赤潮数值研究的有关问题.pdf
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第13卷第4期海洋预报Vol.13,No.41996年11月MARINEFORECASTSNov.,1996赤潮数值研究的有关问题管玉平1)林一骅2)高会旺1)唐学玺1)(1)青岛海洋大学,青岛)(2)中国科学院海洋研究所,青岛)摘要赤潮的实质是一个海洋生态系统动力学问题,本文初步给出了描述赤潮的基本动力学方程组,并讨论了进行赤潮数值研究的必要性。数值方法既利于赤潮机理的研究又可以推动赤潮预报的发展。关键词:赤潮,海洋生态系统动力学,数值研究,预报。一、赤潮研究的现状赤潮是目前世界沿海国家面临的十分紧迫的海洋环境问题之一,也是一种全球性的海洋灾害。近年来,赤潮发生频率和影响范围都大幅度增加,严重地破坏了海洋生态环境,危及海产养殖,其毒素通过食物链传递还可以危害人类的健康,每次发生赤潮均造成了巨大的经济损失,例如,1989年8月至10月渤海湾、莱州湾发生赤潮的损失达314亿元〔1〕。因此,该问题受到了高度重视,已成为海洋科学研究的重要领域之一。我国尽管起步较晚,但对赤潮研究的海域却从渤海到南海,在海域富营养化、赤潮生物、赤潮的种类、赤潮发生与环境的关系〔2~8〕等方面取得了不少成果。近年来,国内外对赤潮的研究更加活跃,从微观的毒素毒理到宏观的对策〔9~10〕等进行了多方位的研究。总的看来,这些研究多限于赤潮灾害的调查及其防治,而赤潮成因的研究几乎处于停滞状态,更没有涉及赤潮的预报问题。这是由于赤潮的成因相当复杂,除了赤潮生物自身的特性外,还涉及到物理、化学、水文、气象等诸多因素。为了对赤潮问题做更深入的研究,必须借助动力学方法综合考虑各种过程以便从整体上探讨赤潮发生、发展的规律。为了使赤潮研究由定性向定量发展,建立赤潮的动力模式并进行数值模拟研究将是历史的必然,并且这一趋势已初露端倪〔11〕。二、进行赤潮数值研究的必要性数值模拟对研究赤潮所起的作用是野外观测和实验室研究所不可替代的,野外观测的3本文得到国家自然科学基金(49546003)项目支持。33本文1996年10月收到。82海洋预报13卷结果是各种过程作用的综合效果,难于确定某一因子的作用;而实验室研究只能考虑单个或少数几个因素造成的影响,很难进行综合性试验。众所周知,数值模式可以通过参数控制进行数值实验,以便确定哪些因素在赤潮发生和发展的过程中起主要作用。数值方法既可以确定单个因素的影响,又能对多因素的效果进行数值研究。数值模式具有可重复性,能节约大量资金,也可以大大缩短赤潮的研究周期。这不仅有利于赤潮成因与机理的理论研究,而且将会促进赤潮预报的不断发展,使较为可靠的赤潮预报成为可能。无论是观测还是理论研究,其目的归根结底在于对赤潮的发生进行预测防治,减少赤潮灾害。从预报的角度看,预报是由较完善的性能良好的数值模式来实现;从理论上看,模式可用野外观测和实验结果来检验,反过来又能进一步指导野外或实验室的工作。三、赤潮———一个海洋生态系统动力学问题海洋界对赤潮已形成这样的共识:赤潮是由于海域环境条件的改变,促使某些浮游生物突然迅猛增殖,引起海水变色的一种生态异常现象。它的一般特点是:从时空上看,赤潮持续时间相对较短,一般在两周左右,赤潮发生具有局域性,通常在几到数十平方公里的范围,这种时空规模决定了研究赤潮时所应考虑的物理过程;从生物上看,赤潮生物多属于营养级较低的藻类,尽管赤潮生物有上百种之多,可是每次发生赤潮时也只有少数优势种,它同样限定了赤潮的生物过程。赤潮的实质是一个海洋生态系统动力学问题。对赤潮的生物学、化学和物理学过程,以及系统内的能流、物流过程的研究将成为用动力学观点研究赤潮的主要课题。这一异常海洋现象,尽管十分复杂且突发性强,但描述赤潮生物变化的生物物理模型可以写成方程(1)的形式:9P=物理(P)+生物(P)(1)9t式中,9P/9t表示赤潮生物量的变化,物理(P)代表由物理过程引起的赤潮生物量的变化,生物(P)代表由生物过程引起的赤潮生物量的变化,而物理(P)可进一步表示为方程(2):9P9P9P99P99P99P物理(P)=-u-υ-w+(k)+(k)+(k)(2)9x9y9z9xi9x9yj9y9zk9z式中,前三项代表对流引起的变化,后三项为扩散效应。生物(P)可描述为方程:生物(P)=NP-GP-gP-mP(3)其中,NP、GP、gP和mP分别表示光合作用、浮游动物摄食、重力沉降以及自然死亡引起的变化。方程(1)~(3)构成了描述赤潮的生态动力学基本方程组。由于物理过程不但控制了决定赤潮生物生长的营养盐的输送和分布以及浮游动物与浮游植物之间的摄食关系,而且还左右了海洋次级生产力的数量和资