基于天氣分型的赤潮預(yù)報(bào)方法研究
——以福建沿海為例

何恩業(yè)，李雪丁，楊靜，高姍，季軒梁

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)，福建福州350003）

1 引言

近年來(lái)，以赤潮和綠潮為主要災(zāi)種的海洋生態(tài)災(zāi)害頻發(fā)，成為與風(fēng)暴潮災(zāi)害、海浪災(zāi)害和海冰災(zāi)害并列的幾大海洋災(zāi)害之一。赤潮作為海洋生態(tài)災(zāi)害的主要災(zāi)種，其高頻次的發(fā)生給我國(guó)沿海地區(qū)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡構(gòu)成嚴(yán)重威脅，有毒赤潮的發(fā)生還會(huì)給水產(chǎn)品食用安全保障帶來(lái)一定的壓力[1-2]。若能對(duì)赤潮進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，為當(dāng)?shù)卣蜐O民提前預(yù)警，并有針對(duì)性地提前部署防治措施和處置相關(guān)海域養(yǎng)殖的水產(chǎn)品，可以降低甚至消除赤潮帶來(lái)的損失。

當(dāng)前赤潮的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)還是一個(gè)國(guó)際難題，總體水平偏低，也未形成統(tǒng)一的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。誘發(fā)赤潮的成因較多，既有生物因素，也涉及水動(dòng)力、氣象和環(huán)境理化要素等因子，很難通過(guò)傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法或數(shù)值方法對(duì)赤潮過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)。國(guó)內(nèi)學(xué)者從多角度開展了赤潮預(yù)報(bào)研究工作[4-9]，但大都是對(duì)赤潮個(gè)例開展分析或者基于多要素進(jìn)行建模，這需要以大量和連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)應(yīng)用中難免遇到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題。部分學(xué)者從氣象條件引發(fā)赤潮的角度入手進(jìn)行研究，但多以經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)為主，預(yù)報(bào)員個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)、技巧和判斷對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果影響較大，主觀性較強(qiáng)，在實(shí)際赤潮預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中存在較大的局限性。以上問(wèn)題的存在使得多數(shù)赤潮預(yù)報(bào)研究方法難以應(yīng)用于實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，不利于對(duì)赤潮災(zāi)害開展及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。本文從沿海赤潮業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，利用穩(wěn)定易獲取的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，基于天氣分型的預(yù)報(bào)方法對(duì)赤潮進(jìn)行建模預(yù)測(cè)。以福建沿海為示范區(qū)，利用2001—2012年福建沿海赤潮記錄和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的再分析數(shù)據(jù)構(gòu)建預(yù)報(bào)模型。敏感性試驗(yàn)和預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果表明，該模型具有較高的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，可以在實(shí)踐中予以應(yīng)用。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

赤潮數(shù)據(jù)來(lái)源于《沿海海洋赤潮專報(bào)》和《中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)》中2001—2012年發(fā)生在福建沿海的赤潮災(zāi)害過(guò)程記錄。數(shù)據(jù)包含歷次赤潮的起止時(shí)間、發(fā)生海域、成災(zāi)面積（km2）、優(yōu)勢(shì)生物種及密度和災(zāi)害損失情況等相關(guān)信息。本文以2001—2010年福建沿海赤潮過(guò)程作為建模所需的敏感性試驗(yàn)樣本，以2011—2012年福建沿海赤潮過(guò)程作為預(yù)報(bào)檢驗(yàn)樣本。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于1981—2012年NCEP再分析數(shù)據(jù)資料，時(shí)間分辨率為4次/d，水平分辨率為2.5°×2.5°的全球格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

基于天氣分型的預(yù)報(bào)研究方法多集中于氣象方面[10-14]，赤潮方面較少。任湘湘等[15]曾嘗試將天氣分型思想引入赤潮預(yù)報(bào)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析方法總結(jié)了5種易引發(fā)珠江口赤潮的天氣形勢(shì)，并對(duì)其中的1種用相似法進(jìn)行了檢驗(yàn)。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，對(duì)基于天氣分型的赤潮預(yù)報(bào)方法進(jìn)行優(yōu)化，采用全定量化的客觀方案構(gòu)建模型對(duì)容易誘發(fā)赤潮的天氣形勢(shì)進(jìn)行分型，利用相似算法對(duì)赤潮進(jìn)行預(yù)報(bào)。

基于天氣分型的赤潮預(yù)報(bào)模型分為3層（見(jiàn)圖1）。第一層為天氣形勢(shì)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息輸入層，第二層為天氣分型運(yùn)算層（包括天氣場(chǎng)聚類分析模塊、合成場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)K和典型天氣形勢(shì)分型模塊），第三層為結(jié)果輸出層（模型對(duì)輸入的天氣場(chǎng)進(jìn)行判別分類）。

圖1 基于天氣分型的赤潮預(yù)報(bào)模型結(jié)構(gòu)

聚類方法采用Pearson（皮爾森）相似算法，對(duì)樣本集合歷次赤潮首發(fā)日的天氣形勢(shì)場(chǎng)進(jìn)行歸類。合成天氣場(chǎng)采用互為極強(qiáng)相關(guān)且為歷次赤潮暴發(fā)首日的天氣場(chǎng)作為合成樣本集。

本研究利用Fortran、Grads、SPSS和Excel等軟件處理分析數(shù)據(jù)及繪圖，Pearson相似算法算式為：

式中：x和y分別為天氣形勢(shì)場(chǎng)Ai和Bi的距平場(chǎng)（氣候場(chǎng)基于1981—2010年的NCEP氣象再分析數(shù)據(jù)）；n表示天氣形勢(shì)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的格點(diǎn)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 福建沿海赤潮時(shí)空分布特征

2001—2012年福建沿海年均赤潮約15.6次，年均累計(jì)面積約1 000 km2（見(jiàn)圖2a）。其中，2001年、2009年和2011年赤潮暴發(fā)頻次和規(guī)模較輕，赤潮年發(fā)頻次均未超過(guò)6次，年累計(jì)面積均小于300 km2；2002年、2003年、2006年和2010年赤潮暴發(fā)頻次和規(guī)模較重，赤潮年發(fā)頻次均高于20次，年累計(jì)面積均超過(guò)1 500 km2。

福建毗鄰北回歸線，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，各屬地自然特征差異明顯，受海洋、大氣環(huán)流和地形等綜合影響，福建沿海赤潮也呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化和區(qū)域性分布特征。每年4月福建沿海進(jìn)入赤潮多發(fā)季節(jié)，5—6月達(dá)到高峰時(shí)段，7月開始減弱，8月后發(fā)生頻次大幅降低，赤潮進(jìn)入低發(fā)期（見(jiàn)圖2b）。2001—2012年，福建沿海共發(fā)生赤潮187次，累計(jì)面積約11 700 km2。其中，4月第6候—7月第1候是赤潮暴發(fā)最盛期，在此期間福建沿海共發(fā)生赤潮153起，累計(jì)面積10 386 km2，分別占12a總次數(shù)和總面積的81.8%和88.5%。

圖3a為福建沿海10個(gè)預(yù)警海區(qū)劃分。通過(guò)對(duì)赤潮發(fā)生地點(diǎn)的分析發(fā)現(xiàn)，12a間廈門近海（Ⅷ區(qū)）發(fā)生赤潮次數(shù)最多，為55次，占總次數(shù)的29.4%，年均赤潮4.6次；其次為三沙灣海域（Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)），為68次，占比36.4%；平潭海域（Ⅳ區(qū)）27次，占比14.4%；閩江口海域（Ⅲ區(qū)）22次，占比11.8%；Ⅴ區(qū)、Ⅵ、Ⅶ區(qū)、Ⅸ區(qū)和Ⅹ區(qū)赤潮發(fā)生概率較小，合計(jì)發(fā)生15次，占比只有8%（見(jiàn)圖3b）。超過(guò)100 km2的大面積赤潮共有30次，主要集中在三沙灣海域（14次）、廈門近海（5次）和平潭海域（4次）。

圖2 2001—2012年福建沿海赤潮發(fā)生狀況統(tǒng)計(jì)

圖3 福建沿海預(yù)警海區(qū)劃分示意圖和各區(qū)2001—2012年赤潮發(fā)生狀況

3.2 典型天氣形勢(shì)場(chǎng)的合成

3.2.1 天氣分型模型參數(shù)初始化

天氣分型模型參數(shù)初始化是對(duì)天氣形勢(shì)場(chǎng)的時(shí)空范圍進(jìn)行界定，包含空間尺度和時(shí)間尺度參數(shù)，前者是對(duì)天氣場(chǎng)的垂直層次和水平尺度的范圍界定，后者是對(duì)天氣分型定義的時(shí)間跨度區(qū)間的界定。

眾多學(xué)者在大氣環(huán)流對(duì)赤潮的影響方面進(jìn)行了深入研究，不同程度地揭示了高空大氣環(huán)流對(duì)誘發(fā)中國(guó)沿海赤潮起到的關(guān)鍵性作用[16-19]。本文以高空500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)作為天氣分型的垂直尺度參數(shù)。水平尺度參數(shù)的確定考慮到誘發(fā)赤潮需要一個(gè)穩(wěn)定的天氣形勢(shì)，范圍選的太小不能把握天氣尺度系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定性，范圍太大又不具備反映區(qū)域性天氣形勢(shì)的典型特征。本文以水平尺度1 000～3 000 km、時(shí)間尺度1～3 d的天氣系統(tǒng)作為參考系，水平尺度參數(shù)設(shè)定在15°～35°N，90°～135°E。

依據(jù)福建沿海赤潮高發(fā)時(shí)段，本文將建模的時(shí)間尺度參數(shù)設(shè)定在4月26日—7月5日。此外，考慮到西太平洋副熱帶高壓（副高）的跳變規(guī)律造成我國(guó)天氣系統(tǒng)在6月前后存在時(shí)空尺度和水汽輸送上的季節(jié)性差異[19]，本文將模型的時(shí)間尺度參數(shù)細(xì)分為period T1（4月26日—5月31日）和period T2（6月1日—7月5日）兩個(gè)時(shí)段分別作為季節(jié)尺度參數(shù)。兩個(gè)時(shí)段的季節(jié)場(chǎng)具有不同的特征（見(jiàn)圖4）：period T1時(shí)段副高位置相對(duì)偏東和偏南，孟加拉灣上空的副熱帶南支西風(fēng)槽結(jié)構(gòu)特征比較穩(wěn)定，福建沿海氣候主要受來(lái)自孟加拉灣和南海北部的西-西南向氣流影響；period T2時(shí)段副高明顯西伸并北抬，福建沿海主體受副高外圍控制，氣候主要受來(lái)自南海的偏南向氣流影響。

圖4 兩個(gè)時(shí)段500 hPa季節(jié)場(chǎng)

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

小面積赤潮受水質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)鹽和水動(dòng)力等局地因素影響較大[3,20-22]，若將其加入到模型中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，會(huì)對(duì)天氣分型結(jié)果造成不利影響；其次，同一日期在不同海域也會(huì)發(fā)生多起赤潮，若重復(fù)運(yùn)算會(huì)增加其所占權(quán)重；再者，同一海區(qū)接連發(fā)生赤潮，誘發(fā)這些赤潮的天氣形勢(shì)具有一貫性，因此在統(tǒng)計(jì)運(yùn)算時(shí)也需要考慮。以上客觀因素的存在若不作處理，會(huì)影響模型的執(zhí)行效率及效果。為此，本文采用以下方案篩選敏感性試驗(yàn)樣本：

（1）成災(zāi)面積超過(guò)20 km2的赤潮事件計(jì)入樣本集合[20]；

（2）成災(zāi)面積記錄空白的赤潮事件作剔除處理；

（3）同期發(fā)生在不同海域的赤潮事件，因其對(duì)應(yīng)的天氣形勢(shì)場(chǎng)相同，故取一處理；

（4）同區(qū)海域前后緊連且依次發(fā)生的赤潮，取最早暴發(fā)的赤潮事件作為樣本。

處理后，period T1時(shí)段共擇取敏感性試驗(yàn)樣本36個(gè)，period T2時(shí)段共擇取敏感性試驗(yàn)樣本26個(gè)。對(duì)各赤潮樣本首發(fā)日的500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)進(jìn)行交互式相似性運(yùn)算，以其相關(guān)程度作為劃分依據(jù)，將天氣場(chǎng)進(jìn)行聚類：

（1）將互為強(qiáng)相關(guān)（ρ≥0.6）且通過(guò)P=0.05顯著性水平檢驗(yàn)的天氣場(chǎng)歸為一類；

（2）對(duì)（1）形成的各類別中任一天氣場(chǎng)，篩選與其相關(guān)度ρ≥0.5的天氣場(chǎng)劃歸此類。

結(jié)果顯示，period T1時(shí)段天氣場(chǎng)形成兩類，共計(jì)樣本22個(gè)，占該時(shí)間段樣本集合的60.2%；period T2時(shí)段形成兩類，共計(jì)樣本19個(gè)，占該時(shí)間段樣本集合的73.1%（見(jiàn)表1）。其他剩余樣本之間并無(wú)顯著性的相關(guān)關(guān)系，不做歸類處理。

表1各赤潮首發(fā)日天氣場(chǎng)的分類

3.2.3 典型天氣形勢(shì)場(chǎng)的合成

將各類樣本集合中互為強(qiáng)相關(guān)的天氣場(chǎng)樣本進(jìn)行合成處理，以期獲取誘發(fā)赤潮的天氣形勢(shì)共性。初始合成場(chǎng)s1—s4見(jiàn)表2。將生成的4個(gè)合成場(chǎng)分別與2001—2010年相應(yīng)時(shí)段（period T1和period T2）的逐日天氣形勢(shì)場(chǎng)再次進(jìn)行相似運(yùn)算，若結(jié)果呈現(xiàn)極強(qiáng)相關(guān)（ρ≥0.8）且當(dāng)日確為赤潮事件首發(fā)日時(shí)間，則該天氣形勢(shì)計(jì)入該類別并作為新一次合成場(chǎng)的樣本。如此反復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)合成場(chǎng)的樣本集合不再發(fā)生變化時(shí)，則最終的合成場(chǎng)認(rèn)定為最易誘發(fā)赤潮的典型天氣形勢(shì)場(chǎng)。

模型結(jié)果顯示（見(jiàn)表2和圖5）：典型場(chǎng)Type1由13個(gè)天氣形勢(shì)場(chǎng)樣本合成，為西南季風(fēng)擾動(dòng)型，其主要特征是福建沿海受副高西北部外圍影響，海區(qū)等壓線呈西南-東北向分布，近海以暖濕的海洋性西南氣流為主；典型場(chǎng)Type2由5個(gè)樣本合成，為高壓脊控制型，主要特征是陸上高壓脊與副高打通合并控制了我國(guó)大部分地區(qū)，福建沿海處于脊線前部，大部海域受來(lái)自南中國(guó)海的氣流影響；典型場(chǎng)Type3由6個(gè)樣本合成，為東亞低槽擾動(dòng)型，主要特征是副高位置相對(duì)偏南和偏東，福建沿海處于東亞大槽后部，影響該海區(qū)的氣流主要來(lái)自孟加拉灣海域；典型場(chǎng)Type4由有5個(gè)樣本合成，為副高控制型，主要特征是位于孟加拉灣上空的副熱帶南支西風(fēng)槽已經(jīng)消失，福建沿海完全處于強(qiáng)大的副高控制之下，影響近海的氣流主要來(lái)自西北太平洋海域。

表2 各類初始合成場(chǎng)和典型天氣形勢(shì)場(chǎng)樣本集合

圖5 誘發(fā)福建沿海赤潮的4種典型天氣形勢(shì)場(chǎng)

3.3 模型敏感性試驗(yàn)和預(yù)報(bào)應(yīng)用與檢驗(yàn)

3.3.1 模型敏感性試驗(yàn)

2001—2010年赤潮天氣分型敏感試驗(yàn)結(jié)果表明：若天氣形勢(shì)場(chǎng)與典型場(chǎng)相關(guān)系數(shù)連續(xù)2 d超過(guò)0.5，則發(fā)生赤潮的概率較大。為了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)，本研究參考匡曉迪等[23]在中尺度渦預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方面提出的評(píng)分方案，結(jié)合赤潮預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的客觀實(shí)際，引進(jìn)擬合準(zhǔn)確率和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率概念，設(shè)臨界參數(shù)值為0.5，定義各型典型場(chǎng)擬合準(zhǔn)確率為：

各型典型場(chǎng)擬合準(zhǔn)確率=(準(zhǔn)確擬合次數(shù)+

式中：準(zhǔn)確擬合是指連續(xù)2 d相關(guān)系數(shù)超過(guò)臨界值，且該時(shí)段包含赤潮個(gè)例的首發(fā)日；半對(duì)擬合是指相關(guān)系數(shù)連續(xù)超過(guò)臨界值的時(shí)間區(qū)間不含赤潮個(gè)例首發(fā)日，但與區(qū)間緊挨的下一日是赤潮事件首發(fā)日（考慮到赤潮監(jiān)測(cè)受客觀條件限制，赤潮實(shí)際暴發(fā)日可能早于發(fā)現(xiàn)日，即模型預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際吻合概率較大，故以半對(duì)計(jì)入統(tǒng)計(jì)）；空?qǐng)?bào)是指相關(guān)系數(shù)連續(xù)超過(guò)臨界值的時(shí)間段不包含赤潮個(gè)例首發(fā)日，且排除半對(duì)擬合情況。此外，在敏感性試驗(yàn)中，由于不同分型的典型場(chǎng)只能預(yù)報(bào)本類別天氣形勢(shì)誘發(fā)的赤潮，對(duì)于其他不同類型天氣形勢(shì)誘發(fā)的赤潮不具有預(yù)報(bào)能力，因此本研究對(duì)各單一典型場(chǎng)敏感試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證不考慮漏報(bào)情況。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示（見(jiàn)表3），典型場(chǎng)的擬合準(zhǔn)確率為Type1 61.1%、Type2 65.0%、Type3 60.7%和Type4 64.7%。

3.3.2 模型預(yù)報(bào)應(yīng)用與檢驗(yàn)

2011年福建沿海發(fā)生赤潮5次，是12a中次數(shù)最少的一年，其中4次發(fā)生在period T1時(shí)段，periodT2時(shí)段未有赤潮發(fā)生；2012年福建沿海發(fā)生赤潮17次，其中12次發(fā)生在period T1時(shí)段，4次發(fā)生在period T2時(shí)段（見(jiàn)表4）。基于模型生成的4種典型場(chǎng)對(duì)2011—2012年福建沿海赤潮進(jìn)行預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，定義模型綜合預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為：

表3敏感性試驗(yàn)結(jié)果

檢驗(yàn)結(jié)果顯示（見(jiàn)表4），2011—2012年20次赤潮過(guò)程中，該模型成功預(yù)報(bào)了其中的12次，半對(duì)預(yù)報(bào)了5次，空?qǐng)?bào)了6次，漏報(bào)了3次，綜合預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為55.8%。分時(shí)段來(lái)看，period T1時(shí)段（Type1和Type2）準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了9次，半對(duì)預(yù)報(bào)了4次，漏報(bào)了3次，空?qǐng)?bào)了3次，綜合預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為57.9%；period T2時(shí)段（Type3和Type4）準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了3次，半對(duì)預(yù)報(bào)了1次，無(wú)漏報(bào)次數(shù)，空?qǐng)?bào)了3次，綜合預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為50.0%。結(jié)果還顯示，典型場(chǎng)Type2準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了8次赤潮，關(guān)鍵原因是2012年5月24—26日福建沿海連續(xù)發(fā)生了4次赤潮，2012年5月30日當(dāng)天發(fā)生了4次赤潮，這8次赤潮首發(fā)日的天氣形勢(shì)都與典型場(chǎng)Type2呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。此外，在2011—2012年period T2時(shí)段與Type3和Type4呈現(xiàn)出較高相似度的天氣場(chǎng)次數(shù)明顯偏少，合計(jì)只有7次，而實(shí)際上period T2時(shí)段赤潮發(fā)生次數(shù)也明顯偏少，合計(jì)只有4次。模型成功預(yù)報(bào)了其中的3次，剩余1次也為半對(duì)預(yù)報(bào)，顯示出赤潮暴發(fā)頻次的多寡受天氣形勢(shì)影響因素較大。該結(jié)果在一定程度上說(shuō)明天氣形勢(shì)在誘發(fā)赤潮過(guò)程中起關(guān)鍵性作用，基于天氣分型的赤潮預(yù)測(cè)模型能較準(zhǔn)確地抓住誘發(fā)赤潮的天氣形勢(shì)主要特征，并且可以通過(guò)定量化的方法對(duì)赤潮的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表4基于天氣分型的赤潮預(yù)報(bào)模型后報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果

3.4 誘發(fā)福建沿海赤潮的典型天氣形勢(shì)個(gè)例分析

3.4.1典型場(chǎng)Type1：西南季風(fēng)擾動(dòng)型

由該型天氣形勢(shì)誘發(fā)的福建沿海赤潮主要集中在4月底—5月底。2001—2012年，period T1時(shí)段共發(fā)生赤潮92次，其中44次與典型場(chǎng)Type1具有強(qiáng)相關(guān)性，占比達(dá)47.8%，平均每年約有3次赤潮過(guò)程與該類天氣形勢(shì)誘發(fā)有關(guān)。例如2002年5月4—14日發(fā)生在福鼎市和霞浦縣東部海域面積為500 km2的赤潮。

2002年5月2—4日高空500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)與典型場(chǎng)Type1的相關(guān)系數(shù)依次為0.90、0.92和0.94，連續(xù)多日達(dá)到極強(qiáng)相關(guān)程度，說(shuō)明本次天氣過(guò)程與典型場(chǎng)Type1高度相似，且極其穩(wěn)定（見(jiàn)圖6）。500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上，西太副高588線壓在了福建沿海，且588線包絡(luò)了臺(tái)灣省、巴士海峽以及菲律賓大部分地區(qū)，與此同時(shí)，位于孟加拉灣上空的副熱帶南支西風(fēng)槽持續(xù)發(fā)展加深，受此影響，來(lái)自西南季風(fēng)的暖濕氣流源源不斷地輸送到我國(guó)東南部區(qū)域；近地面層，5月2—3日福建沿海處于低壓倒槽之前，海區(qū)等壓線連續(xù)多日呈西北-東南向，同時(shí)氣壓梯度力小，這種天氣形勢(shì)導(dǎo)致海區(qū)以高溫和高濕的東南風(fēng)為主，且風(fēng)力較小，水體較穩(wěn)定，為赤潮的醞釀和暴發(fā)提供了有利的氣象條件。

3.4.2 典型場(chǎng)Type2：高壓脊控制型

由該型天氣形勢(shì)誘發(fā)的赤潮主要發(fā)生在5月中旬和下旬。period T1時(shí)段有18次與典型場(chǎng)Type2具有強(qiáng)相關(guān)性，占比19.6%，平均每年約有1～2次赤潮過(guò)程與該類天氣形勢(shì)誘發(fā)有關(guān)，例如2007年5月29日—6月1日發(fā)生在同安灣海域面積為20 km2的旋鏈角毛藻赤潮。

圖6 2002年5月2—4日500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和近地面層氣壓場(chǎng)

2007年5月27—29日天氣形勢(shì)場(chǎng)與典型場(chǎng)Type2的相關(guān)系數(shù)依次為0.63、0.64和0.93，相關(guān)程度由強(qiáng)相關(guān)遞增到極強(qiáng)相關(guān)（見(jiàn)圖7）。5月27—28日，我國(guó)陸上西部高壓脊開始發(fā)展東移，并逐漸影響我國(guó)華南和東南沿海，伴隨西太副高的西伸北進(jìn)，5月29日陸上高壓脊與西太副高打通合并形成強(qiáng)大的阻塞高壓，造成福建沿海地區(qū)出現(xiàn)極其穩(wěn)定的晴好天氣；在近地面層，持續(xù)多日的縱向等壓線分布態(tài)勢(shì)，迫使來(lái)自南中國(guó)海的暖濕氣流持續(xù)不斷地輸送至福建沿海，良好的光照加之能量的持續(xù)積累，最終誘發(fā)了福建沿海水華。

3.4.3典型場(chǎng)Type3：東亞低槽擾動(dòng)型

由該型天氣形勢(shì)誘發(fā)的福建沿海赤潮主要發(fā)生在6月上旬和中旬。2001—2012年，period T2時(shí)段共發(fā)生赤潮61次，其中28次與典型場(chǎng)Type3具有強(qiáng)相關(guān)性，占比達(dá)到45.9%，平均每年約有2次赤潮過(guò)程與該類天氣形勢(shì)誘發(fā)有關(guān)。典型的赤潮事件如2006年6月11—14日發(fā)生在平潭赤潮監(jiān)控區(qū)及周邊海域的中肋骨條藻赤潮，成災(zāi)面積600 km2；2006年6月12—13日，分別發(fā)生在深滬灣海域（成災(zāi)面積100 km2）、崇武半島海域（成災(zāi)面積200 km2）和南日群島海域（成災(zāi)面積150 km2）的赤潮。

2006年6月8—10日天氣形勢(shì)場(chǎng)與典型場(chǎng)Type3連續(xù)多日達(dá)到強(qiáng)相關(guān)程度，其相關(guān)系數(shù)依次為0.79、0.68和0.67（見(jiàn)圖8）。在500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上東亞大槽不斷加深，福建沿海處于低壓槽末端影響之下，西太副高588線相對(duì)偏南和偏東，大體處于巴士海峽的東南部地區(qū)，受此影響福建沿海上升流比較活躍。對(duì)應(yīng)近地面層，6月8—9日溫帶氣旋東移過(guò)境，致使福建沿海地區(qū)出現(xiàn)氣壓降低和氣流輻合的天氣現(xiàn)象。該天氣形勢(shì)的配置易在近海海域產(chǎn)生上升流，利于水體底層營(yíng)養(yǎng)鹽向表層輸送，為赤潮生物的繁殖生長(zhǎng)創(chuàng)造了有利的營(yíng)養(yǎng)條件。6月10日后北部弱高壓南下跟進(jìn)控制了福建沿海，大氣運(yùn)動(dòng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，為觸發(fā)水華提供了有利的氣象條件，之后6月11—12日福建沿海發(fā)生多起赤潮。

3.4.4典型場(chǎng)Type4：西太平洋副熱帶高壓控制型

由該型天氣形勢(shì)誘發(fā)的赤潮主要發(fā)生在6月下旬和7月初。period T2時(shí)段有17次與典型場(chǎng)Type4具有強(qiáng)相關(guān)性，占比27.9%，平均每年約有1～2次赤潮過(guò)程與該類天氣形勢(shì)誘發(fā)有關(guān)。以2006年6月21—24日發(fā)生在東山灣海域面積為200 km2的日本星桿藻和旋鏈角毛藻赤潮為例，對(duì)誘發(fā)這次赤潮的天氣過(guò)程進(jìn)行分析。

圖7 2007年5月27—29日500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和近地面層氣壓場(chǎng)

圖8 2006年6月8—10日500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和近地面層氣壓場(chǎng)

2006年6月19—21日的天氣形勢(shì)場(chǎng)與典型場(chǎng)Type4連續(xù)多日達(dá)到極強(qiáng)相關(guān)程度，其相關(guān)系數(shù)依次為0.88、0.89和0.88（見(jiàn)圖9）。500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上，西太副高588線西伸并北抬且持續(xù)控制浙江、福建和廣東東部近海，造成沿海海域下沉氣流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，天氣形勢(shì)穩(wěn)定，形成晴熱高溫天氣；對(duì)應(yīng)近地面層，福建沿海受海上高壓長(zhǎng)時(shí)間控制，暖濕的東南風(fēng)持續(xù)，天氣悶熱，海溫逐漸升高，這種天氣形勢(shì)容易誘發(fā)水體交換不暢的半封閉性海域赤潮。

圖9 2006年6月19—21日500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和近地面層氣壓場(chǎng)

4 結(jié)論

本文以2001—2012年我國(guó)沿海赤潮的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)福建沿海赤潮的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，利用NCEP再分析資料，從大氣環(huán)流誘發(fā)赤潮的角度出發(fā)，基于典型天氣形勢(shì)場(chǎng)相似法構(gòu)建了福建沿海赤潮定量化預(yù)報(bào)模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了敏感性試驗(yàn)和預(yù)報(bào)檢驗(yàn)。結(jié)果表明：

（1）2001—2012年，福建沿海共發(fā)生赤潮187次，累計(jì)面積約11 700 km2，年均赤潮約15.6次，年均面積約1 000 km2。其中，4月第6候—7月第1候是福建沿海赤潮暴發(fā)的鼎盛期，期間共發(fā)生赤潮153起，累計(jì)面積10 386 km2，占12a總次數(shù)的81.8%，占總面積的88.5%。從區(qū)域分布來(lái)看，閩東北海域和廈門近海是赤潮的高發(fā)海域，大面積赤潮主要集中在三沙灣海域、廈門近海和平潭海域。

（2）敏感性試驗(yàn)和預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果表明：基于天氣分型的福建沿海赤潮預(yù)報(bào)模型能夠在赤潮大面預(yù)報(bào)中獲得較好的效果，其后報(bào)檢驗(yàn)準(zhǔn)確率為55.8%。其中，period T1時(shí)段（4月25日—5月31日）的綜合預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為57.9%；period T2時(shí)段（6月1日—7月5日）的綜合預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為50.0%。

（3）誘發(fā)福建沿海赤潮的主要天氣形勢(shì)分別為西南季風(fēng)擾動(dòng)型、高壓脊控制型、東亞低槽擾動(dòng)型和西太平洋副熱帶高壓控制型。4月26日—7月5日期間，在福建沿海153次赤潮過(guò)程中，由該4種天氣形勢(shì)誘發(fā)的赤潮為107次，占比達(dá)69.9%，說(shuō)明該模型抓住了誘發(fā)福建沿海赤潮環(huán)流形勢(shì)的主要特征，具有較好的預(yù)報(bào)效果。

赤潮成因復(fù)雜，既有赤潮生物種自身的生物因素，也涉及到水動(dòng)力、氣象和環(huán)境理化要素等因子。本文只從氣象條件對(duì)赤潮誘發(fā)的角度進(jìn)行建模分析，在大面預(yù)報(bào)中效果較好，若在此基礎(chǔ)上加入實(shí)時(shí)生態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析則可以做到更精細(xì)化的預(yù)報(bào)。總之，在當(dāng)前赤潮生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型尚不成熟的階段，基于天氣分型的定量化預(yù)報(bào)方法具有較強(qiáng)的可操作性，為赤潮短期業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)提供了一種新的途徑。