赤潮-物理海洋

赤潮-物理海洋

海洋生态系统动力学与模型

内容提要 序言 作者简介 内容提要

近几年来，海洋生态动力学已从过去传统的对生物过程的描述发展成为多学科交叉的边缘学科。本书从动力学的角度出发，对海洋中物理、生物、化学、地质的相互作用过程进行了较为系统的描述。深入浅出地介绍了海洋生态系统研究的动力学理论和基础，并对物理与生物耦合模型建立过程中所出现的理论问题进行了科学的分析和论证。书中内容主要来源于作者在美国大学给研究生的授课讲义和近年来从事浅海动力学和海洋生态动力学研究的成果，并引入和介绍了过去十几年内全球性重大交叉学科--生态学研究的发现。

本书的第1~5章可作为物理海洋、海洋生物、水产、海洋地质专业高年级本生和研究生的教材，第6~7章可作为博士研究生的专题讲座教材。对从事海洋科学研究的学者而言，本书也是一本很有价值的参考书或工具书。 序言

海洋生态系统动力学的发展过程从很大的程度上概括了海洋学研究的历史。人们对海洋的兴趣可以追溯到公元前四世纪海洋生物的观测开始。由于中国人指南针的发明传到欧洲，促进了全球，尤其是欧洲航海业的发展，从而产生了十五至十六世纪海洋探险的高潮。海洋学的发展正是在海上探险过程中人们对海洋地理、海洋潮汐、环流、生物知识需要日益增长的过程中发展起来的。那时的海洋学只是一门以观测为主的描述性科学。一个系统的现代海洋学的建立是在十九世纪中期。它与初期海洋探险最大的区别在于建立了系统的观测方法和资料的收集以及分析手段。

现代海洋学从建立的初期开始就已经决定了它的性质：物理、生物、化学、地质交叉的综合应用科学。随着对海洋系统观测所揭示出的海水运动，生物种群、地质地貌和海水成分的现象日益增多，海洋学家们不再满足于对现象直观描述性的理解，从而开始了对各种过程机理的研究和探讨。由于海洋中各种自然现象过程的复杂性以及观测和试验手段的落后，人们逐渐地认识到多学科的综合研究必须基于对各种现象自身内部的了解。由此，海洋学的各门学科：物理海洋学，海洋生物学，海洋化学，海洋地质学以及海洋生态学就是在此背景下发展起来的。区别于海洋生物学，海洋生态学更强调环境对生物圈的影响。但是，由于对物理过程缺乏了解，传统的海洋生态学实际上仍是－门以生物为主的学科，在很大程度上可以归为海洋生物学的范畴。

自20世纪70年代以来，海洋学的研究更受各沿海国家的重视。随着研究基金的增加，海洋学各分支学科的研究有了突破性的发展。以物理海洋学为例，80年代由美国麻省理工学院和吾兹霍尔海洋研究所物理海洋学家们提出的大洋风生环流理论，标志着物理海洋动力学的研究进入了成熟的阶段。随后全球海洋研究计划、卫星遥感海洋监测、近岸环流及锋面、

风生混合层，潮汐混合和底边界层等的研究使人们对海洋中的风生、温盐环流、层化结构、中尺度涡旋的产生和演变、海水可压缩性所产生的声波以致地转效应随纬度变化产生的罗斯贝波等各种海洋波动、控制海水交换和混合等物理过程都有了－系列较为深入的认识。同样，随着声纳技术在生物量观测方面的应用，卫星和遥感的发展，全球表层生物量的监测已变成现实。海洋生物学从传统的实验室内纯生物的种群分类已发展成为－个更重视海洋环境对生物量的时空分布影响的综合性学科。这－学科正朝着两个方面发展：分子生物学和生态动力学。前者着重于生物的形成机理，后者着重于环境对海洋生物量时空分布、再产生、循环机理和生物多样性之间的耦合关系。

虽然海洋生物模型的发展已有较长的历史，但是，就我们对整个物理、生物、化学相互作用机理了解而论，海洋生态动力学的研究仍处于－个初级阶段。传统的研究方法强调生物自身的循环系统，在某种程度上忽视了环境场四维时空结构的演变与生物场的联系。在省略了驱动生物分布和演变的物理环境场条件下，过度地追求生物过程的完整性和与观测资料的拟合程度，造成了这－学科的研究停滞不前的现象。

从\点\的概念发展到\场\的概念是海洋生物动力学的一场革命。以\场\为背景，对物理、生物、化学相互作用过程的研究是生态动力学模型发展的基础。由于生物过程的复杂性和各种生物参数的不定性，－个正确的研究方法显然尤其重要。以较完整的物理过程为基础，从简单的生物过程开始，－步－个脚印地研究物理与生物场的耦合关系已成为当今海洋生态系统动力学研究的潮流。

海洋学从整体划为各分支，随后又回到整体的发展过程，代表着每－个环境应用科学的发展趋势。海洋生态系统动力学已逐步地将海洋各学科研究联系起来。它的发展在－定的程度上代表了整体海洋学的研究水平和方向。在深刻理解物理、生物和化学各过程相互作用机理的基础上，建立实用于评估海洋生态环境状况和预测海洋生态系统平衡、演变的数学模型已成为沿海各国寻求经济持续发展的科研战略。 近年来，随着沿海地区人口的日益增长和工业以及群众性海水养殖业的迅速发展，中国沿海的生态环境巳受到了较为严重的破坏。赤潮的频繁出现，鱼病突发与大量的人工养殖鱼、虾大面积、毁灭性的死亡无不与生态环境场的恶化有关。人们在付出具大的经济代价后已逐渐地认识到了保护人类赖于生存的海洋环境的重要性，以致日益迫切地希望从科学的角度上认识和利用海洋。我们这本书正是在这样的气候下为满足国内海洋研究工作者和研究生的需要撰写而成的。

本书较为详细地介绍了当今海洋生态动力学和模型研究的方法、进展以及未来的发展方向。描述了全球至局部范围内各种时空尺度下的海洋生态系统的特征。由浅入深地阐述了海洋生态动力学的基础理论，并在此基础上，进－步讨论了各类海洋生态模型的基本性质和它们在实际海洋生态系统研究中的应用。同时还引入了代表着当今和未来发展方向的海洋生态动力学三维非结构网格、有限体积模型。 在此书基础理论的撰写过程中，我们参考了－些有关海洋生态动力学的专著，其中包括DeAngelis的《Dynamics of Nutrient Cycling and Food Web》，Mann和Lazier合著的《Dynamics of Marine Ecosystem》，和Ivan Valiela的《Marine Ecological Processes》以及我们给美国几所大学的海洋综合交叉学科研究生的授课讲义。有关大洋生态系统描述的内容主要来源于近年来全球性大规模的海洋跨学科综合观测研究的结果。书中有关浅海锋面生态动力学、生态模型应用例子、以及三维非结构网格生态模型的介绍均为我们近十年来在海洋生态动力学模型研究的成果。 由于篇幅有限，我们在本书内将不再重复对基础物理海洋学、生物种群分类和各种生物习气的描述。有关这些内容介绍可直接参考普通或动力物理海洋学、海洋生物的基础教材。本书的前五章可用于大学高年级学生和研究生的教材，第六和第七章可作为从事海洋生态模型研究的学者和研究生的参考文献。

作者简介

陈长胜博士：男，美籍华人。1989年获美国麻省理工学院（简称MIT）物理海洋学硕士学位，1992年获美国麻省理工学院与吾兹霍尔海洋研究院联合学科物理海洋学博士学位。1992在美国吾兹霍尔海洋研究院做博士后，1992至1994在美国德克萨斯农工大学海洋系任助理科学家，1994至1999年就职于美国佐治亚大学海洋学院，曾任助理教授，副教授和终身教授。现为美国麻省大学海洋科学和技术学院终身正教授，美国吾兹霍尔海洋研究院物理海洋系兼职科学家以及美国佐治亚大学海洋学院兼职教授。

陈博士研究兴趣广泛，研究范围包括大洋西边界急流，大陆架波动，近岸急流，海洋锋面动力学，边界层理论，河口动力学，沉积物动力学和浅海、河口、湿地以及大湖生态动力学。陈博士领导的美国佐治亚大学海洋学院海洋生态动力学实验室和美国麻省大学海洋科学和技术学院海洋生态模型实验室，于2000年成功地建立了具有领先水平的非结构网格海洋环流与生态模型 (FVCOM)。此模型综合了现有海洋有限差分和有限元模型的优点，解决了数值计算中浅海复杂岸界拟合，质量守恒以及计算有效性的难题。

近年来，陈博士多次应邀回国讲学，并曾受聘为中国科学院青岛海洋研究所客座教授，青岛海洋大学客座教授，上海华东师范大学顾问教授，广西海洋研究所名誉所长等荣誉职称。1999年被选聘为中国科学院首批海外评审专家。

物理海洋过程对赤潮生消过程影响与作用的遥感研究进展

1.前言

赤潮灾害是世界上许多沿海国家所关注的近海海洋环境问题，是海洋渔业、海洋水产养殖业及海滨旅游业的巨大威胁，对当地的社会、经济和环境都有深刻的影响。随着我国海洋环境污染加剧，沿海水体富营养化日趋严重，赤潮灾害在我国沿海频繁发生。赤潮已经成为我国的一大海洋灾害，已严重影响到我国对海洋环境和资源的可持续开发与利用。如何有效地预防和减少赤潮灾害所造成的损失已成为我国当前一项十分迫切的任务；而对赤潮灾害的形成机理、赤潮灾害的探测监测方法与赤潮灾害的预警预报技术的研究是解决该问题的关键。

赤潮形成机理非常复杂，一般认为是海洋中某些微小浮游生物在适宜环境条件下短时间内迅速增殖、聚集引起的一种生态现象（张朝贤等，2000）。用常规方法来观测空间尺度较大、持续时间较短，突发性质的赤潮灾害，在空间和时效性方面都有较大的局限性，难以实施有效的常规监测。随着卫星遥感技术的快速发展，具有快速、同步、大范围监测能力的海洋卫星遥感技术用于赤潮灾害的研究工作已受到国内外相关部门的广泛关注和高度重视。赤潮卫星遥感技术为探测监测赤潮及其预警预报等研究工作提供了新的途径。

2.赤潮遥感监测与预报的研究进展

国外从上世纪70年代中期开始赤潮卫星遥感技术与应用研究。通过近三十年的努力，已经建立了一些卫星遥感赤潮信息提取方法。这些方法大致可归纳为单光谱波段模型、多波段模

型和数值模拟模型等几大类（Cullen 1997，Gower 1997，Stumpf 1997，Tester 1998，Durand 2000，Cracknell 2001等）。在研究赤潮信息提取方法的同时，国外从七十年代至今一直在利用卫星遥感技术获取赤潮信息，监测赤潮的生消过程（A.P.Cracknell 2001等）。例如，美国利用CZCS、AVHRR和SeaWiFS资料探测和监测美国近岸海区的赤潮，并把赤潮卫星遥感监测纳入Coast Watch计划。加拿大从92年开始研制一类海水区赤潮的NOAA卫星实时监测技术。英国从95年开始致力于开发二类海水区的赤潮监测系统，以探测、监测和预测英国近海的赤潮。此外，新加坡和韩国等国家也都相继开展了赤潮卫星遥感探测和监测系统。卫星遥感技术已成为美国等国家赤潮探测和监测的重要技术手段。国外的赤潮卫星遥感的历程可分为两个阶段。九十年代前主要研究赤潮的光谱特性、赤潮遥感机理和赤潮信息提取技术。同时也开展了赤潮遥感应用研究。进入九十年代后，一些赤潮多发国家把研究的主要方向转向了赤潮卫星遥感探测、监测和预报。研制业务化的赤潮卫星遥感预报系统是当前国际赤潮卫星遥感研究的发展方向，而赤潮卫星遥感探测和监测技术研究又是该研究方向的重点。

国内从上世纪八十年代.开始赤潮卫星遥感研究。九十年代前，国内在赤潮卫星遥感研究方面只开展了少量的赤潮水体光谱和温度特性研究。1989年中国遥感卫星地面站接收并处理了渤海海区赤潮的Landsat图像，展示了利用卫星遥感技术探测和监测赤潮的可能性（胡德永等，1991）。进入九十年代后，赤潮灾害的防灾减灾受到各级政府部门的高度重视，加大了对赤潮卫星遥感研究的投入。在过去的将近二十年中开发了一些赤潮卫星遥感信息反演模型（韩玺山等，1993；黄韦艮等1998、2000；赵冬至等2000等）。这些模型主要是针对AVHRR和SeaWiFS而开发的，模型的类型有水温水色模型、人工神经网络模型和多波段差值比值模型。国家海洋局第二海洋研究所等单位相继承担了海洋\和\九五\科技攻关项目中有关赤潮卫星遥感的研究内容，主要研究赤潮水体光谱特性和赤潮信息提取方法。1995年至1997年期间，我们研究小组主要成员在浙江省科委和海洋局科技司的资助下，开展了\海洋水产养殖区及其短期预报试验性研究\，利用NOAA和SeaStar卫星探测、监测和实时预报发生在浙江、福建和广东沿海的赤潮，获得了初步成功。将遥感技术结合生物和化学观测技术进行赤潮多要素预报方面做了有益的尝试，取得了较好的结果。目前，国内多家单位正在进一步开发SeaWiFS、MODIS等卫星探测和监测赤潮的技术。但与实际应用还有一定的距离。近些年来，我国在利用卫星遥感技术用于赤潮探测和监测中的应用正在逐渐走向定量化和业务化（黄韦艮 2000，陈晓翔 2001等）。我国赤潮灾害卫星遥感业务化监测也取得了重要进展，在渤海、长江口和珠江口三个重点海域实施业务化示范监测，为赤潮灾害的减轻和防污，提供了有力的决策依据。

上述国内外开发的遥感探测监测赤潮灾害的技术和方法实质上是通过探测赤潮相关因子的来实现赤潮信息提取的的，这些因子主要有海水表层温度、海水水色（如色素、悬浮泥沙等）。由于这些因子仅是赤潮发生环境的理化范畴因子，是静态的环境要素，只能表征赤潮灾害的发生面积、地点和程度等初级信息。要相获取赤潮灾害的发生、发展和消亡等深层次信息，实现赤潮卫星遥感预警和预报工作，就必需利用赤潮灾害发生环境中的水文因子，如海面流场、海洋锋面等间接的赤潮相关因子。

3.物理海洋过程在赤潮生消过程中作用的研究进展

国内外众多赤潮机理研究表明，物理海洋特征影响细胞的集聚和生长条件，赤潮生物的密度和持续时间很大程度上取决于物理海洋环境的持续性和稳定性（Gowen 1998，Raine 1998，Eynaud 1999，许卫忆 2002等），不同海区赤潮的发生与该海区的海洋动力环境是有关系的。

这些现象或关系中部分已经为卫星遥感技术所观测确认。Johannessen（1989）应用数值模拟技术对遥感观测到的赤潮漂移现象进行了研究。Tyler（1989）也用遥感技术对河口赤潮的动力机制进行探讨，发现潮流与锋面系统对赤潮有很大的限制作用。之后 Richardson （1996），Saitoh （ 1997），Inagake （1998）等都用卫星遥感技术对赤潮与物理海洋过程等水文环境的关系进行了初步的探讨和研究。在国内，唐丹玲（2002，2003）对我国南海的赤潮与海洋锋面、潮汐和上升流等物理海洋过程之间的关系进行了初步的探讨，并认为，潮汐、上升流和海洋锋面都是赤潮形成的海洋机理的组成部分。

赤潮因种类、地域特征、海况和天气的影响不同而呈现多样性和复杂性。在1998年联合国政府间海洋委员会（IOC）和海洋科学研究委员会（SCOR）提出，赤潮是发生在海洋中的生态问题，受海洋环境的影响。赤潮国际联合研究计划（GEOHAB）提出物理海洋过程是赤潮发生的不可忽视的重要因素。赤潮的形成、发展和消亡是及其复杂的过程，这是由于赤潮发生有很强的地域性，在不同海域影响赤潮发生和消亡的因子是不同的。只有当水文状况、生物环境、化学环境和气象条件均有利时，赤潮才能发生和发展；而当这些环境发生变化时，赤潮逐步消亡。前人研究结果表明，水文状况的改变也是赤潮消亡的原因之一。物理海洋过程对赤潮生物增殖和聚集都有直接或间接的影响与作用，因此物理海洋过程与赤潮生消过程是密切相关的。海洋动力环境对赤潮起决定性的作用。因此需要开展以海洋动力学为重要内容的赤潮生态动力学的研究。从赤潮生消过程的数值模拟结果分析，在一定的时间和空间内，赤潮生物的自然增长率大于所在水体的扩散率，则该海区才可能发生赤潮（许卫忆，2002，2004）。赤潮的发生过程主要不是赤潮生物的增殖而是在物理条件下的集聚致使密度增值造成的。水体扩散率的负效应即水体的集聚率，赤潮生物的物理集聚作用也是赤潮发生的主要控制因素。而生物化学和物理过程的耦合过程主要发生在赤潮的发展和维持阶段。在开阔海区发生的大面积赤潮不是通过赤潮生物在短时间内增殖导致的，主要是水体的集聚能力造成赤潮生物的集聚。物理的集聚效应是大面积赤潮发生的主要机制。赤潮生物的集聚不仅有赤潮生物的水平集聚，赤潮生物的垂直迁移集聚，还包括赤潮生物胞囊萌发后在海流作用下上浮在海面集聚。因此，赤潮发生过程中物理海洋作用不仅是重要因素，而且是大面积赤潮发生的主要控制因素。水流的集聚能力较强可使海域的赤潮藻细胞密度在短时间内迅速提高，导致赤潮的发生。

据研究，沿岸水域的赤潮发展过程在很大程度上受天气和水文状况的影响。赤潮的发生主要于水体大气环境如水文、气象及生物环境有密切关系，赤潮爆发的内因时存在赤潮生物，外因时水文气象条件的诱发作用（苟钊训等，2003）。其中风是赤潮发生的重要因子。一定强度和风向的风，与某区域的赤潮发生密切相关。在平行于岸线风的作用下，海水表层离岸流的辐散作用可引起水体的涌升作用。海水涌升是沿海大规模赤潮的必要环节（翟自强等，2004）。风可以导致海水涌升，形成上升流场。浙江沿海上升流和沿岸锋面研究表明，近岸一侧的上升流主要受风的影响（刘先炳等，1991）。季风与物理海洋过程对赤潮的影响与作用在我国其它海域也存在。对1983至1998年间香港海域赤潮的研究发现，香港赤潮与季风的有着密切的关系，冬春季节的盛行的北东向季风在赤潮发生中起着重要作用，北东向季风导致海水上涌，水体由外海向港湾堆积，易于赤潮生物的集聚而导致赤潮的发生（Kedong Yin，2003、2004）。上升流场一方面可以增加营养盐，同时是赤潮生物从底部聚集到海面的通道。通过对赤潮发生过程中的天气形势与海流记录结果表明：潮流、风等对赤潮生物有聚集作用，径流、上升流、水团和海流等作用造成底部营养屋子上翻到表层，有利于赤潮藻类的繁殖。地形、海流等也是造成海水上升运动的原因。地形和沿岸流等的作用，使东海的上升流较为稳定。由于东海海岸走向为南北向，海底地势以及多中水体的交汇作用，该海域的

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