極端天氣陸地河流面源污染對(duì)珠江河口葉綠素分布的影響
——評(píng)價(jià)方法構(gòu)建與應(yīng)用

黃靖雯,孟 釗,馮青郁,馬偉偉,萬修全,周 巍,李佳俊,馮 洋,2,3,*

1 中國科學(xué)院南海海洋研究所, 熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510301 2 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室, 廣州 511458 3 中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣東省海洋遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510301 4 中國科學(xué)院大學(xué), 地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 100049 5 中國科學(xué)院大學(xué), 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100049 6 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 7 中國海洋大學(xué), 海洋與大氣學(xué)院, 青島 266000 8 中國水產(chǎn)科學(xué)院,南海水產(chǎn)研究所, 廣州 510300

河口海岸是地球巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈四大圈層交匯,物質(zhì)和能量集散的重要地帶,受人類陸地活動(dòng)和全球氣候變化的雙重影響。盡管該區(qū)面積占不到全球的十分之一,但卻承載了全球近三分之一的初級(jí)生產(chǎn)力[1]。人類陸地活動(dòng)導(dǎo)致大量的無機(jī)氮磷營養(yǎng)鹽排入河口海岸區(qū)域,而極端天氣事件(如風(fēng)暴潮、臺(tái)風(fēng)等過程)會(huì)對(duì)營養(yǎng)鹽的再分布產(chǎn)生較大影響[2],二者復(fù)合積累,在短時(shí)間內(nèi)對(duì)浮游植物生長繁殖產(chǎn)生劇烈影響。

我國珠江河口及鄰近海域生物資源豐富、生態(tài)系統(tǒng)多樣,承載著粵港澳大灣區(qū)最頻繁,最活躍的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng),掌控著廣東省乃至全國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展命脈。近十年來,隨著我國粵港澳大灣區(qū)的建設(shè),珠江流域人口增長十分迅速,食品和能源需求急劇增加,這導(dǎo)致流域上游省份農(nóng)業(yè)用地面積增加,下游省份城市化進(jìn)程加速,隨之導(dǎo)致含農(nóng)業(yè)化肥的農(nóng)田灌溉用水和生活污水排放大幅度增加,這些流域的面源污染物進(jìn)入珠江河口,導(dǎo)致河口海域赤潮發(fā)生頻率明顯增高。此外,在過去的幾十年間,隨著全球暖化的加劇,臺(tái)風(fēng)活動(dòng)越來越頻繁。2000—2009年間,西北太平洋大概有239個(gè)臺(tái)風(fēng)爆發(fā),其中79個(gè)發(fā)生在中國南海[3]。而珠江河口海岸線綿長,地勢低平[4],面向大海呈高度開放格局,其獨(dú)特的地理緯度和氣候條件,使得南海和西太生成的臺(tái)風(fēng)在珠江口登陸頻繁,每年給粵港澳大灣區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5—6]。

Qiu等[7]利用現(xiàn)場觀測及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)確認(rèn)了臺(tái)風(fēng)影響浮游植物時(shí)空分布的4個(gè)主要影響因子為:海水的垂直混合、流域的降水增加、河流淡水及營養(yǎng)鹽的大量輸入和風(fēng)場變化。Zhao等[8]利用航次數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),這4個(gè)影響因子也是臺(tái)風(fēng)過境前后導(dǎo)致缺氧區(qū)破壞和恢復(fù)的重要因素。然而,基于觀測數(shù)據(jù)的研究對(duì)機(jī)理認(rèn)知還比較有限。因此,十分有必要通過數(shù)值模式來對(duì)近岸臺(tái)風(fēng)對(duì)生態(tài)災(zāi)害的影響深入探究。由Qiu等[7]的觀測研究已知,近岸臺(tái)風(fēng)對(duì)浮游植物藻華的影響是一個(gè)綜合流域、河口海洋、外部氣象條件為一體的復(fù)雜過程。因而,模式必需集成陸面過程、海洋過程及大氣過程為一體來對(duì)其進(jìn)行模擬。本研究針對(duì)粵港澳大灣區(qū),構(gòu)建陸海氣一體化集成模式系統(tǒng)(Great Bay Coupled Land-Ocean-Atmo Simulation System, GB-CLOASS),在利用觀測資料對(duì)模式系統(tǒng)進(jìn)行充分校正的基礎(chǔ)上,一方面通過控制實(shí)驗(yàn)來對(duì)模式敏感性進(jìn)行測試,另一方面對(duì)臺(tái)風(fēng)過境期間海表葉綠素時(shí)空變化機(jī)理進(jìn)行探究。本研究所構(gòu)建的集成模式系統(tǒng)對(duì)定量研究極端天氣事件下河流面源污染對(duì)近岸生態(tài)災(zāi)害影響具有普適性意義,并為未來實(shí)現(xiàn)赤潮、缺氧等生態(tài)災(zāi)害預(yù)報(bào)提供可能性。

1 研究方法

1.1 集成模式系統(tǒng)介紹

本研究所構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系是一個(gè)集成了陸地、海洋、大氣、生源要素等多種因素,多尺度,多圈層的模式系統(tǒng)。其中陸面模式基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)構(gòu)建、河口模式基于ROMS(Regional Ocean Modelling System)構(gòu)建、海洋模式基于ECCO(Estimating the Circulation and Climate of the Ocean Simulation)構(gòu)建、氣象模式基于WRF(Weather Research and Forecasting Model)構(gòu)建,不同模塊之間物質(zhì)或能量單向或雙向交換(圖1)。

圖1 粵港澳大灣區(qū)陸海氣集成模式示意圖

1.1.1陸面模塊

模式的陸面模塊覆蓋珠江流域,模擬了植被吸收、土壤滲透和徑流輸入等過程；將珠江各子流域輸出的淡水、有機(jī)氮、硝氮、銨氮和無機(jī)懸浮泥沙作為驅(qū)動(dòng)場單向輸入河口海洋模式。

1.1.2河口海洋模塊

基于ROMS構(gòu)建的河口海洋模式是該評(píng)價(jià)體系的核心。該模式覆蓋112.6°E—115.4°E,21.1°N—23.1°N的珠江口區(qū)域,包括珠江八大口門入海區(qū)域及珠江沖淡水影響的近岸海域,水平向?yàn)?84 × 356的正交曲線網(wǎng)格,空間分辨率在河道內(nèi)最高,約0.1 km,隨離岸距離增加而減小,在河口外約3 km,垂向20層采用地形跟隨坐標(biāo),每層厚度隨地形而變化,其中表層和底層具有較高的分辨率。該模式在線耦合了Feng等[9]河口含碳生物地球化學(xué)循環(huán)模塊,該模塊包含11個(gè)生態(tài)變量:硝酸鹽([NO3])、銨鹽([NH4])、浮游植物(Phytoplankton,P)、浮游動(dòng)物(Zooplankton,Z)、大小顆粒碎屑(Large Debris,DL和Small Debris,DS)、半易降解溶解有機(jī)氮(Semilabile Dissolved Organic Nitrogen,[DON]SL)、不易降解溶解有機(jī)氮(Refractory Dissolved Organic Nitrogen,[DON]RF)、無機(jī)懸浮物(Inorganic Suspended Solids,[ISS])、葉綠素(Chlorophyll,[Chl])和溶解氧(O2])。

其中,模式中葉綠素濃度的變化受控于浮游植物的生長與死亡過程,浮游植物生長、初級(jí)生產(chǎn)力增加會(huì)提高葉綠素濃度,而浮游植物代謝與死亡、浮游動(dòng)物的攝食作用則會(huì)降低水體中的葉綠素濃度。此外,葉綠素濃度還因物理對(duì)流及混合過程改變,生態(tài)部分葉綠素濃度隨時(shí)間變化如下:

(1)

式中,ρ[Chl]表示浮游植物生長中用于葉綠素合成的部分(無量綱)；μ0為浮游植物生長速率(d-1),這里取為常數(shù)[10],受兩種氮鹽(LNH4和LNO3)限制和光(L1)限制；L1用以表征光合作用與光(Photosynthesis-light,P—I)的關(guān)系；LNH4和LNO3分別表示浮游植物吸收銨鹽的限制和銨鹽限制下吸收硝酸鹽的限制(無量綱)；[Chl]為葉綠素濃度(mg/m3)。E表征浮游植物代謝過程,G表征浮游動(dòng)物的攝食作用,M,A和S分別表征浮游植物的死亡、聚集和沉降過程,詳細(xì)的計(jì)算公式和研究中所涉及的參數(shù)具體取值參見Feng等[9]表A1和表A4。

浮游植物生長中用于葉綠素合成部分ρ[Chl]計(jì)算公式如下:

(2)

式中,θmax為葉綠素濃度與浮游植物的最大比值(mg Chl)/(mg C)；P為浮游植物量(mmol N/m3)；α為P—I關(guān)系線初始斜率(W-1m2d-1)；I為光合作用可用輻射(W/m2)。

浮游植物銨鹽限制和LNH4銨鹽限制下硝酸鹽限制LNO3計(jì)算公式如下:

(3)

(4)

式中,KNH4為吸收銨鹽的半飽和常數(shù)(mmol N/m3),KNO3為吸收硝酸鹽的半飽和常數(shù)(mmol N/m3)。NH4和NO3分別為銨鹽和硝酸鹽濃度(mmol/m3)。

浮游植物光合作用與光的關(guān)系L1計(jì)算公式如下:

(5)

式中, 光合作用可用輻射I,隨水深z呈指數(shù)遞減,計(jì)算公式如下:

I(z)=I0·PARfrac·ezKD

(6)

式中,I0為海表面之下的初始光強(qiáng)(W/m2); PARfrac為光強(qiáng)中可用于光合作用的部分(無量綱)；KD為光的擴(kuò)散衰減系數(shù)(m-1),在河口海域中受海表面鹽度、葉綠素濃度、總懸浮物質(zhì)和總?cè)芙庥袡C(jī)氮控制[11—12]。

1.1.3氣象模式

區(qū)域氣象模式向陸面模式單向輸入降雨量、溫度、風(fēng)場、相對(duì)濕度、短波和長波輻射；同時(shí),針對(duì)海洋與大氣之間主要進(jìn)行的動(dòng)量、感熱和潛熱相互作用[13],基于COAWST(Coupled Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport)框架實(shí)現(xiàn)了海氣耦合模式: 氣象模式向海洋提供蒸發(fā)降水、海表感熱、潛熱通量及海面風(fēng)應(yīng)力和氣壓,海洋模式向氣象模式反饋海表溫度,交換頻率為10 min一次。此外,大洋模式為河口模式提供開邊界條件,實(shí)現(xiàn)河口和外部海域的物質(zhì)互換。

1.2 模式驗(yàn)證

為驗(yàn)證GB-CLOASS對(duì)珠江口模擬的有效性,本研究將觀測站點(diǎn)與模式中的變量進(jìn)行對(duì)比(圖2),參與對(duì)比的觀測量及時(shí)間跨度參見表1,其中溫度和鹽度代表了物理場變量,葉綠素和溶解無機(jī)氮代表了生態(tài)場變量。比較的量化指標(biāo)包括均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)和相關(guān)系數(shù)r,計(jì)算方法如下:

表1 觀測量時(shí)間

圖2 模式模擬區(qū)域、模擬結(jié)果分析區(qū)域與觀測站點(diǎn)示意圖

(7)

(8)

式中,Xobs為觀測值；Xmodel為模擬值；Cov(Xobs,Xmodel)表示兩者協(xié)方差,Var[Xobs]和Var[Xmodel]分別表示觀測與模擬值的方差。

1.3 控制實(shí)驗(yàn)

臺(tái)風(fēng)“天鴿”于2017年8月19日(世界時(shí),下同)前后在北太平洋西部(128°E,20.4°N)形成,向西移動(dòng)過程中發(fā)展為熱帶風(fēng)暴,于8月22日08時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴向西北移動(dòng),22日15時(shí)強(qiáng)度達(dá)到臺(tái)風(fēng)級(jí),并在23日07時(shí)升級(jí)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)[14],過境期間最大風(fēng)速高達(dá)48 m/s,中心氣壓低至940 hPa[15]。最終臺(tái)風(fēng)“天鴿”于8月23日04時(shí)前后在廣東省珠海市登陸,并在登陸后不久迅速減弱,于8月24日08時(shí)消散。

為了對(duì)臺(tái)風(fēng)過境后葉綠素變化機(jī)制進(jìn)行研究,本研究設(shè)置了四組控制實(shí)驗(yàn),其中,實(shí)驗(yàn)1包括單純的珠江口物理-生化耦合模式,利用陸面模式SWAT模擬的氣候態(tài)月平均河流徑流作為輸入；實(shí)驗(yàn)2在實(shí)驗(yàn)1的基礎(chǔ)上采用SWAT模擬的日徑流；實(shí)驗(yàn)3在實(shí)驗(yàn)1的基礎(chǔ)上氣象場采用WRF模擬；實(shí)驗(yàn)4在實(shí)驗(yàn)3的基礎(chǔ)上采用SWAT日徑流(表2)。本研究采用珠江口門內(nèi)觀測平均的溫、鹽及營養(yǎng)鹽濃度作為模式的初始條件,實(shí)驗(yàn)1將模式從1980年1月1日開始轉(zhuǎn)到2017年9月13日結(jié)束。其中,前28年為模式的加速階段,2008—2016為模式模擬結(jié)果和觀測比較的階段,長時(shí)間段模擬足以保證臺(tái)風(fēng)“天鴿”過境前物理-生化耦合模式達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于臺(tái)風(fēng)是短時(shí)間尺度內(nèi)的天氣事件,本研究將實(shí)驗(yàn)1中2017年8月15日模擬結(jié)果作為初始條件,實(shí)驗(yàn)2,3,4從該時(shí)間開始,分別對(duì)其進(jìn)行28天的模擬。

表2 對(duì)照數(shù)值實(shí)驗(yàn)設(shè)置

其中,實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)3與實(shí)驗(yàn)4采用相同的氣象條件。模擬結(jié)果差異主要由徑流輸入差異引起；實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)3、實(shí)驗(yàn)2與實(shí)驗(yàn)4徑流相同、模擬結(jié)果差異主要由氣象驅(qū)動(dòng)條件差異引起。

2 結(jié)果與分析

2.1 模式有效性驗(yàn)證

珠江口以不規(guī)則半日潮為主[16],屬潮優(yōu)型河口[17],故集成模式對(duì)水位的模擬效果至關(guān)重要。通過對(duì)2015年5—7月赤灣、內(nèi)伶仃和舢板洲三個(gè)站點(diǎn)處觀測與模擬的海表面高度值的對(duì)比。集成模式系統(tǒng)的模擬結(jié)果能夠體現(xiàn)出“朔望大潮,兩弦小潮”的潮汐月不等現(xiàn)象以及珠江口的半日潮特征,除了對(duì)農(nóng)歷十五前后的大潮模擬結(jié)果較弱外,其余時(shí)間內(nèi)觀測與模擬的海表高度都較一致,模式幾乎重現(xiàn)了珠江口的潮汐水位特征,高潮期間水位可達(dá)2 m左右。觀測與模式之間的均方差RMSE小于0.5,相關(guān)系數(shù)r大于等于0.75(表3)。

此外,陸面模式SWAT對(duì)河道徑流的模擬結(jié)果和八大口門的徑流觀測值表明,陸面模式的模擬結(jié)果能夠再現(xiàn)珠江口豐枯水期的季節(jié)變化特征。觀測值和模式模擬值之間的均方差RMSE在8000 m3/s左右。但是在部分月份,如2008年6月,2014年5月模式明顯高估了觀測的徑流量。二者之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.5(表3)。然而,現(xiàn)階段由于施肥量的數(shù)據(jù)獲取不足,SWAT模擬的氮磷濃度在入河口處和實(shí)際仍然有一定的差別,后續(xù)工作中將進(jìn)一步改良。然而,由于模式采用的徑流和觀測具有相當(dāng)可觀的可比性,因此,模式模擬的進(jìn)入珠江口總的面源污染物的量和實(shí)際相當(dāng)。

表3 觀測與模式間均方根誤差(RMSE)及相關(guān)系數(shù)(r)比較

為了評(píng)估陸海氣集成模式對(duì)珠江沖淡水海域物理及生態(tài)相關(guān)變量的模擬效果,對(duì)比了2014年8月、2015年1月、4月和10月月平均的觀測和模擬的海表面物理場(溫度、鹽度)和生態(tài)場(葉綠素、無機(jī)氮)的空間分布特征,上述各海洋要素的觀測時(shí)間段分別代表了珠江口夏、冬、春、秋季節(jié)性變化特征。圖3中背景顏色為模式模擬值,圓點(diǎn)為觀測值,圓點(diǎn)和背景顏色的融合程度反映了觀測和模擬結(jié)果的一致程度。我們可以看到模式與觀測的海表溫度時(shí)空分布特征一致,模式再現(xiàn)了觀測溫度4個(gè)季節(jié)的變化特征。進(jìn)一步地,我們將模式結(jié)果在觀測的經(jīng)緯度和時(shí)間點(diǎn)上取值,量化評(píng)估模式的模擬效果。均方差RMSE和相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算為所有點(diǎn)先在每個(gè)季節(jié)進(jìn)行空間排列,然后將不同季節(jié)排列好的數(shù)據(jù)組合在一起,因而模式和觀測溫度的RMSE在2 ℃左右,r值高達(dá)0.97(表3)。

圖3 觀測與模擬的海表溫度、鹽度、葉綠素及溶解無機(jī)氮濃度對(duì)比

在海表鹽度的對(duì)比結(jié)果中,模式與觀測的珠江沖淡水羽流在河口分布的形狀特征基本一致,且能夠體現(xiàn)珠江沖淡水離岸擴(kuò)散較弱,外海鹽度較高[18],夏季沖淡水范圍最廣的特點(diǎn)[19],但模式在夏季對(duì)珠江沖淡水的擴(kuò)展有一定低估(圖3)。量化比較結(jié)果顯示,模式和觀測鹽度的RMSE在5.8 左右,r值高達(dá)0.83(表3)。

模式的模擬和觀測結(jié)果均顯示葉綠素濃度空間分布特征與沖淡水分布相似,體現(xiàn)了珠江口高濃度葉綠素夏季分布最廣且主要受控于珠江徑流量的河口海域特征[20—21]。而復(fù)雜的風(fēng)場、流場和河口生態(tài)過程可能是導(dǎo)致模擬與觀測存在差異性的原因。觀測與模擬結(jié)果共同顯示出溶解無機(jī)氮含量在春季最高,但在空間分布上,觀測與模式仍存在一定差異(圖3)。現(xiàn)階段,河口生態(tài)模式部分是基于美國柴桑比克灣生物地球化學(xué)循環(huán)的條件構(gòu)建的,而珠江口生態(tài)和柴桑比克灣有較大的不同,其中重要的一點(diǎn)就是珠江口大部分區(qū)域?yàn)榱紫拗芠22],而模式中尚未考慮磷的循環(huán)過程。未來生態(tài)模式針對(duì)珠江口區(qū)域的改進(jìn),有可能大幅度改進(jìn)模式模擬的葉綠素部分和營養(yǎng)鹽部分。盡管模式模擬出的生態(tài)場和觀測之間RMSE較大,但是由于生態(tài)變量的輸運(yùn)很大程度上被物理過程控制,因而二者取得了較好的相關(guān)性(r ≈0.9)(表3),共同體現(xiàn)了陸面徑流對(duì)河口海洋要素分布的重要性。

由于上述模式量化RMSE和r值的計(jì)算糅合了時(shí)空分布的共同結(jié)果。為了進(jìn)一步了解上述物理場和生態(tài)場觀測和模式的季節(jié)變化特性。本研究進(jìn)一步量化比較了模式與觀測空間平均后的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特性(圖4)。我們發(fā)現(xiàn),模擬的海表溫度與觀測具有高一致性,模式很好地再現(xiàn)了溫度的季節(jié)變化,且二者之間量值相差不大。模式模擬的鹽度略高于觀測,但是季節(jié)趨勢較為一致。海表葉綠素濃度在夏季最高,溶解無機(jī)氮濃度在春季最高。模式輸出的海表面葉綠素和溶解無機(jī)氮含量與觀測雖然存在一定的差異,但與觀測捕捉到的季節(jié)性變化是一致的。

圖4 模擬值在觀測點(diǎn)的海表面溫、鹽、葉綠素、溶解無機(jī)氮對(duì)比

通過將模式輸出的海表高度、徑流,物理場中的溫度和鹽度,生態(tài)場中的海表面葉綠素濃度與溶解無機(jī)氮含量這6個(gè)變量與觀測站點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,我們發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果都較好地再現(xiàn)了與觀測較為一致的時(shí)空分布規(guī)律,說明我們利用模式來進(jìn)一步探索珠江口海表葉綠素對(duì)極端天氣事件的反饋以評(píng)估陸地河流所致的面源污染對(duì)近岸水體富營養(yǎng)化的影響具有相當(dāng)?shù)目尚判浴?/p>

2.2 珠江河口區(qū)葉綠素濃度對(duì)臺(tái)風(fēng)“天鴿”過境前后的響應(yīng)

下面我們利用GB-CLOASS來探索河口生態(tài)環(huán)境對(duì)極端天氣事件的響應(yīng)。以2017年臺(tái)風(fēng)“天鴿”為例,WRF與ROMS耦合之后,模式模擬出的臺(tái)風(fēng)路徑與觀測顯示出很好的一致性(圖5),并且較好地再現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)從8月22日由南海北部向西運(yùn)移并于23日在廣東省珠海市登陸的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖5 模式模擬與觀測的臺(tái)風(fēng)“天鴿”路徑對(duì)比

本研究選取了WRF氣象模式驅(qū)動(dòng)以及SWAT陸面模式為日分辨率徑流的實(shí)驗(yàn)4中的模擬結(jié)果與MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)作比較(圖6)。受極端天氣影響,臺(tái)風(fēng)“天鴿”過境期間數(shù)據(jù)缺少,過境后數(shù)據(jù)在河口區(qū)處缺失較多,因而本研究將臺(tái)風(fēng)過境一周(8月25日至8月31日)及過境兩周(9月1日至9月10日)數(shù)據(jù)合成平均,和模式同時(shí)間段的平均做比較。近岸光學(xué)環(huán)境比較復(fù)雜,衛(wèi)星反演的葉綠素一定程度上低估了實(shí)際的觀測。盡管葉綠素在絕對(duì)值上和觀測尚不能比較,但模擬結(jié)果和觀測整體形態(tài)上顯示出很強(qiáng)的一致性。即臺(tái)風(fēng)剛過境時(shí)口門外部葉綠素值偏低。而過境兩周后葉綠素濃度上升的趨勢,高值區(qū)面積向南海北部擴(kuò)展。

圖6 模擬與觀測的臺(tái)風(fēng)“天鴿”過境后葉綠素濃度分布情況

為了更好地評(píng)估臺(tái)風(fēng)影響下陸地河流面源污染對(duì)近岸水體葉綠素分布的影響及模式設(shè)置給結(jié)果帶來的差異,本研究對(duì)表2中的四組控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。首先,本研究在河口附近做區(qū)域平均,得到的時(shí)間序列如圖7所示。這里實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)3采用的均為SWAT陸面模式月分辨率的徑流,而實(shí)驗(yàn)2與實(shí)驗(yàn)4采用的則為SWAT陸面模式日分辨率徑流。實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)2中的模式由觀測的氣象場驅(qū)動(dòng),而實(shí)驗(yàn)3與實(shí)驗(yàn)4中的模式由WRF氣象模式驅(qū)動(dòng),徑流分辨率驅(qū)動(dòng)相同的實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果相近,相比于月分辨率下的模擬結(jié)果,采用日分辨率模擬的葉綠素濃度值在臺(tái)風(fēng)過境時(shí)更低,在過境后恢復(fù)與增長的幅度更劇烈,伴隨著臺(tái)風(fēng)過境所帶來的兩次增水,日分辨率下鹽度降低得更劇烈。不同設(shè)置下的模式結(jié)果對(duì)比說明徑流是控制選擇區(qū)域海表鹽度及葉綠素變化的重要因素,現(xiàn)有的海氣耦合模式工具如COAWST在近岸模擬中尚未整合陸面模塊,這十分值得在未來模式耦合工具發(fā)展中考量。

圖7 葉綠素和海表鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)“天鴿”過境前后的響應(yīng)

臺(tái)風(fēng)過境期間,四組實(shí)驗(yàn)都明顯顯示海表鹽度迅速增加, 這是由于“天鴿”過境時(shí)向陸的風(fēng)促進(jìn)高鹽海水進(jìn)入口門內(nèi),同時(shí)抑制了低鹽、高葉綠素濃度的河流沖淡水向外擴(kuò)展。伴隨著低鹽水收縮,海表高葉綠素濃度的水也同時(shí)收縮,導(dǎo)致海表葉綠素濃度小幅下降。而臺(tái)風(fēng)過境后2—4天內(nèi),海表鹽度迅速回落。其中,實(shí)驗(yàn)2、4的回落幅度明顯大于實(shí)驗(yàn)1、3；這是由于實(shí)驗(yàn)2、4的徑流由于臺(tái)風(fēng)帶來的暴雨所致增加明顯,因而鹽度下降也十分明顯。實(shí)驗(yàn)4中的葉綠素濃度在臺(tái)風(fēng)過境后并沒有迅速回升,說明風(fēng)致混合可能通過使沉積物再懸浮導(dǎo)致浮游植物生長受到光限制[23]。8月27日臺(tái)風(fēng)過境后四天,鹽度出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象,升高可能是臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的海水近慣性運(yùn)動(dòng)所致,而大幅度降低則是因?yàn)榕_(tái)風(fēng)導(dǎo)致的上游降雨通過徑流進(jìn)入珠江口具有一定的時(shí)間滯后性。海表鹽度兩次降低對(duì)應(yīng)了實(shí)驗(yàn)4中葉綠素濃度的大幅度增加,葉綠素濃度在9月2號(hào)左右達(dá)到極大值,且日后仍出現(xiàn)再次增大趨勢,這是因?yàn)橹榻瓘搅髋欧诺胶涌跀y帶的富含氮的營養(yǎng)鹽,促使葉綠素濃度在臺(tái)風(fēng)過境后兩周大幅度增長,持續(xù)性的增長或會(huì)促進(jìn)珠江口水體的富營養(yǎng)化。

為了更清楚地顯示臺(tái)風(fēng)過境前后及過境期間海表葉綠素濃度及鹽度的變化,本研究選取更貼近臺(tái)風(fēng)實(shí)際影響下的日分辨率SWAT陸面模式驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)2與實(shí)驗(yàn)4,分別畫了兩組實(shí)驗(yàn)在8月19日,8月23日和9月1日下海表葉綠素濃度和等鹽線的空間分布圖,代表臺(tái)風(fēng)過境前、過境期間和過境后二者的變化特征。如圖8所示,臺(tái)風(fēng)“天鴿”過境期間,實(shí)驗(yàn)2與實(shí)驗(yàn)4中無論是葉綠素分布還是等鹽線輪廓,都清楚地顯示了臺(tái)風(fēng)對(duì)珠江沖淡水?dāng)U展的抑制作用。而在臺(tái)風(fēng)過境一周后即9月1日,海表葉綠素濃度最高,向口門外擴(kuò)展明顯。對(duì)比實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)4,臺(tái)風(fēng)過境期間,實(shí)驗(yàn)4模擬的葉綠素濃度略低于實(shí)驗(yàn)2；而臺(tái)風(fēng)過境后略高于實(shí)驗(yàn)2。這可能是由于臺(tái)風(fēng)過境時(shí)強(qiáng)風(fēng)所致的混合提高了懸浮泥沙的濃度,抑制了浮游植物生長,營養(yǎng)鹽因未被利用而在水體中堆積。然而當(dāng)臺(tái)風(fēng)到達(dá)松弛階段,即過境后,前期未被利用的營養(yǎng)鹽通過光合作用進(jìn)一步促進(jìn)浮游植物生長,導(dǎo)致葉綠素濃度在后期上升。

圖8 臺(tái)風(fēng)“天鴿”過境前后海表面葉綠素濃度分布

3 總結(jié)與討論

認(rèn)識(shí)和利用河口及其鄰近海域海洋資源,保護(hù)海洋生態(tài)一直以來是我國建設(shè)海洋強(qiáng)國至關(guān)重要的問題。珠江河口作為粵港澳大灣區(qū)中重要一環(huán),因特殊的地理緯度和氣候條件,常年受臺(tái)風(fēng)侵襲,每年給粵港澳大灣區(qū)帶來的經(jīng)濟(jì)損失慘重。在我國正將粵港澳大灣區(qū)打造成世界級(jí)城市群的時(shí)代背景下,加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)河口海岸生態(tài)災(zāi)害的影響機(jī)制的研究具有重大的戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)意義。

臺(tái)風(fēng)過境時(shí)的強(qiáng)迫階段和松弛階段會(huì)引發(fā)海洋水體物理和生態(tài)過程的劇烈變化[24]。一般而言,在熱帶及亞熱帶海域,例如,中國的南海和美國南部的墨西哥灣,海水溫度季節(jié)性變化明顯, 夏季較高的海溫會(huì)促進(jìn)水體分層[25],阻礙營養(yǎng)鹽垂向輸送,抑制浮游植物生長[26]。而臺(tái)風(fēng)過境時(shí)強(qiáng)風(fēng)所致的混合和上升流會(huì)促進(jìn)海洋的垂向交換,破壞夏季高度分層的水柱,加深混合層厚度,將低溫、高營養(yǎng)鹽的深層海水夾卷至上層海洋透光區(qū),使海表面溫度冷卻[27]。而在臺(tái)風(fēng)過境后幾天,被輸送至上層海洋的營養(yǎng)鹽通過光合作用促進(jìn)浮游植物生長,導(dǎo)致葉綠素濃度上升[28—29]。然而,不同于南海海盆尺度的研究,近岸臺(tái)風(fēng)對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力的影響是一個(gè)綜合陸、海、氣為一體的復(fù)雜過程[7—8,30]。本研究基于粵港澳大灣區(qū)綜合陸地、河口、海洋及大氣為一體的集成模式(GB-CLOASS),模式驗(yàn)證結(jié)果表明,水位、徑流、溫度和鹽度均和觀測具有良好的一致性；珠江口為典型的磷限制環(huán)境,由于模式尚未引入磷循環(huán)過程,模式模擬的葉綠素及營養(yǎng)鹽和觀測具有一定差異。以2017年8月臺(tái)風(fēng)“天鴿”事件為例,我們利用該集成模式研究了珠江河口海域葉綠素對(duì)極端天氣事件的響應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn),臺(tái)風(fēng)過境期間向岸的風(fēng)將珠江沖淡水抑制在河口內(nèi),促進(jìn)外海高鹽水向口門內(nèi)涌入,海表鹽度增加,葉綠素濃度降低。而臺(tái)風(fēng)過境兩周后,帶給陸地的強(qiáng)降水通過徑流流入河口,導(dǎo)致海表鹽度大幅度下降；同時(shí),徑流攜帶豐富的營養(yǎng)鹽及污染物質(zhì),加劇臺(tái)風(fēng)過境后近岸藻華的發(fā)生。

盡管現(xiàn)有的海氣耦合模式工具如COAWST可以對(duì)臺(tái)風(fēng)影響下浮游植物動(dòng)力過程進(jìn)行模擬[31],然而該工具尚未包含陸面過程,因而對(duì)近岸臺(tái)風(fēng)影響機(jī)制研究具有很大的局限性。陸海氣不同界面模式銜接,一直是全球和區(qū)域地球系統(tǒng)模式中具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題。目前,全球尺度地球系統(tǒng)模式,如Community Earth System Model(CESM)等已經(jīng)在厄爾尼諾等一些大尺度海氣相互作用的研究中取得了突出進(jìn)展[32]。然而,現(xiàn)階段大尺度的地球系統(tǒng)模式對(duì)陸—海相互作用的考慮較為欠缺,且模式分辨率尚不能實(shí)現(xiàn)對(duì)近岸海域海表鹽度時(shí)空變化的有效辨認(rèn)[33]。區(qū)域模式較全球尺度模式而言,陸海銜接相對(duì)成熟,如珠江口1D—3D等模式[34—35],將珠江河口海洋和流域河網(wǎng)模式相連接。然而,模式僅對(duì)徑流進(jìn)行模擬,尚未有對(duì)陸地面源污染等陸面過程的考量,且未利用統(tǒng)一的氣象條件對(duì)陸面模式和海洋模式進(jìn)行綜合驅(qū)動(dòng),發(fā)展高分辨率的陸海氣耦合模式是實(shí)現(xiàn)短時(shí)間尺度內(nèi)極端天氣事件對(duì)近岸物理生態(tài)過程影響的重要手段。目前針對(duì)近岸臺(tái)風(fēng)所涉及的陸、海、氣等綜合一體化過程,本研究所建立的珠江口陸海氣集成模式既模擬了陸面徑流輸入,能夠較為真實(shí)地反映陸面河流面源污染對(duì)近岸水體的影響,又充分考慮了海氣相互作用,能夠綜合反映葉綠素濃度在臺(tái)風(fēng)影響下隨海洋及陸地環(huán)境產(chǎn)生的雙重變化,從而有效地評(píng)估近岸水體的富營養(yǎng)化情況,這為探究及預(yù)測極端天氣下近岸水體富營養(yǎng)化,以及河口區(qū)域海洋的物理、生態(tài)響應(yīng)情況提供了可能。此外,現(xiàn)有模式在陸面和大氣銜接部分,陸面和海洋銜接部分僅采用單項(xiàng)輸入,未來耦合器技術(shù)的引入,將最終實(shí)現(xiàn)陸氣交換,陸?；Q,并實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過境前后赤潮、缺氧等災(zāi)害的預(yù)警[36]。

致謝：感謝南海海洋研究所高性能計(jì)算部門提供數(shù)據(jù)支持。