基于GIS的我国渤海1952~2016年赤潮时空分布

宋南奇,王 诺,吴 暖,林婉妮



基于GIS的我国渤海1952~2016年赤潮时空分布

宋南奇,王 诺*,吴 暖,林婉妮

(大连海事大学交通运输工程学院, 辽宁 大连 116026)

收集了渤海海域自1952年有赤潮发生记录以来长达65a的相关资料,采用地理信息系统(GIS)技术研究了该海域赤潮发生的时空分布特征,并对其危害程度进行了评估.研究结果表明,渤海赤潮发生最频繁的区域为渤海湾北部、辽东湾西部和东部的海域;渤海共发生赤潮189次,其中影响面积超过1000km2的有21次;2000年以后,赤潮发生频率在明显增加;在6、7和8月份赤潮发生次数最多,分别占总次数的26%、22%和21%;由夜光藻、中肋骨条藻和原甲藻引发的赤潮次数分别为65、11和10次;发生在渤海湾西部、辽东湾西部以及黄河口海域的赤潮对海洋生态危害最大.首次以可视化的方法全方位展现和认识了渤海海域65a来赤潮发生的范围、分布与特点,实现了对该地区发生赤潮信息的整合与处理.这一方法对其他海域赤潮研究亦具有借鉴价值.

环境；赤潮；地理信息系统；渤海；时空分布

赤潮是海洋中某些浮游藻类、原生动物或细菌,在一定的环境条件下,爆发性繁殖或聚集而引起海洋水体变色的一种有害生态异常现象.它不仅破坏海洋渔业资源和生产,恶化海洋环境,影响滨海旅游业,而且还可能通过被赤潮污染的海产品造成人体中毒,甚至死亡[1-4].目前,赤潮己成为世界沿海国家普遍面临的海洋环境灾害之一.如何预防赤潮灾害,尽可能减少赤潮灾害造成的损失已成为人们越来越关注的重要问题.

渤海是我国唯一的半封闭内海,也是重要的鱼虾蟹生息场所,具有十分重要的生态价值.自上世纪90年代初期以来,渤海发生赤潮的频次和规模逐年上升.频繁发生的赤潮严重影响了该海域的养殖、旅游以及生态,已经成为该海域最主要的海洋灾害之一[5-7].因此,为减少赤潮对该海域生态的损害,加强对赤潮的监测与管理,研究其发生的时空特征并评估其对渔业资源的风险是十分必要的.

目前,已有大量关于赤潮的研究,但这些研究大都局限于针对某一次赤潮在面积、位置、诱发物种以及经济损失方面进行分析[8-15],而系统地针对整个海域赤潮的长期演变规律与时空分布特征却鲜有研究.从环境保护的管理角度,后者的研究更为重要,也更为困难.

鉴于地理信息系统(GIS)已大量地应用于环境方面[16-18],尤其在研究赤潮方面具有明显的技术优势[19-20],本文在对渤海长达半个世纪的调查以及详尽统计分析的基础上,利用GIS技术分析1952~2016年渤海赤潮的时空分布特征,全面评估赤潮造成的伤害,以可视化的方法展现和认识渤海赤潮发生的范围、分布以及特征,可为渤海地区的赤潮监测与管理提供借鉴.

1 数据与方法

1.1 研究区域

渤海海域面积75618km2,位于北纬37°0′~ 41°0′、东经116°35′~122°0′,三面环陆,东面以渤海海峡与黄海相连,海峡口宽59海里,由莱州湾、渤海湾、辽东湾和渤海中部等4个部分所组成(图1).

图1 渤海及各海湾位置

1.2 数据收集

本文收集并整理了自1952~2016年渤海发生赤潮的历史记录,这些数据主要来自于中国海洋环境质量公报(1998~2016)、中国海洋灾害公报(2000~2016)、渤海沿岸省市的海洋环境质量公报以及相关的研究论文.由于时间过于久远,统计载体落后,因而早期的个别年份只能查到当年发生赤潮的次数与面积,缺少赤潮发生的地点、规模与诱发生物种类,因此,个别年份发生赤潮的部分信息可能不完整,但在统计规律上,少量数据的缺失并不影响总体上分析赤潮的演变趋势和本文研究的主要结论.

1.3 数据处理与分析方法

本研究借助地理信息系统软件(ArcGIS 10.3)对65a来渤海海域赤潮的时间和空间分布特征进行分析.GIS技术具有强大的管理和分析空间地理数据的能力,能够对复杂的赤潮原始记录进行数据管理和分析.尽管赤潮覆盖的海域一般是具有一定规模的多边形水面,但在本研究中仍用“点”来代替,这样做的原因是由于GIS技术能有效地分析点数据的特征规律.分析中,本文采用国际通用的GCS-WGS-1984坐标系,将每1a的赤潮记录独立创建为1个图层,每1次赤潮的信息(如位置、面积等)都储存在图层文件的属性表中.采用GIS技术的核密度估计法来分析65a来渤海赤潮发生的频率.

2 渤海赤潮时空分布特征

2.1 空间分布特征

为了识别赤潮频繁发生的海域,本研究采取将65a中各年度发生赤潮的图层进行叠加的方法,形成了一系列的点分布图,利用核密度估计法(KDE)在地图上标出赤潮发生的密度分布.所谓核密度估计法,是一种估计随机变量概率密度的非要素方法,用以反映空间点的相对集中程度.具体做法是:在地图上标记1个核,即预先定义的具有连续半径的圆.假定靠近核中心的点比远离中心的点具有更大的权重.随着圆形在整个海域移动,每1个点的密度都可以计算出来.通过对不同半径移动圆的测试,最终将半径确定为0.1°(经纬度的单位,约为8.8km).该半径对于点的分析来说是较大的,但却可以使更多的赤潮得以覆盖,从而产生一个更加平滑的密度分布图.上述过程通过Arcgis软件空间分析模块实现,计算结果按等间隔由低到高划分为5个等级(即低、中低、中、中高和高).

图2为通过计算得到的1952~2016年渤海赤潮发生的频率图2.由图2可知,渤海的赤潮基本分布于近岸海域,发生最频繁的海域为渤海湾的北部、辽东湾的西部和东部海域.

图2 渤海赤潮发生的频率分布(1952~2016)

图3为渤海发生赤潮的空间分布图.据统计,在1952~2016年期间,渤海总共发生赤潮189次,其中,影响面积小于50km2有99次,50~100km2之间的有12次,100~500km2之间的有33次,500~ 1000km2之间的有7次,超过1000km2的有21次(具体位置见图3和表1).将赤潮发生的时间按不同时段统计后发现,在1952~1999年的48a间,赤潮面积超过1000km2的仅发生10次;而在2000~2014年的15a间,赤潮面积超过1000km2的便已经发生了11次,较大规模的赤潮发生频率在明显增加.

图3 渤海赤潮发生的空间分布(1952~2016)

表1 渤海发生面积大于1000km2赤潮的记录(1952~2016)

2.2 时间分布特征

2.2.1 年度变化特征 图4为1952~2016年渤海每年发生赤潮的次数统计.数据表明,从1952~1989年,渤海仅发生3次赤潮,分别是1952年5月在黄河口附近海域(37°48′N,119°18′E)发生的影响面积达1460km2的赤潮,赤潮优势种为夜光藻;1977年在渤海湾海河口发生的560km2持续时间达50d之多的微小原甲藻赤潮;以及1989年8月在渤海湾南部海域发生的1300km2的赤潮,优势种为裸甲藻.20世纪90年代,渤海总共发生赤潮21次.2000~2016年,赤潮总次数达到165次,是20世纪以前48年总和的8倍.

图4 渤海赤潮发生的次数年度变化(1952~2016)

图5 渤海海域赤潮发生时间统计(1952~2016)

图5为渤海赤潮在不同时间段的分布情况.图中显示:2000年以后,渤海的赤潮分布范围更加广泛且逐渐由近岸海域向渤海中部扩散,其中辽东湾东部和西部海域的赤潮分布最为密集.这一结果与近年来长江口[21,22]、珠江口[23]附近海域赤潮发生的时间分布特征相似.

2.2.2 季节变化特征 65a来的统计表明,渤海赤潮的发生具有明显的季节性.图6为每个月赤潮发生的比例.由图可知,每年赤潮发生次数最多的时间段是6月,约占26%;7月和8月赤潮发生的次数基本相同,分别是22%和21%;11月是1952~2016年间赤潮发生次数最少(1%)的月份.

图6 渤海海域各月赤潮发生比例(1952~2016)

统计分析还发现,每年赤潮的高发时间也在不断变化.在1952~2002年间,渤海每年发生赤潮的时段为5~9月,最早的赤潮发生于5月中旬,最晚发生于9月末.2003年以后,最早的赤潮已提前至4月中旬,最晚延迟至11月中旬,这表明赤潮发生的时间跨度已有所加大(图7).值得注意的是,65a间,渤海在1~3月和12月份的冬季没有出现过赤潮.

图7 渤海海域发生赤潮的季节性分布(1952~2016)

2.2.3 赤潮物种的分布特征 据不完全统计,在1952~2016年期间,渤海海域共发现赤潮物种计23种.从遗漏的情况看,约有45次赤潮没有记录诱发物种,约占赤潮发生总数的26%.在已有统计中,渤海赤潮的优势种类主要为:夜光藻、中肋骨条藻、红色中缢虫、球型棕囊藻、叉角藻、裸甲藻、原甲藻等(表2).其中,夜光藻赤潮共发生了65次,占有优势种类记录的赤潮总数的47%,其次是原甲藻11次;中肋骨条藻、红色中缢虫和球型棕囊藻引起的赤潮次数分别为10次、7次和5次.

表2 渤海主要赤潮物种(1952~2016)(以首次出现时间排序)

此外,65a来,渤海赤潮优势种类随时间的推移变化明显.21世纪以前(1952~1999年),在发现有赤潮优势种类记录的14次赤潮中,以夜光藻为优势种类的赤潮10次,以叉角藻为优势种类的赤潮2次,原甲藻(560km2)和裸甲藻(1300km2)赤潮各1次.进入本世纪以后,赤潮优势种类明显增多,除了夜光藻、中肋骨条藻以外,一些对海洋生物有毒害作用、甚至可能会产生贝类毒素(PSP)的赤潮生物也纷纷出现,例如球型棕囊藻、海洋卡盾藻、米氏凯伦藻等,而这些种类在1999年之前并没有在渤海引发过赤潮.

2.3 赤潮风险评估

本研究采用的赤潮风险模型主要针对赤潮对渔业资源造成的危害,其评价模型为[18]:

H=´´´´/(1)

式中:H表示赤潮造成的相对危害;表示赤潮的优势种密度,个/L;表示赤潮是否有毒性;表示赤潮的发生面积,km2;表示赤潮的持续时间,d;表示赤潮的发生位置是否处于渔业和养殖活动区域;表示距离海岸线的距离,km.

假定当赤潮发生时,如果优势种密度、毒性及发生的面积均较大、持续的时间较长、且位于渔业和养殖活动区域,则产生的危害就相对较大;当赤潮发生距离海岸线较远时,则危害较小.式(1)中和的设定采用经验值,赤潮种有毒性时设为1,否则为0.5;如赤潮发生位于养殖活动区,则为1,否则为0.由于赤潮优势种密度()数量级较高(106),所以本文采用其对数变换后的值进行计算.对于缺少统计数据的赤潮,则将式(1)中的、和分别设为1´106个/L、1km2和1d.模型评价结果由低至高按几何间隔[24]划分为5个等级,表示赤潮对渔业资源造成的危害相对大小.

图8 渤海赤潮对渔业资源危害分布示意(1952~2016)

利用arcgis软件按式(1)进行计算的结果见图8.由图8可知,渤海海域发生的赤潮对渤海湾西部、辽东湾西部和莱州湾黄河口海域的危害最大(图8).这一结果可为政府决策提供有效信息:如果在赤潮危害较大的海域建设水产养殖区,那么就应该有针对性的制定减少发生赤潮的措施及应急方案.

2.4 讨论

60a来渤海赤潮次数变化的原因较多,目前尚无明确的定论,但已有研究认为以下因素可能会有一定影响.首先是科学研究的开展.总体上说,我国对赤潮的科学研究迟于欧美等国.1977年以前,我国关于赤潮的研究报告和论文总共不到10篇.1978年以后,我国政府和科学家开始加强对赤潮的科学研究工作,随后在全国范围内开展了赤潮研究,从而获取了大量赤潮调查数据[25].其次是监测工作的大力开展.1989年渤海黄骅海域发生大面积赤潮后,我国政府开始重视赤潮监测工作,并成立专门的海洋赤潮监测小组,通过现场调查、航空调查和卫星遥感等多种手段进行定期监测,使得1990年以后的赤潮数据比较完整,可以反映赤潮发生的基本情况[26].渤海沿岸地区的经济发展是1990年后渤海赤潮次数变化的一个主要因素[27].近20a来,渤海周边地区城市化发展十分迅速,渤海沿岸省市已成为我国人口聚集的主要地区之一.据统计,2015年渤海沿岸13个省市的人口总量约7千万,比1990年增加17%,年均增长率达1.7%;渤海沿岸13个城市的GDP从1990年的0.16万亿元,增长到2015年的5.6万亿元,年均增长率为17%,远高于我国城市经济增长的平均水平.人口和经济的快速增长,导致沿岸地区的生活污水和工业废水排放量大幅增长.1990年,城市生活污水和工业废水排放总量仅为12亿t,到2015年已增至80亿t,增长了7.2倍.这些污水通过地下管道或地表河流流入渤海,导致渤海海洋环境恶化,从而引发赤潮.除上述因素外,部分学者认为温度、光照和盐度等因素也会在一定条件下诱发赤潮[28-29].总之,渤海赤潮的发生受众多因素的影响,还有待于深入研究.

3 结论

3.1 在空间分布上,渤海湾北部、辽东湾西部和东部是渤海重点发生赤潮的海域.在1952~2016年间渤海发生的189次赤潮中,影响面积小于50km2有109次,50~100km2之间的有15次,100~ 500km2之间的有35次,500~1000km2之间的有9次,超过1000km2的达21次.

3.2 在时间分布上,渤海在1952~1989年的37年间仅发生了3次赤潮;在1990~1999年的10a间共发生赤潮21次,主要集中于1990年(7次)与1999年(7次);2000年以后17a间共发生赤潮165次,这一数字是1952~1999年48a赤潮总数的8倍,而且超大面积的赤潮均在2000年以后频繁发生,赤潮的分布范围更加广泛,且逐渐由近岸海域向渤海中部扩散.

3.3 统计发现,渤海赤潮发生具有明显的季节性.重点发生赤潮的时间段为每年的6~8月.2003年以前,最早的赤潮发生于5月中旬,最晚发生于9月末.而在2003年以后,最早的赤潮已提前至4月中旬,最晚的延迟至11月中旬.

3.4 渤海赤潮优势种类随时间的推移变化明显.渤海主要的赤潮优势种类为:夜光藻、球形棕囊藻、叉角藻、红色中缢虫、中肋骨条藻、裸甲藻、利马原甲藻等23种.其中,球型棕囊藻、海洋卡盾藻、米氏凯伦藻等在1999年之前从未在渤海引发过赤潮.

3.5 赤潮的风险评估结果表明,渤海湾西部、辽东湾西部和莱州湾黄河口海域的赤潮对渔业资源的危害较大.因此,在制定赤潮的监测与管理方案时应重点考虑上述区域.

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Temporal and spatial distribution of harmful algal blooms in the Bohai Sea during 1952~2016 based on GIS.

SONG Nan-qi, WANG Nuo*, WU Nuan, LIN Wan-ni

(College of Transportation Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China),, 2018,38(3)：1142~1148

The data of harmful algal blooms (HABs) from 1952 to 2016in the Bohai Sea was collected. Geographic Information System (GIS) technique was employed to analyze the temporal and spatial characteristics of these HAB events, and it was further applied to evaluate the harm caused by these HAB events. It was found that, there were three red tide-prone areas: northern Bohai Bay, western and eastern Liaodong Bay; The HAB events occurred 189total times, 21of which were larger than 1000km2in areal extent; After 2000, the frequency of HAB outbreaks increased significantly; During the months of June, July and August, the HAB occurrence in the Bohai Sea was 26%, 22% and 21%, respectively; Outbreaks of the dominant HAB species Noctiluca scintillans, Skeletonema costatum, and Prorocentrum minimum occurred 65, 11 and 10, respectively; The western Bohai Bay, western Liaodong Bay and Yellow River estuary suffered serious harm caused by HAB events. A visual approach was utilized in present study to fully identify the scope, distribution, and characteristics of HABs in the Bohai Sea over the past 65years, thus the integration and treatment of HAB events were achieved. The approach can serve as a reference for the monitoring and management of HAB events in other sea areas.

environment；harmful algal blooms (HABs)；GIS；Bohai Sea；temporal and spatial distribution

X145

A

1000-6923(2018)03-1142-07

宋南奇(1990-),男,辽宁大连人,大连海事大学博士研究生,研究方向为海洋经济与环境.发表论文4篇

2017-07-26

国家海洋软科学项目(JJYX201612-1)

* 责任作者, 教授, wangnuodlmu@126.com