渤海西部2次赤潮過程的氣象因子對(duì)比分析

段宇輝，王文，景華，郭志強(qiáng)（.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇南京0044；.河北省氣象臺(tái)，河北石家莊0500；.保定市氣象臺(tái)，河北保定07000）

渤海西部2次赤潮過程的氣象因子對(duì)比分析

段宇輝1，2，王文1，景華2，郭志強(qiáng)3
（1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇南京210044；2.河北省氣象臺(tái)，河北石家莊050021；3.保定市氣象臺(tái)，河北保定071000）

摘要：利用加密自動(dòng)站資料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料、海表溫度（SST）資料和常規(guī)觀測(cè)資料等氣象資料，對(duì)2009年5月31日—6月13日和2012年5月18—28日發(fā)生在渤海西部海域的2場(chǎng)相似氣象因子影響下的典型高影響赤潮過程進(jìn)行了對(duì)比分析。初步結(jié)果表明：（1）2場(chǎng)高影響赤潮過程都發(fā)生在春末夏初的赤潮高發(fā)期，持續(xù)時(shí)間在10天以上；（2）赤潮爆發(fā)前期，伴隨有暖濕氣流影響形成適度降水，渤海西部的周平均海表溫度（SST）升溫明顯，且SST≥16.2℃，赤潮發(fā)生海域?yàn)镾ST的暖脊控制，對(duì)赤潮過程的潛勢(shì)預(yù)報(bào)有明顯的指示意義；（3）850 hPa以下層次的溫度迅速上升，近地層西南暖濕氣流的加強(qiáng)和地面6 m/s以下偏南、東南氣流在渤海西部海域的匯合，利于渤海西部海洋浮游生物積聚和突發(fā)性繁殖，是赤潮形成的重要?dú)庀笠蜃犹卣鳌?/p>

關(guān)鍵詞：渤海西部；赤潮過程；氣象因子；診斷分析

1　引言

赤潮災(zāi)害作為渤海沿海地區(qū)主要海洋生態(tài)災(zāi)害之一，引起很多專家學(xué)者的關(guān)注，特別在春末夏初的渤海西部地區(qū)赤潮的高發(fā)集中期，對(duì)近海水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)和捕撈業(yè)造成了巨大影響和無可挽回的經(jīng)濟(jì)損失，例如：2010年5月—6月發(fā)生在河北秦皇島昌黎沿海海域的赤潮災(zāi)害所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)到了2億元；2013年5月25日—8月31日發(fā)生在河北秦皇島至綏中附近沿岸海域的抑食金球藻赤潮，持續(xù)時(shí)間為98天、影響海域?yàn)?450 km2，為2013年持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)和單次過程影響面積最大的赤潮，對(duì)當(dāng)?shù)貫I海旅游業(yè)和經(jīng)濟(jì)損失造成了巨大影響。因此，在赤潮災(zāi)害的成因、生消過程、治理方法及氣象因子分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)等研究方面，眾多海洋、氣象的專家學(xué)者開展了大量的研究工作[1-7]。任湘湘[8]等利用2001—2005年珠江口發(fā)生赤潮的記錄進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，得到5種最易引發(fā)南海（珠江口）赤潮的典型天氣形勢(shì)場(chǎng)。葉君武等[9]在環(huán)境因子與赤潮的關(guān)系中研究發(fā)現(xiàn)，不同規(guī)模的赤潮發(fā)生前6天和發(fā)生后4天，在溫度、濕度、降水量、日照、風(fēng)向風(fēng)速等方面有明顯變化，可依此判別赤潮發(fā)生的可能性。衣立等[10]研究表明，風(fēng)場(chǎng)輻合帶的風(fēng)速一般較弱，持續(xù)高溫、強(qiáng)光照、風(fēng)速小的氣象條件，對(duì)赤潮發(fā)生有利。這些研究成果為預(yù)報(bào)員進(jìn)行赤潮潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供了思路和依據(jù)。

然而在短期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的實(shí)際業(yè)務(wù)中，赤潮災(zāi)害由于其復(fù)雜的發(fā)生機(jī)理，包括海水富營(yíng)養(yǎng)化、理化因子和水文氣象等眾多影響因素，目前還沒有一種成熟可信的方法應(yīng)用其中。因此，本文以2009年5 月31日—6月13日和2012年5月18—28日渤海西部海域2次高影響赤潮災(zāi)害過程為例，對(duì)赤潮生消過程的相似氣象因子進(jìn)行歸納總結(jié)，并對(duì)低空冷暖平流、850 hPa以下層次平均風(fēng)場(chǎng)、地面流場(chǎng)和海表溫度（SST）進(jìn)行診斷分析，以期從環(huán)境因子的角度闡述渤海西部赤潮過程形成機(jī)制中溫度、風(fēng)場(chǎng)等氣象條件所起的重要作用，為實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中相似氣象因子的短期赤潮潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

2　過程概述

2009年5月31日—6月13日（簡(jiǎn)稱過程Ⅰ）：此次赤潮是2009年度發(fā)生面積最大的一次，位于渤海灣附近海域，持續(xù)時(shí)間14天，最大面積為4460平方千米，赤潮優(yōu)勢(shì)種為赤潮異彎藻，赤潮海域水體呈醬紫色。

2012年5月18—28日（簡(jiǎn)稱過程Ⅱ）：位于秦皇島附近海域，持續(xù)時(shí)間10天，最大面積16 km2，赤潮優(yōu)勢(shì)種為隱藻、甲藻類，赤潮海域水體呈黃綠色。6 月8日—8月20日，該海域再次爆發(fā)赤潮，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)73天，最大面積為3400 km2。

2次赤潮災(zāi)害過程都出現(xiàn)在春末夏初的渤海西部赤潮高發(fā)集中期，其中秦皇島海域作為我國(guó)產(chǎn)量較大的海灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)，受赤潮災(zāi)害過程的影響，大量扇貝、牡蠣等出現(xiàn)滯長(zhǎng)或死亡現(xiàn)象，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

3　大尺度環(huán)流背景

過程Ⅰ：赤潮發(fā)生前7天，500 hPa高度場(chǎng)呈2槽 1脊，渤海海域長(zhǎng)時(shí)間為高壓脊控制，雖然貝加爾湖有冷空氣東移發(fā)展成高空冷渦，但整體位置偏北，渤海西部海域位于冷渦底部，冷空氣東移北抽明顯，渤海西部海域未受較強(qiáng)冷空氣影響，利于海洋浮游生物突發(fā)性繁殖。同時(shí)在赤潮發(fā)生前10天（5 月20日08時(shí)—30日08時(shí)），赤潮發(fā)生海域的渤海灣附近沿岸測(cè)站總降水量為2.9—10.9 mm（見圖1a），為小到中雨的量級(jí)。

過程Ⅱ：赤潮發(fā)生前7天，歐亞中高緯在500 hPa處于高空冷渦底部，以緯向環(huán)流為主，冷渦東移入海后，渤海西部處于槽后脊前西北氣流控制，配合850 hPa暖脊的迅速北抬，天空狀況晴好，升溫明顯。同樣在赤潮發(fā)生前10天（5月8日08時(shí)—18日08時(shí)），赤潮發(fā)生海域的秦皇島附近沿岸測(cè)站總降水量為3.6—11.2 mm（見圖1b），為小到中雨的量級(jí)。

由高低空的系統(tǒng)配置可以看出，2次赤潮災(zāi)害過程發(fā)生前的影響系統(tǒng)較為相似，赤潮發(fā)生海域都出現(xiàn)了小到中雨的降水，降水形成的地表徑流利于陸地的有機(jī)物流入沿岸海域，造成海水的富營(yíng)養(yǎng)化程度的積累和鹽度的降低；而后弱冷空氣影響后，渤海西部處于高空西北氣流控制，天空狀況以晴到多云天氣為主，天空輻射較好，850 hPa升溫明顯，利于赤潮的形成。

圖1　華北各站降水量分布（單位：mm）

4　物理量診斷分析

4.1海表溫度（SST）的演變特征

溫度在海洋生物的生活繁殖中起著無可替代的重要作用，它直接影響海洋生物的新陳代謝，同時(shí)也與赤潮生物的水平有著直接或間接的關(guān)系，在最適宜的溫度范圍內(nèi)，赤潮生物才能有效地繁殖，從而引起優(yōu)勢(shì)種的更新?lián)Q代，形成大范圍的高影響赤潮災(zāi)害。研究表明，赤潮在我國(guó)沿海發(fā)生的時(shí)間具有從南往北逐步推遲的趨勢(shì)，與溫度的影響有關(guān)[11]；溫度等物理因子可能會(huì)成為浮游植物生長(zhǎng)的主要限制因子[12]。

海表溫度數(shù)據(jù)使用的是NOAA網(wǎng)站（ftp://polar. ncep.noaa.gov//pub/）提供的自1990—2014年的逐周的海表溫度資料，空間分辨率為1°×1°。為了更好分析2次赤潮過程的平均海表溫度（SST）時(shí)間演變特征，使得數(shù)據(jù)更具代表性，分別取2次過程發(fā)生海域SST的平均值進(jìn)行分析（見圖2）：

圖2　2009年、2012年2次赤潮過程發(fā)生海域的平均海表溫度（SST）的時(shí)間演變（單位：℃）

（1）過程Ⅰ：取（39°N,118°E）—（38°N,120°E）海域的平均SST值，在赤潮爆發(fā)前，SST就出現(xiàn)了明顯的升高，特別是在2009年5月17—31日期間的升溫尤為明顯，SST由13.6℃突升到16.9℃，隨著渤海灣赤潮的大面積爆發(fā)，6月上旬的海表溫度持續(xù)上升；而后受冷空氣影響，在6月13—14日，華北中北部出現(xiàn)了小到中雨的降水，同時(shí)唐山南部、天津的岸基站也出現(xiàn)了2—4℃的降溫幅度，6月13日的周平均SST在20℃近乎維持，赤潮過程以轉(zhuǎn)折性天氣而減弱、結(jié)束。

（2）過程Ⅱ：取（40°N,119°E）—（39°N,121°E）海域的平均SST值，與過程Ⅰ的表現(xiàn)基本相似，SST在前期的升溫中更為突出，在2012年5月13—20日，SST在一周內(nèi)由13.4℃上升到16.7℃，隨后增速趨于平穩(wěn)；受冷空氣影響，5月28—30日，華北自西向東先后出現(xiàn)小到中雨的降水天氣，秦皇島本站的最高溫度由32℃驟降至24℃，赤潮過程減弱，但后期沒有較強(qiáng)冷空氣影響，周平均SST依舊平穩(wěn)上升，在6月8日—8月20日，該海域再次爆發(fā)大范圍赤潮。

統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，除了周平均SST的升幅、前期海表溫度等對(duì)2次過程的爆發(fā)有指示意義外，在1990—2003年的24年渤海海域的歷史同期的多年平均值上也有良好的表現(xiàn)：過程Ⅰ，通過與5月份歷史同期的平均SST的距平對(duì)比分析，過程爆發(fā)前3周的區(qū)域平均SST距平分別為：-0.2℃、0.8℃和0.1℃；同時(shí)赤潮發(fā)生前1周的SST增幅達(dá)到了2.3℃，幾乎是多年平均的1.8倍。過程Ⅱ，更為明顯，過程爆發(fā)前3周的區(qū)域平均SST距平分別為：2.0℃、1.5℃和1.1℃；同時(shí)赤潮發(fā)生前1周的SST增幅達(dá)到了3.2℃，是多年平均的2.0倍。由此可見，春末夏初的區(qū)域平均SST距平值、SST增幅值與渤海西部赤潮發(fā)生、發(fā)展有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是2次高影響赤潮過程發(fā)生的重要原因。

為了進(jìn)一步分析2次赤潮災(zāi)害過程中海表SST的水平分布情況，選取2次過程發(fā)生時(shí)SST的水平分布（見圖3a，圖3b）進(jìn)行分析。過程Ⅰ，在2009年5月24—31日，渤海灣的周平均SST由14.7℃上升至16.8℃,渤海西部海域相對(duì)渤海中部海域的SST要高0.2—0.4℃，周平均SST在渤海灣呈現(xiàn)明顯的“兩脊一槽”的波狀；過程Ⅱ，在2012年5月13—20日的周平均SST，秦皇島海域由12.8℃的低值區(qū)迅速升高到16.6℃的暖脊，表現(xiàn)為一個(gè)SST的暖脊向東北方向伸展，并達(dá)到16.4℃以上，周平均SST在秦皇島海域呈現(xiàn)為“槽脊”形。這種相對(duì)與渤海中部海域局地的暖脊的存在，十分利于赤潮生物的聚集，因此，在赤潮爆發(fā)時(shí)，赤潮發(fā)生海域的SST都在16℃以上，渤海西部局地海域SST暖脊的出現(xiàn)對(duì)渤海西部的春末夏初的赤潮爆發(fā)有指示意義。

圖3　周平均海表溫度的分布圖（單位：℃）

4.2風(fēng)場(chǎng)與溫度場(chǎng)的垂直演變

為了更好地分析氣象因子的演變過程，分別以2次過程的赤潮發(fā)生海域的平均場(chǎng)作時(shí)間-垂直剖面，對(duì)風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的垂直演變進(jìn)行了分析。由圖4可以發(fā)現(xiàn)：過程Ⅰ：?。?9°N,118°E）—（38°N,120°E）海域的平均風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，赤潮爆發(fā)前2天，高空不斷有弱冷空氣影響，850 hPa的溫度維持在12℃左右，冷空氣影響過后，中高層的風(fēng)向以偏西或西北氣流控制，近地層系統(tǒng)風(fēng)控制下風(fēng)速在4—8 m/s，而在5月30日后，低層風(fēng)向迅速逆轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，且風(fēng)速迅速增大到12 m/s，在西南暖濕氣流影響下，渤海海域近地層的溫度迅速攀升，925 hPa的溫度甚至達(dá)到了27℃以上，赤潮大范圍爆發(fā)。過程Ⅱ：?。?0°N, 119°E）—（39°N,121°E）海域的平均風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，赤潮過程爆發(fā)前，偏北氣流的弱冷空氣影響下，850 hPa的溫度穩(wěn)定維持在9℃，5月17日后，高空轉(zhuǎn)為西北氣流控制，天空狀況較好，從溫度的垂直分布看，整層溫度迅速攀升，850 hPa的溫度上升到15℃以上，并在925 hPa形成了21℃的暖中心，低層在6—12 m/s西南、偏南氣流影響下，暖濕氣流向渤海西部海區(qū)輸送，形成赤潮災(zāi)害。

由此可見，赤潮爆發(fā)前后，中高層偏北氣流控制、近地層較強(qiáng)的西南暖濕氣流和暖平流的輸送使得渤海西部海域維持相對(duì)較高的溫度，同時(shí)分析弱冷空氣影響后的整層大氣溫度的垂直分布發(fā)現(xiàn)，在中低層配合西南氣流，有暖脊和暖中心的出現(xiàn)，低層溫度維持在20℃以上。因此，暖濕氣流的輸送和溫度的驟升是2次赤潮爆發(fā)的重要原因。

4.3溫度平流的垂直演變

為了更好地分析冷暖空氣在赤潮發(fā)生前后的指示意義，分別沿（39°N,119°E）、（39°N,120°E）作兩次過程的溫度平流的時(shí)間-垂直剖面，對(duì)溫度平流場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的垂直演變進(jìn)行了分析。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：過程Ⅰ：5月29日開始，850 hPa以下一直維持暖平流，渤海灣赤潮爆發(fā)時(shí)，隨著高低空影響系統(tǒng)的發(fā)展，近地層出現(xiàn)了暖平流的迅速增強(qiáng)，在6月1日的975 hPa出現(xiàn)了一個(gè)3.2×10-4℃/s的強(qiáng)暖平流中心，對(duì)應(yīng)中低層均為較強(qiáng)的西南暖濕氣流，雖然在2日有弱冷空氣影響，但冷平流相對(duì)較弱，且持續(xù)時(shí)間短，對(duì)赤潮過程影響相對(duì)較??；過程Ⅱ，在發(fā)現(xiàn)赤潮時(shí)的5月18日開始，中低層一致的暖平流控制，并在19日西南暖濕氣流的發(fā)展加強(qiáng)下，同樣在975 hPa出現(xiàn)了4.0×10-4℃/s的強(qiáng)暖平流中心，隨著高空影響系統(tǒng)移出后，冷暖平流發(fā)展較弱，在這種適宜的大氣層結(jié)條件下，赤潮生物突發(fā)性繁殖。

由此可見，赤潮發(fā)生后，近地層較強(qiáng)的偏南、西南風(fēng)和暖平流的輸送，使得渤海西部的赤潮發(fā)生海域維持較高的氣溫增速，在適宜的溫度條件下，利于赤潮生物的生長(zhǎng)繁殖。然后在赤潮生物突發(fā)性增長(zhǎng)之后的一段時(shí)間后，無較強(qiáng)的冷暖空氣影響，適宜的溫度條件、風(fēng)速條件使得赤潮過程得以維持和發(fā)展。

圖4　赤潮發(fā)生海域的平均風(fēng)場(chǎng)、平均溫度場(chǎng)的時(shí)間-垂直剖面圖

圖5　赤潮發(fā)生海域的平均溫度平流場(chǎng)的時(shí)間-垂直剖面圖

4.4地面風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)的特征分析

由于赤潮生物的分布、聚集和消散直接受到水體運(yùn)動(dòng)的影響，在海表風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)適宜的情況下，水體運(yùn)動(dòng)會(huì)促進(jìn)赤潮生物在港灣、富營(yíng)養(yǎng)海域聚集，使赤潮更容易發(fā)生。徐麗麗等[13]研究發(fā)現(xiàn)，大氣輻合能力偏強(qiáng)（輻合中心）的環(huán)流形勢(shì)使得近地層的大氣對(duì)流活動(dòng)加劇，氣旋性渦度增強(qiáng)，利于近岸海區(qū)上升流的形成和加強(qiáng)，進(jìn)而影響近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽的輸送。而對(duì)天津近海赤潮發(fā)生時(shí)天氣形勢(shì)為受偏南氣流影響較多，渤海灣長(zhǎng)時(shí)間氣溫偏高，保證了赤潮水團(tuán)的穩(wěn)定和進(jìn)行良好的光合作用[14]。對(duì)比分析2次赤潮過程的地面風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)：過程Ⅰ，渤海灣赤潮災(zāi)害發(fā)生時(shí)的2009年6月1日開始，偏南風(fēng)和東南風(fēng)在渤海西部沿岸海域匯合，形成地面氣流的明顯匯合區(qū)，沿岸地面風(fēng)速都在6 m/s以下；過程Ⅱ：2012年5月17日秦皇島赤潮發(fā)生前，東南風(fēng)速帶密集區(qū)經(jīng)山東半島后，在秦皇島及北部的渤海西部海區(qū)交匯，沿岸地面風(fēng)速都在4 m/s左右。由2次過程的對(duì)比分析得出，風(fēng)力適當(dāng)?shù)那闆r下，在地面偏南、東南風(fēng)在渤海西部海域的匯合，利于赤潮生物在渤海灣、秦皇島海域的聚集，容易產(chǎn)生高影響的赤潮災(zāi)害。太大的風(fēng)速會(huì)吹散赤潮生物，降低了赤潮發(fā)生的可能性[15]，因此地面流場(chǎng)較小的氣流匯合區(qū)或密集區(qū)與赤潮發(fā)生海域有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這與“幅合中心促進(jìn)近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽輸送”的研究理論是一致的。

5　結(jié)論

（1）2次高影響赤潮災(zāi)害過程都發(fā)生在春末夏初的渤海赤潮高發(fā)期，持續(xù)時(shí)間在10天以上，具有赤潮發(fā)生時(shí)間段集中、發(fā)生區(qū)域相對(duì)規(guī)定、造成經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重等特點(diǎn)。赤潮發(fā)生前10天，2次過程都在偏南暖濕氣流和冷空氣影響下形成了小到中雨的降水，促進(jìn)了渤海西部沿岸海域的海水富營(yíng)養(yǎng)化、鹽度的降低，促進(jìn)了赤潮的發(fā)生、發(fā)展；

（2）渤海西部的周平均海表溫度（SST）的驟升，SST≥16.2℃，以及赤潮發(fā)生海域?yàn)镾ST的暖脊控制，對(duì)赤潮潛勢(shì)預(yù)報(bào)有很好的指示意義；

（3）中低層配合偏南暖濕氣流，850 hPa以下層次的溫度迅速上升，有暖脊和暖中心的出現(xiàn)，低層溫度維持在20℃以上；地面6 m/s以下的西南風(fēng)、東南風(fēng)在渤海西部海域的匯合或密集區(qū)，利于赤潮生物在渤海灣、秦皇島海域的聚集，造成海洋浮游生物在渤海西部突發(fā)性繁殖，是赤潮形成的重要?dú)庀笠蜃犹卣鳌?/p>

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Comparison analysis of two Red Tide processes under the similar meteorological conditions in western BoHai Bay

DUAN Yu-hui1, 2, WANG Wen1, JING Hua2,GUO Zhi-qiang3
(1. College of Atmospheric Sciences, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044 China;
2. Hebei Meteorological Observatory, Shijiazhuang 050021 China; 3.Baoding Meteorological Observatory, Baoding 071000 China)

Abstract：Based on automatic weather station data, NCEP/NCAR 1°×1°analysis data, weekly mean of sea surface temperature and the conventional observations, the two red tide processes under the similar meteorological conditions which occurred in western BoHai Bay were diagnostically analyzed. The results shows that:(1)The two high impact red tide processes both occur in the period of late spring and early summer which is the red tide high-incidence season, and more than ten days in duration. (2) For the early stage of red tide outbreak, the influence of warm and wet air current forms moderate rainfall. The weekly mean of sea surface temperature is obviously rising in western BoHai Bay, and the SST is more than 16.2℃. The bay of red tide occurrence is controlled by the SST warm ridge, which shows a significant indication for the potential forecast of red tide process. (3) Rapidly increasing temperature below 850 hPa level, the enhancement of southwestern warm and wet air current on ground layer and the obvious convergence of south wind and southeast wind which are less than 6 m/s in western BoHai Bay, are beneficial to the marine plankton accumulation and the sudden reproduction in western BoHai Bay, which are the important meteorological factors for the red tide formation.

Key words：western BoHai Bay；Red Tide process；meteorological factors；diagnostic analysis

作者簡(jiǎn)介：段宇輝（1984-），男，工程師，主要從事海洋天氣預(yù)報(bào)工作。E-mail：luoricangbai@163.com

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201106006）；河北省氣象局科研開發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目（12ky01）

收稿日期：2014-06-03

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.010

中圖分類號(hào)：X55

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2015）01-0063-07