適宜平潭海域夜光藻赤潮發生的水溫和氣象條件統計分析

萬艷

（福建省海洋預報臺，福建福州350003）

1 引言

近年來，“藍眼淚”已經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光現象。夜光藻，通常稱為海火花，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出生物發光。

當夜光藻的密集程度達到或超過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，也是福建海域出現頻率最高的赤潮藻種，其中以平潭海域出現該種赤潮的次數最多[1-3]。雖然夜光藻無毒，但是會粘附在魚鰓上致使魚類死亡，魚類死亡腐爛導致海水變質，進一步造成魚、蝦、貝和藻類死亡。以1990 年和1991 年為例，平潭海域發生4 起夜光藻赤潮，其中兩起造成水產業直接經濟損失70多萬元[4]。

夜光藻赤潮的發生難以預測，因為赤潮的發生是一個復雜的過程[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，夜光藻赤潮的發生與水文[10]、海洋生物[11-12]、化學和氣象[13-15]等條件均存在一定程度的關系。營養鹽等能夠間接反映夜光藻的繁殖，但富營養化程度尚不能作為預判夜光藻赤潮暴發的標準[16]。獲取長時間序列和實時的海洋生物、化學數據進行經驗積累并開展實時預測，目前來說是相對比較困難的。赤潮發生的原因是藻種在短時間內的爆發性繁殖或高度集聚，并且夜光藻浮游活動發生在海水表面，因此推測夜光藻赤潮的發生，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系。作為對前人研究工作的一種補充，本文基于最近18 a 平潭氣象數據和水溫數據，分析平潭海域夜光藻赤潮發生的條件特征，盡可能挖掘可預報信息，也為大數據分析方法和人工智能模型提供基礎支撐。

2 資料和處理方法

2.1 數據資料來源

為做好赤潮監測與防范工作，及時掌握赤潮發生、發展動態及影響范圍，2002 年以來的4—10 月，福建省海洋與漁業主管和技術部門開展了全省沿海赤潮藻種監測，也有志愿者隊伍志愿性查看。本文研究對象為平潭海域監測（發現）到的夜光藻赤潮事件，數據跨度為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，有不少赤潮的發生是未被發現的；即便被發現，也不一定是赤潮剛剛發生。本文參考前人的分析和表達習慣，假設赤潮發生即被發現。

氣象觀測數據下載于國家氣象數據中心（網址：http://data.cma.cn/），數據集為中國地面氣候資料日值數據集（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、日最大風速、日平均相對濕度、日降水和日照時數等日值數據進行分析。

海表溫度數據下載于美國國家海洋和大氣管理局網站物理科學實驗室網站（網址：https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.highres.html）[17]。該數據為基于最優插值方法的混合分析格點數據，格點水平分辨率為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，時間范圍主要為4—5月，也是日值數據。

2.2 數據處理方法

本次分析使用比較直接簡單的箱式圖作為統計分析表達方法：將關心的每個數據序列進行排序，并以25%為間隔，得到的數據從小到大依次為：最小值、下四分位數、中位數、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據的最大值和最小值，箱圖上方和下方的線段分別表示上四分位數和下四分位數，箱圖中間的粗線段表示數據的中位數。箱式圖可以粗略地看出數據是否具有對稱性、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生情況

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

表1 2002—2017年平潭海域夜光藻赤潮發生情況

在2007—2008 年、2010—2011 年、2014—2015年和2018—2019年，平潭海域未發生夜光藻赤潮，4個不發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]認為，一些年份不常發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勢的生物所代替，并且這個現象是有區域特征的，因為在其他地方這些年份發生夜光藻赤潮。

4 夜光藻赤潮相關條件分析

因平潭海域夜光藻赤潮在6 月只發生1 起，將其視為特殊樣本不參與統計對比分析；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）作為一年中關注的重點時段。分析不同年份和赤潮總體情況時，用于統計對比的數據的主要時段包括：2002—2019 年所有年份共18 a 每年的4 月中旬—5 月（Y_All）、沒有赤潮發生的年份共8 a 每年4 月中旬—5 月（Y_None）、有赤潮發生的年份共10 a 每年4 月中旬—5 月（Y_NsRt）和發生赤潮的第前5 d 至赤潮發生當天（5d-NsRt）。針對赤潮事件過程，統計發生赤潮的第前5 d 至赤潮發生當天的每1 d 的數據（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變化的主要因素[18]，也是夜光藻赤潮集中出現在4—5 月的主要因素。從圖1a的水溫統計情況看，如果把18 a 4月中旬—5月的情況視為常年狀態，則沒有發生赤潮的年份較常年水溫略低，發生赤潮的年份較常年水溫略高，赤潮發生的第前5 d 至當天的水溫狀態也較沒有發生赤潮的年份略高。這說明，平潭海域更暖的水溫狀態更有利于赤潮的發生，更冷則相反。

圖1 平潭海域海表溫度箱式圖

赤潮發生前5 d 至發生當天（見圖1b），水溫范圍 為14.4～24.7 ℃，其 中50% 數 據 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，并且赤潮發生的第前3 d 至當天水溫的中位數基本都為22.0 ℃，這說明雖然在一些特定的情況下也可以發生赤潮，但是大部分是水溫達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查表明，夜光藻最適宜溫度為16～22 ℃。林元燒等的研究結果與本文結果比較接近。

4.2 日平均氣溫

從平潭海島氣象站氣溫的統計箱式圖可知（見圖2a），赤潮發生的年份比沒有赤潮發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生，反之則不利。

從赤潮發生前5 d 的每日氣溫的統計情況看（見圖2b），與上節海溫統計結果不同，赤潮發生前5 d 氣溫的上下四分位變化趨勢不一致。從赤潮發生的第前4 d 至赤潮發生當天，氣溫的下四分位表現為逐漸升高的趨勢，上四分位表現為先降低后升高的形態。赤潮發生當天和第前1 d 是氣溫離散度最小的時段，說明在赤潮即將暴發時，更傾向于在一個范圍內的溫度。特別是，赤潮發生的前1 d 的上下四分位為19～22 ℃，與最適宜赤潮生長額水溫相當，因此分析認為可能發生赤潮的前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，是暴發赤潮的重要原因。

4.3 日最大風速和最大風速風向

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

圖3 平潭海島日最大風速箱式圖

從最大風速風向的長時間段統計玫瑰圖看（見圖4），常年狀態下4 月中旬—5 月主風向前3 位為：東北向、北向和西南向。赤潮發生的前5 d是4月中旬—5 月中北向風、東北向風相對較多的時段。從赤潮事件過程看，在赤潮發生的前1 d，北向風和東北風比重尤其明顯；赤潮發生的當天，因為風速相對最小而主風向不明顯（見圖5）。

圖4 平潭海島日最大風速風向玫瑰圖

圖5 赤潮發生的第前5 d至當天日平潭每日最大風速風向玫瑰圖

結合圖2b 中在赤潮發生的第前4—1 d 的上四分位氣溫逐漸降低現象，和赤潮發生前1 d 偏北向風比重的增加，可以大致推測，北向風是赤潮發生前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影響時氣溫的升高趨勢。上節分析認為，赤潮發生前1 d 氣溫有向夜光藻適宜海表溫度靠近的趨勢。所以，推測北向風對氣溫的降低調節可能是部分赤潮事件暴發的原因。

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，赤潮發生的第前5 d 是相對濕度較大和降水相對較多的時段。在赤潮發生的第前2 d，相對濕度的離散度最大，中位數是前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

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

5 小結

2002—2019 年的18 a，平潭海域共發生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，分析了該區域夜光藻赤潮的發生和氣象、水溫條件之間的關系。統計結果表表明：

圖8 平潭海島日照時數箱式圖

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

（2）海表水溫統計表明，平潭海域夜光藻赤潮發生的較適宜水溫為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生赤潮。

（3）夜光藻發生的時段是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生。而且在赤潮發生前，氣溫逐漸向夜光藻赤潮最適宜水溫靠近，尤其是在赤潮發生的前1 d。

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

（5）相對濕度高、日照時數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。

本文所利用的數據局限于平潭氣象站和海溫數據，涵蓋的觀測站點數量和觀測要素有限，統計結果的可靠性有待進一步檢驗。下一步將盡可能收集更多的海洋生物、化學要素的觀測數據進行比較分析，嘗試用數值模擬和機器學習等方法進行平潭海域夜光藻赤潮的預測研究。