引言
大型漂浮藻类爆发性生长现象在全球许多沿海地区频繁发生,造成了严重的海洋生态问题。追踪藻类在海洋中的漂浮路径并预测其爆发规模是藻类灾害高效防治的关键,然而高精度的物理-生态动力学耦合预测模型的缺乏,制约着藻类灾害高效预警的实现。
模型介绍
藻类的漂浮输运过程由追踪模块呈现,表层海流和海面风场作为模拟粒子的物理驱动,基于四阶Runge-Kutta计算拉格朗日粒子漂移轨迹,并将漂浮状态下的随机扩散作用考虑其中。基于东中国海的无结构化有限体积海洋数值模式ECS-FVCOM (Chen et al., 2008; Ge et al., 2013),我们利用卫星追踪的漂浮浮子漂移轨迹对粒子追踪模块和水动力模式结果的可靠性进行了检验,模拟粒子轨迹能够基本重现海面自由漂浮浮子的实际漂移路径。
藻类漂浮状态下的动态生长和消亡过程则由生态模块实现,生物量的变化表现为模拟粒子的复制与合并(图3),表层水体温度、营养盐浓度和光辐射强度作为环境驱动因子决定了藻类的光呼吸、暗呼吸和死亡速率,体现为藻体对碳(C)、氮(N)、磷(P)的吸收和消耗。
在物理和环境要素的共同驱动下,模拟粒子的空间位置、移动速度、所代表生物量和粒子数量动态变化,结合藻类的生理学研究数据对模型进行参数化设置,可模拟大型漂浮藻类的空间分布和生物量时空变化过程。
黄海绿潮模拟
自2007年开始,绿潮爆发性生长灾害已连续14年侵扰中国黄海海域,是世界上最大的跨区域大型藻类爆发现象。本研究将所建立的FMGDM模型应用于黄海绿潮灾害的模拟中,对2014、2015年的绿潮爆发和消亡全过程进行了模拟,与观测结果进行比对以验证模型的可靠性。
黄海绿潮自四月份在南黄海苏北海域出现,并持续有初生浒苔脱离陆基入海。自4月16日至5月15日,模拟实验在苏北浅滩海域持续随机释放共计4800吨的初始模拟绿潮,并模拟至8月底绿潮彻底消亡。
结果与讨论
利用遥感观测结果进行验证,模拟结果较好的重现了绿潮爆发过程空间分布位置和生物量的动态变化。
绿潮的来源广泛,初始入海生物量及入海时间不确定性大,外部海洋环境的复杂性给藻类灾害的模拟带来巨大挑战性。本研究还进行了绿潮短期模拟的尝试,结合可靠测遥感观测结果及时对模拟结果进行修正,初始化短期模拟的粒子分布位置和释放数量,以降低由于绿潮来源广、生长和漂移不确定性等所带来的模拟误差,可有效提高绿潮生长和漂移模拟精度。
FMGDM作为可靠的大型漂浮藻类模拟工具,为绿潮及其他大型藻类灾害提供了的高效预报预警工作提供了新的方案,模型还可进一步应用于藻类灾害的科学研究。
该研究成果发表于学术期刊Geoscientific Model Development。第一作者为华东师范大学河口海岸国家重点实验室研究生周福仓,通讯作者为葛建忠研究员。研究得到国家自然科学基金(41776104, 41761144062)和国家重点研发计划项目(2016YFC1402106, 2016YFA0600903)的联合资助。
- Chen,C., Xue, P., Ding, P., Beardsley, R. C., Xu, Q., Mao, X., Gao, G., Qi, J., Li,C., Lin, H., Cowles, G., and Shi, M.: Physical mechanisms for the offshore detachment of the Changjiang Diluted Water in the East China Sea, Journal of Geophysical Research-Oceans, 113, https://doi.org/10.1029/2006JC003994, 2008.
- Ge,J., Ding, P., Chen, C., Hu, S., Fu, G., and Wu, L.: An integrated East China Sea-Changjiang Estuary model system with aim at resolving multi-scale regional-shelf-estuarine dynamics, Ocean Dynamics, 63, 881-900, http://dx.doi.org/10.1007/s10236-013-0631-3, 2013.
- Zhou,F., Ge, J., Liu, D., Ding, P., Chen, C., and Wei, X.: The Lagrangian-based Floating Macroalgal Growth and Drift Model (FMGDM v1.0): application to the Yellow Seagreen tide, Geoscientific Model Development, 14, 6049-6070, https://doi.org/10.5194/gmd-14-6049-2021, 2021.