適宜平潭海域夜光藻赤潮發(fā)生的水溫和氣象條件統(tǒng)計分析

萬艷

（福建省海洋預(yù)報臺，福建福州350003）

1 引言

近年來，“藍(lán)眼淚”已經(jīng)成為平潭的奇景之一，吸引了大量游客（新聞來源：http://tv.cctv.com/2019/09/13/VIDEowPOBNestCHxZZDAnPA7190913.shtml? spm=C22284. PP7miAIBYiAV. EamyF6RCoq4e.16）。“藍(lán)眼淚”是夜光藻（Noctiluca scintillans）在夜間受潮汐或海浪拍打等刺激引起的發(fā)光現(xiàn)象。夜光藻，通常稱為?；鸹?，也稱為夜光蟲，是一種自由生活、無寄生蟲、海洋棲居的鞭毛藻物種，在受到干擾時會表現(xiàn)出生物發(fā)光。

當(dāng)夜光藻的密集程度達(dá)到或超過0.3×104～1.0×104/L 時，便稱之為夜光藻赤潮（Noctiluca scintillansRed tide，NsRt）。夜光藻是全球性的赤潮生物，是我國沿岸海域最普遍的赤潮種類，也是福建海域出現(xiàn)頻率最高的赤潮藻種，其中以平潭海域出現(xiàn)該種赤潮的次數(shù)最多[1-3]。雖然夜光藻無毒，但是會粘附在魚鰓上致使魚類死亡，魚類死亡腐爛導(dǎo)致海水變質(zhì)，進(jìn)一步造成魚、蝦、貝和藻類死亡。以1990 年和1991 年為例，平潭海域發(fā)生4 起夜光藻赤潮，其中兩起造成水產(chǎn)業(yè)直接經(jīng)濟(jì)損失70多萬元[4]。

夜光藻赤潮的發(fā)生難以預(yù)測，因?yàn)槌喑钡陌l(fā)生是一個復(fù)雜的過程[5-9]。前人對廣東、浙江、天津、河北和遼寧等沿岸海域夜光藻赤潮的研究表明，夜光藻赤潮的發(fā)生與水文[10]、海洋生物[11-12]、化學(xué)和氣象[13-15]等條件均存在一定程度的關(guān)系。營養(yǎng)鹽等能夠間接反映夜光藻的繁殖，但富營養(yǎng)化程度尚不能作為預(yù)判夜光藻赤潮暴發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)[16]。獲取長時間序列和實(shí)時的海洋生物、化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)積累并開展實(shí)時預(yù)測，目前來說是相對比較困難的。赤潮發(fā)生的原因是藻種在短時間內(nèi)的爆發(fā)性繁殖或高度集聚，并且夜光藻浮游活動發(fā)生在海水表面，因此推測夜光藻赤潮的發(fā)生，可能與海面上方氣象條件和藻種生活的海表溫度變化有緊密的聯(lián)系。作為對前人研究工作的一種補(bǔ)充，本文基于最近18 a 平潭氣象數(shù)據(jù)和水溫數(shù)據(jù)，分析平潭海域夜光藻赤潮發(fā)生的條件特征，盡可能挖掘可預(yù)報信息，也為大數(shù)據(jù)分析方法和人工智能模型提供基礎(chǔ)支撐。

2 資料和處理方法

2.1 數(shù)據(jù)資料來源

為做好赤潮監(jiān)測與防范工作，及時掌握赤潮發(fā)生、發(fā)展動態(tài)及影響范圍，2002 年以來的4—10 月，福建省海洋與漁業(yè)主管和技術(shù)部門開展了全省沿海赤潮藻種監(jiān)測，也有志愿者隊伍志愿性查看。本文研究對象為平潭海域監(jiān)測（發(fā)現(xiàn)）到的夜光藻赤潮事件，數(shù)據(jù)跨度為2002—2019 年。由于海域廣闊，受觀測站位的布放、觀測儀器的觀測能力、天氣情況和人力因素等影響，有不少赤潮的發(fā)生是未被發(fā)現(xiàn)的；即便被發(fā)現(xiàn)，也不一定是赤潮剛剛發(fā)生。本文參考前人的分析和表達(dá)習(xí)慣，假設(shè)赤潮發(fā)生即被發(fā)現(xiàn)。

氣象觀測數(shù)據(jù)下載于國家氣象數(shù)據(jù)中心（網(wǎng)址：http://data.cma.cn/），數(shù)據(jù)集為中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0），選取了平潭（海島）氣象站（國際氣象組織編號58944）觀測的日平均氣溫、日最大風(fēng)速、日平均相對濕度、日降水和日照時數(shù)等日值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

海表溫度數(shù)據(jù)下載于美國國家海洋和大氣管理局網(wǎng)站物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站（網(wǎng)址：https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.highres.html）[17]。該數(shù)據(jù)為基于最優(yōu)插值方法的混合分析格點(diǎn)數(shù)據(jù)，格點(diǎn)水平分辨率為0.25°。分析時提取平潭附近海域的海溫值作為時間序列單點(diǎn)，時間范圍主要為4—5月，也是日值數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

本次分析使用比較直接簡單的箱式圖作為統(tǒng)計分析表達(dá)方法：將關(guān)心的每個數(shù)據(jù)序列進(jìn)行排序，并以25%為間隔，得到的數(shù)據(jù)從小到大依次為：最小值、下四分位數(shù)、中位數(shù)、上四分位和最大值。在箱式圖中，最上方和最下方的線段分別表示數(shù)據(jù)的最大值和最小值，箱圖上方和下方的線段分別表示上四分位數(shù)和下四分位數(shù)，箱圖中間的粗線段表示數(shù)據(jù)的中位數(shù)。箱式圖可以粗略地看出數(shù)據(jù)是否具有對稱性、分布的分散程度等信息，特別是可用于對幾個樣本的比較。

3 平潭海域夜光藻赤潮發(fā)生情況

從2002—2019 年的18 a 間，平潭海域共發(fā)生夜光藻赤潮16 起，年均接近1 起（見表1）。2003 年赤潮發(fā)生面積和起數(shù)是歷史最多的年份。平潭海域夜光藻赤潮發(fā)生在4—6 月，最早發(fā)生于4 月17 日，最晚發(fā)生于6月17日；4月3起，6月1起。平潭海域夜光藻赤潮最常發(fā)生的5 月，共12 起，占總數(shù)的75.0%；其中5 月上旬（1—10 日）共發(fā)生5 起，中旬（11—20 日）共發(fā)生4 起，下旬（21—31 日）共發(fā)生3起。

表1 2002—2017年平潭海域夜光藻赤潮發(fā)生情況

在2007—2008 年、2010—2011 年、2014—2015年和2018—2019年，平潭海域未發(fā)生夜光藻赤潮，4個不發(fā)生夜光藻赤潮的間歇期長度均為2 a，原因尚不明確。吳瑞貞等[4]認(rèn)為，一些年份不常發(fā)生夜光藻赤潮表明夜光藻赤潮生物在生存競爭中處于劣勢而被更強(qiáng)勢的生物所代替，并且這個現(xiàn)象是有區(qū)域特征的，因?yàn)樵谄渌胤竭@些年份發(fā)生夜光藻赤潮。

4 夜光藻赤潮相關(guān)條件分析

因平潭海域夜光藻赤潮在6 月只發(fā)生1 起，將其視為特殊樣本不參與統(tǒng)計對比分析；而將4 月中旬—5 月（4 月10 日—5 月31 日，因需考慮4 月17 日的前5 d 條件變化情況）作為一年中關(guān)注的重點(diǎn)時段。分析不同年份和赤潮總體情況時，用于統(tǒng)計對比的數(shù)據(jù)的主要時段包括：2002—2019 年所有年份共18 a 每年的4 月中旬—5 月（Y_All）、沒有赤潮發(fā)生的年份共8 a 每年4 月中旬—5 月（Y_None）、有赤潮發(fā)生的年份共10 a 每年4 月中旬—5 月（Y_NsRt）和發(fā)生赤潮的第前5 d 至赤潮發(fā)生當(dāng)天（5d-NsRt）。針對赤潮事件過程，統(tǒng)計發(fā)生赤潮的第前5 d 至赤潮發(fā)生當(dāng)天的每1 d 的數(shù)據(jù)（5、4、3、2、1、0 days before NsRt found）。

4.1 海表水溫

水溫是決定赤潮季節(jié)變化的主要因素[18]，也是夜光藻赤潮集中出現(xiàn)在4—5 月的主要因素。從圖1a的水溫統(tǒng)計情況看，如果把18 a 4月中旬—5月的情況視為常年狀態(tài)，則沒有發(fā)生赤潮的年份較常年水溫略低，發(fā)生赤潮的年份較常年水溫略高，赤潮發(fā)生的第前5 d 至當(dāng)天的水溫狀態(tài)也較沒有發(fā)生赤潮的年份略高。這說明，平潭海域更暖的水溫狀態(tài)更有利于赤潮的發(fā)生，更冷則相反。

圖1 平潭海域海表溫度箱式圖

赤潮發(fā)生前5 d 至發(fā)生當(dāng)天（見圖1b），水溫范圍 為14.4～24.7 ℃，其 中50% 數(shù) 據(jù) 位 于20.7～22.8 ℃。雖然這6 d 的水溫上限和下限差異較大，但是上四分位、下四分位差異很小，并且赤潮發(fā)生的第前3 d 至當(dāng)天水溫的中位數(shù)基本都為22.0 ℃，這說明雖然在一些特定的情況下也可以發(fā)生赤潮，但是大部分是水溫達(dá)到夜光藻最適宜溫度的情況下。林玉輝等[19]對福建海岸夜光藻的調(diào)查表明，夜光藻生長較適溫度為13.0～28.0 ℃，最適宜溫度為16～20 ℃。林元燒等[20]對福建沿岸中南部海島周圍水域夜光藻的調(diào)查表明，夜光藻最適宜溫度為16～22 ℃。林元燒等的研究結(jié)果與本文結(jié)果比較接近。

4.2 日平均氣溫

從平潭海島氣象站氣溫的統(tǒng)計箱式圖可知（見圖2a），赤潮發(fā)生的年份比沒有赤潮發(fā)生的年份的平均氣溫上四分位、中位、下四分位略高，與海表溫度特征一致，說明更高的氣候溫度有利于赤潮的發(fā)生，反之則不利。

從赤潮發(fā)生前5 d 的每日氣溫的統(tǒng)計情況看（見圖2b），與上節(jié)海溫統(tǒng)計結(jié)果不同，赤潮發(fā)生前5 d 氣溫的上下四分位變化趨勢不一致。從赤潮發(fā)生的第前4 d 至赤潮發(fā)生當(dāng)天，氣溫的下四分位表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢，上四分位表現(xiàn)為先降低后升高的形態(tài)。赤潮發(fā)生當(dāng)天和第前1 d 是氣溫離散度最小的時段，說明在赤潮即將暴發(fā)時，更傾向于在一個范圍內(nèi)的溫度。特別是，赤潮發(fā)生的前1 d 的上下四分位為19～22 ℃，與最適宜赤潮生長額水溫相當(dāng)，因此分析認(rèn)為可能發(fā)生赤潮的前1 d，氣溫也在夜光藻適宜生長溫度時，夜光藻的繁殖活動最活躍，是暴發(fā)赤潮的重要原因。

4.3 日最大風(fēng)速和最大風(fēng)速風(fēng)向

從日最大風(fēng)速的箱式圖看（見圖3a），赤潮發(fā)生的前5 d，是4 月中旬—5 月中最大風(fēng)速相對小的時間段，赤潮發(fā)生的前1 d 和當(dāng)天的風(fēng)速都較前1 d 減小（見圖3b）。這說明夜光藻赤潮傾向于出現(xiàn)在風(fēng)速小的情況下，這與前人的分析結(jié)論一致[1,10]。從赤潮發(fā)生前5 d 每天最大風(fēng)速變化看，赤潮發(fā)生的第前2 d風(fēng)速是多天中風(fēng)速最大的時段（見圖3b）。

圖3 平潭海島日最大風(fēng)速箱式圖

從最大風(fēng)速風(fēng)向的長時間段統(tǒng)計玫瑰圖看（見圖4），常年狀態(tài)下4 月中旬—5 月主風(fēng)向前3 位為：東北向、北向和西南向。赤潮發(fā)生的前5 d是4月中旬—5 月中北向風(fēng)、東北向風(fēng)相對較多的時段。從赤潮事件過程看，在赤潮發(fā)生的前1 d，北向風(fēng)和東北風(fēng)比重尤其明顯；赤潮發(fā)生的當(dāng)天，因?yàn)轱L(fēng)速相對最小而主風(fēng)向不明顯（見圖5）。

圖4 平潭海島日最大風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖

圖5 赤潮發(fā)生的第前5 d至當(dāng)天日平潭每日最大風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖

結(jié)合圖2b 中在赤潮發(fā)生的第前4—1 d 的上四分位氣溫逐漸降低現(xiàn)象，和赤潮發(fā)生前1 d 偏北向風(fēng)比重的增加，可以大致推測，北向風(fēng)是赤潮發(fā)生前1 d 氣溫上四分位降低的原因。而氣溫的下四分位變化則可理解為西南風(fēng)影響時氣溫的升高趨勢。上節(jié)分析認(rèn)為，赤潮發(fā)生前1 d 氣溫有向夜光藻適宜海表溫度靠近的趨勢。所以，推測北向風(fēng)對氣溫的降低調(diào)節(jié)可能是部分赤潮事件暴發(fā)的原因。

4.4 日平均相對濕度和日降水

從日平均濕度和日降水統(tǒng)計情況看（見圖6—7），相比4月中旬—5月的總體相對濕度和日降水狀態(tài)，赤潮發(fā)生的第前5 d 是相對濕度較大和降水相對較多的時段。在赤潮發(fā)生的第前2 d，相對濕度的離散度最大，中位數(shù)是前5 d 最高的（見圖6b），降水相對最明顯（見圖7b）。這說明，在赤潮發(fā)生的第前2 d 大部分事件是高濕度情況，有相對更多的降水，但是也出現(xiàn)了較低濕度的事件。

圖6 平潭海島日平均相對濕度箱式圖

圖7 平潭海島日降水箱式圖

4.5 日照時數(shù)

從日照時數(shù)的統(tǒng)計情況看，常年日照時數(shù)上四分位約8 h，下四分0 h，中位數(shù)約2 h，有發(fā)生夜光藻赤潮的年份比未發(fā)生夜光藻赤潮的年份略高（見圖8a）。在赤潮發(fā)生的前5 d，上分位約3.5 h，中位數(shù)0 h（見圖8a），說明赤潮發(fā)生前的日照時數(shù)是4月中旬—5 月相對少的時段。從圖8b 可知，赤潮發(fā)生的第前4 d 至第前2 d，日照時數(shù)中位數(shù)為0 h，是日照時數(shù)相對更少的時段，尤其是赤潮發(fā)生的第前3 d，上四分位也是0 h。研究表明，夜光藻可能以營養(yǎng)繁殖為主，且現(xiàn)場營養(yǎng)繁殖的高峰在0點(diǎn)左右，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)中營養(yǎng)繁殖高峰在0—6時，連續(xù)光照下節(jié)律性減弱[21]，與本文分析得出的日照時數(shù)少有利于夜光藻繁殖的結(jié)論一致。這也許是赤潮發(fā)生前天氣表現(xiàn)為相對濕度大（體感為悶）的更直接的原因。

5 小結(jié)

2002—2019 年的18 a，平潭海域共發(fā)生16 起夜光藻赤潮。本文基于平潭海域的水溫資料和平潭氣象站觀測資料，分析了該區(qū)域夜光藻赤潮的發(fā)生和氣象、水溫條件之間的關(guān)系。統(tǒng)計結(jié)果表表明：

圖8 平潭海島日照時數(shù)箱式圖

（1）平潭海域夜光藻赤潮發(fā)生最早發(fā)生于4 月17日，最晚發(fā)生于6月17日，主要發(fā)生于4月中旬—5月。6月只發(fā)生了1起，在統(tǒng)計時作為特殊樣本。

（2）海表水溫統(tǒng)計表明，平潭海域夜光藻赤潮發(fā)生的較適宜水溫為14.4～24.7 ℃，最適宜水溫為20.7～22.8 ℃。水溫溫暖的年份比寒冷的年份更容易發(fā)生赤潮。

（3）夜光藻發(fā)生的時段是4月中旬—5月氣溫更高的時段，說明更高的氣溫有利于赤潮的發(fā)生。而且在赤潮發(fā)生前，氣溫逐漸向夜光藻赤潮最適宜水溫靠近，尤其是在赤潮發(fā)生的前1 d。

（4）與其他赤潮發(fā)生類似，平潭海域夜光藻赤潮傾向于發(fā)生在弱風(fēng)速時段。在赤潮發(fā)生的第前2 d風(fēng)速最大，第前1 d北向風(fēng)比重最大，可能是北向風(fēng)在調(diào)節(jié)氣溫向赤潮最適宜的水溫靠近。

（5）相對濕度高、日照時數(shù)少的陰天更有利于夜光藻繁殖，也更有利于平潭夜光藻赤潮的爆發(fā)。

本文所利用的數(shù)據(jù)局限于平潭氣象站和海溫數(shù)據(jù)，涵蓋的觀測站點(diǎn)數(shù)量和觀測要素有限，統(tǒng)計結(jié)果的可靠性有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。下一步將盡可能收集更多的海洋生物、化學(xué)要素的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，嘗試用數(shù)值模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行平潭海域夜光藻赤潮的預(yù)測研究。