事实基本一致.据此,定义了蓝藻水华气象指数.每年太湖蓝藻水华气象指数能够较好地反映蓝藻水华的变化发展情况.

3.2Niño3指数在年代际尺度上与太湖流域风速变化显著负相关.据此,可以预计2000～2015年期间太湖流域风速将继续保持在低位振荡.另外,由于全球温室气体排放逐年在增加,温室效应导致全球气温逐年在增加.所以,今后的若干年中太湖流域的蓝藻水华气象指数仍将继续保持在高位振荡,即高温、微风的天数仍将明显高于历史平均值.

3.3预测2000年以后10～20a中,若太湖蓝藻生长所需的营养盐浓度得不到有效的控制和明显的降低,蓝藻水华在气候条件的影响下,仍将可能大面积暴发.

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Effect of global climate change on cyanobacteria bloom in Taihu Lake.

WANG Cheng-lin1,2, PAN Wei-yu3, HAN Yue-qi2, QIAN Xin1*(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210093, China；2.School of Meteorology, People's Liberation Army University of Science and Technology, Nanjing 211101, China；3.Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：822～828

X524

A

1000-6923(2010)06-0822-07

王成林(1977-),男,江苏南京人,讲师,南京大学环境学院博士研究生,主要从事大气环境、水环境模拟研究.发表论文8篇.

2009-11-26

国家“973”项目(2008CB418003);国家自然科学基金资助项目(40805046/D0508)

* 责任作者, 教授, xqian@nju.edu.cn