环境要素与连云港海域赤潮发生关系研究

彭模，刘寿东，赵爱博，杨耀中（.南京信息工程大学应用气象学院,江苏南京0044；.江苏省海洋环境监测预报中心,江苏南京0036）



环境要素与连云港海域赤潮发生关系研究

彭模1,2，刘寿东1，赵爱博2，杨耀中2
（1.南京信息工程大学应用气象学院,江苏南京210044；2.江苏省海洋环境监测预报中心,江苏南京210036）

摘要：根据2004—2013年连云港海域赤潮事件记录和赤潮监控区监测数据，采用相关性分析等数理统计方法，对连云港海域赤潮特征及其与环境要素的关联性进行研究。结果表明，5—10月为连云港海域赤潮频发时段，每次过程持续大多在3—7天之间；赤潮发生前三日叶绿素a、溶解氧、海温、化学需氧量和pH等要素与赤潮发生表征指标浮游植物总量相关性显著；在赤潮发生发展消亡过程中，海温、叶绿素a、溶解氧和pH均呈现出先上升后下降的趋势，化学需氧量则表现为相反变化态势；赤潮发生前期和发展维持阶段，以东到东南向风为主，风速较小，赤潮消亡前夕，常伴随偏西大风过程。

关键词：连云港；赤潮；影响要素

1　引言

赤潮是一种海洋生态异常现象，是指在特定的环境条件下，海水中某些浮游植物、原生动物或细菌爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象。近年来赤潮事件在全球频繁发生、规模不断扩大，已成为三大世界性近海污染问题之一[1-3]，引起各国政府及科学界的高度重视。随着近岸海域营养盐和有机物污染的逐年增加，包括江苏在内的我国近海赤潮灾害频发，并呈现出频次增多、面积扩大、损失加重的趋势。自2003年开始，连云港海域建立了赤潮监控区（见图1），在赤潮高发期进行高频次、高密度的业务化监视监测，提高了针对赤潮灾害的监控能力。

近年来，很多学者以赤潮诱发条件为着眼点，针对不同海域赤潮爆发与天气环流形势演变关系开展了大量研究，任湘湘[4]等人通过相关性分析方法得出了最易引发珠江口赤潮的两种天气形势的典型场，叶君武[5]等人研究提出了舟山海域不同规模赤潮爆发状况下的三类天气环流形势。相较而言，对于区域性赤潮爆发与所在海域环境因子变化关系的研究甚少。

因此本文着眼赤潮环境因子诱发条件，根据2004—2013年连云港海域赤潮监控区监测数据资料，采用相关性分析等方法，进行赤潮发生与环境要素之间的关联分析，试图探究连云港海域赤潮发生、发展、消亡过程中相关环境要素的变化特征和演化规律。

赤潮发生的指示性特征，即浮游植物等爆发性增殖或高度聚集并引起水体变色，对应监测指标即浮游植物总量数值激增。基于赤潮生物增殖速度和水体变色表观感受[6]等方面的综合考虑，本研究分析定义一次赤潮过程分为发生前期、发生期和消亡日3个阶段，浮游植物总量大于1.0×104cells/dm³且水体发生变色作为有赤潮记录的时间段，将发生前期定义为一次赤潮过程中有赤潮记录第一日之前的七日，消亡日则定义为一次赤潮过程中有赤潮记录的最后一日，发生期即指有赤潮记录的第一日至本次过程消亡日之前一日的这段时间。

图1　连云港海域赤潮监控站位

2　连云港海域赤潮基本特征

2004—2013年连云港海域共记录发现16次赤潮，成灾面积在20—1000 km2之间，累计总面积约3764.4 km2；持续时间集中在3—7天，最长持续时间达14天（见表1、图2），对沿海产业发展造成不同程度的影响，经济损失超过2500万元[7]。十年间赤潮发生次数和成灾面积最多的均为2005年，共计发生4次，面积达1275 km2。

连云港海域赤潮发生主要集中在每年的5—10月间，其中尤以盛夏时节7月发生频次最高**针对赤潮发生时段跨相邻月份的，按此次赤潮记录第一日所属月份进行统计。，10年间有5次赤潮发生在此时段，占比31.3%，这可能与该时段海水表层温度适宜，营养物质含量较高等因素关联性较大。资料统计表明，连云港海域赤潮多属于原发型，即赤潮生物在连云港海域爆发繁殖而形成灾害。10年间，2004—2006年和2010年均有甲藻类有毒赤潮发生，该藻类可产生麻痹性贝毒（PSP）和腹泻型贝毒（DSP）等毒素[8]，对生态环境、海洋生物和人类健康危害较大。其次以硅藻类赤潮较为多发，该类赤潮属于无毒类赤潮，对水质会产生一定程度的影响，但对各类海洋生物危害不大。

3　环境要素与赤潮发生的关系

赤潮是一种复杂的生态异常现象，相关研究普遍认为是各种环境等因子综合作用的结果[9-10]。海水中充足的营养物质是赤潮发生的前提，配合适宜的海温、溶解氧等环境条件，促使赤潮生物生长聚集，导致赤潮爆发，故而环境要素在赤潮爆发过程中起着重要作用。

连云港海域赤潮监测主要在每年赤潮易发时段5—10月间在监控区海域开展固定站位18项环境要素监测，包括了表征赤潮爆发的浮游植物总量、海温(Ts)、透明度(Tr)、pH、盐度(S)、化学需氧量(COD)、溶解氧(DO)、磷酸盐(PO4-P)、亚硝酸盐(NO2-N)、硝酸盐(NO3-N)、铵盐(NH4-N)、硅酸盐(SiO3-Si)、叶绿素a(Chl-a)等。

表1　2004—2013年连云港海域赤潮发生情况

图2　2004—2013年连云港海域赤潮次数及面积

3.1环境要素与赤潮发生的相关性分析

开展赤潮发生前期各环境要素的变化与赤潮发生关联性的分析，对赤潮爆发预判具有指示性意义。为此，以十年间连云港海域发生的赤潮过程监测数据为样本，将赤潮发生前五日逐日的海温、透明度、pH、盐度等12个环境要素与赤潮爆发当日的浮游植物总量进行相关性分析，得到结果如表2。

数据分析显示，在赤潮发生前五日的海温、pH、化学需氧量、溶解氧、叶绿素a等要素与赤潮爆发表征指标浮游植物总量协同变化关系较好，相关系数值较大；其中赤潮发生前三日内的上述要素与浮游植物总量相关性达到显著水平（α=0.05），前一日的上述要素与浮游植物总量相关系数均达到前五日内的最大值，海温、pH、溶解氧、叶绿素a与浮游植物总量呈现正相关，化学需氧量则呈现负相关，相关大小依次为叶绿素a＞溶解氧＞化学需氧量＞海温＞pH，上述要素为可作为备选预报因子，供建立赤潮预报模型使用。

表2　浮游植物总量与各要素之间相关系数

3.2海温与赤潮发生的关系

适宜的海温是赤潮生物生长增殖的必要条件，对于不同类别的赤潮藻种，其最适宜生长和繁殖的海温也存在差异。据有关研究表明，赤潮发生与前期一段时间内的海温有着密切的联系[11]。近年来的中国海洋灾害公报[12]显示，我国华南沿海常年都有可能发生赤潮，而天津、山东等北方沿海地区赤潮发生则主要集中在夏季，这从一方面体现了海温对赤潮发生的促进或抑制作用。

2004—2013年连云港海域赤潮发生各阶段的海温分布在18.3—29.8℃之间。对照连云港海域月均海温观测记录，5月起，该海域海温月平均值开始达到18℃以上，与赤潮发生时段记录相吻合。对赤潮海温要素数据，采取分级统计的方法，结果如图3。

纵观赤潮萌芽、发展、消亡过程，通常在赤潮发生前期，海温存在一个上升过程，可为赤潮藻类孢囊的萌发和大量繁殖营造有利的环境条件；进入赤潮发生和维持阶段，海表温度的概率分布较前期广泛，日平均海表温度在22—26℃时较易发生赤潮，发生频率高达61%。针对一次具体的赤潮过程，发展过程中其海温日变化较为和缓。

对比分析赤潮发生3个阶段的海温，数据显示从赤潮发生前-赤潮发生和维持-赤潮消亡的过程中，海温的概率峰值呈现逐步降低的趋势，结合气象要素监测记录，在赤潮接近消亡的阶段，较易出现冷空气过程，其所伴随的大风、降温和降水天气往往会造成海温的下降。据此可见，冷空气活动及其所导致的海温下降在一定程度上促使了赤潮的消亡，这与潘雪峰等[13]的研究结论是相符的。

图3　2004—2013年连云港海域赤潮过程海温要素概率分布

3.3叶绿素a、溶解氧、化学需氧量和pH与赤潮发生的关系

根据前述分析，除海温外，溶解氧、化学需氧量、pH等环境要素的变化趋势与赤潮发生关系密切，叶绿素a则直观的反映了赤潮发生各个阶段的演化特征。

数据分析显示，在赤潮发生、发展直至消亡的过程中，叶绿素a、溶解氧、化学需氧量和pH的变化趋势是相互联系的。叶绿素a的含量直接反映了海水中浮游植物的生物量，化学需氧量则大致反映了水体中有机质的含量，在赤潮发生前期，赤潮生物大量聚集并快速增殖，大量消耗有机质，化学需氧量监测记录显示，其在赤潮发生发展阶段呈现逐步降低的趋势，与此同时叶绿素a在赤潮发生前期有一快速升高的过程，并在赤潮发生和持续期间，较稳定的保持在这一较高浓度上。

赤潮发生前夕，大量藻类生物在适宜的光照条件下，通过光合作用消耗有机质、吸收二氧化碳释放出氧气，促使海水中溶解氧含量迅速升高，这一过程中pH值的变化也体现出较为明显的上升趋势，据此推断可能与海水中酸性气体二氧化碳等的消耗有关。

在赤潮接近消亡的阶段，叶绿素a、溶解氧和pH三者的变化虽有振荡往复，但总体上均呈现下降的趋势，只是下降的幅度不尽相同；而化学需氧量则随着赤潮藻类的消亡呈现逐步上升态势。结合赤潮发生过程海温变化分析可知，在海表温度达到或超过22℃时，叶绿素a、溶解氧、pH分别大于33 ug/L、8 mg/L、8.2时，赤潮发生概率较大。

3.4风与赤潮发生的关系

风所引起的海水水体的水平和垂直运动，均会对海域环境变化产生重要影响，与赤潮发生关系密切。王桂兰[14]等的研究认为，适中的风速风向将加剧水体的水平运动，有利于水体中赤潮生物的聚集。此外，风所引起海水的垂直运动，使得深层低温海水源源不断的上翻至表层，促进了营养物质的垂直输送，在一定程度上降低了海表温度，增加了海水中的溶解氧含量。

根据连云港海域赤潮发生过程风向、风速监测数据统计分析，得出如下分析结果：

有研究[15]表明，风向对赤潮发生的影响与海域地形地貌关系密切，向岸风和聚合性的风向将促使赤潮生物的聚集，反之离岸风和散发性的风向则有利于赤潮生物的扩散消亡。连云港所辖海域为海州湾的主体部分，东濒黄海，东及东南向为主的风源自海洋，水汽丰沛，有利于营造适宜赤潮生物增殖的温湿环境。数据分析显示，赤潮发生前期和爆发、维持阶段，东风和东南风的出现频次显著高于其它风向。西风和西北风来自内陆，干燥且多伴随冷空气而来，不利于赤潮生成及维持。在赤潮消亡日和消亡日前1—2日，西风和西北风出现频次较高，也印证了上述分析。

纵观整个赤潮过程风速变化趋势，表现为赤潮发生前期风速适中（4—5级为主）—发生期风速减小（3级为主）—消亡日风速激增（6级为主）的阶段性变化特征。赤潮发生前期，4—5级的适中风速可为赤潮生物聚集和增殖创造有利环境，这与叶绿素a监测数据显示存在一增高过程相吻合，同时适中的风速也促进了水体水平和垂直方向的交换，为赤潮生物增殖提供了大量有机质。转入赤潮发生期，风速较发生前期趋小，3级风速的出现概率高于其它各级出现概率之和，这为赤潮生物的滞留和维持营造了有利环境。当赤潮进入消亡阶段时，风速有一激增过程，促使海域浪高明显增大，水体水平和垂直运动范围和强度急剧扩大，赤潮生物随即大规模消散，宣告赤潮过程结束。

图4　2004—2013年连云港海域赤潮过程环境要素变化趋势

图5　2004—2013年连云港海域赤潮过程风速要素概率分布

4　结论

赤潮的发生是多种因素相互作用的结果，是极其复杂的生态变化过程，根据对2004—2013年连云港海域赤潮个例的特征分析，结果表明：

（1）5—10月为该海域赤潮发生集中时段，其中尤以7月为高发期；每次赤潮过程持续时间大多在3—7天之间；赤潮优势藻种以甲藻和硅藻居多；

（2）赤潮发生前三日，叶绿素a、溶解氧、海温、化学需氧量、pH等环境要素与赤潮爆发表征指标浮游植物总量相关性显著，相关大小依次为叶绿素a＞溶解氧＞化学需氧量＞海温＞pH；

（3）在赤潮萌芽、发展、消亡过程中，海温、叶绿素a、溶解氧和pH的总体变化态势趋于一致，均呈现出先上升后下降的趋势，化学需氧量则表现为相反变化态势；

（4）在赤潮发生前期和发展维持阶段，以东到东南风为主，风速较小；赤潮消亡前夕，常伴随偏西大风过程。

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Survey on the causes and features of red tide in Lianyungang coastal waters

PENG Mo1,2, LIU Shou-dong1, ZHAOAi-bo2, YANG Yao-zhong2
(1. Nanjing University of Information Science and Technology, School of Applied Meteorology, Nanjing, 210044 China; 2. Marine environment monitoring and forecasting center of Jiangsu Province, Nanjing 210036 China)

Abstract：Based on the events of red tide and the element data of the red tide at high frequency area in Lianyungang coastal waters from 2004 to 2013, by using multivariate linear regression analysis method, the characteristics of the red tide and the relevance between it and the hydrological and environmental factors are analyzed. It is showed that the red tide in Lianyungang coastal waters always occurs from May to October. It is founded that each process of the red tide’s occurrence continues mostly from three to seven days. The number of phytoplankton has a high correlation with Chl-a, DO, Sea Temperature, COD and pH. During the process of the red tide, Sea Temperature, Chl-a, DO and pH increase firstly and then decrease, while COD shows the opposite changing trend. It always appears east to southeast wind with low speed in the early development stage of the red tide’s occurrence, while it mostly appears west strong wind in the dying stage.

Key words：Lianyungang ; red tide ; influence factor

通信作者：刘寿东（1963-），男，教授，硕士研究生，主要从事应用气象教学与研究工作。E-mail：lsd123123@163.com

作者简介：彭模（1983-），男，工程师，学士，主要从事海洋观测预报工作。E-mail：u235u235@139.com

基金项目：国家科技支撑计划（2013BAB04B03）；国家海洋局海洋公益性行业科研专项（201205005）；江苏省科技支撑计划(BE2012774；BE2014729)

收稿日期：2014-10-16

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.02.008

中图分类号：X55

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2015）02-0051-06