黄海物理环境对浮游植物水华影响的数值研究

论文摘要

黄海为半封闭陆架浅海,位于中国大陆和朝鲜半岛之间。黄海被确定为是世界50个“大海洋生态系统”之一,是重要的渔场。浮游植物水华是一段时期内浮游植物种群快速、显著增加的过程,每年春秋两次水华是中纬度海域浮游植物年循坏的普遍规律,其对整个海域的初级生产力水平和各生源要素循环等均有重要影响。本文的主要目标是利用一个三维生态模型模拟黄海浮游植物生物的季节变化规律,分析黄海浮游植物水华的特征,讨论环境因子的改变对春季浮游植物水华的影响作用。首先根据2007年4月黄海水华航次的观测资料,分析讨论了浮游植物水华过程中各要素的变化特征及快速衰退的主导因素。春季水华过程中,水体中较高的营养盐浓度不会对浮游植物的生长起限制作用。结合卫星遥感资料图片分析,浮游植物水华的空间变化过程为:首先发生于黄海近岸水域,进而扩展至黄海中部海域,中部海域的水华衰退后,近岸水域生物量又有小的峰值。水华期间,浮游植物呈“斑块”状分布。通过对连续站的分析发现,水平平流作用是水柱内浮游植物生物量快速减少的主导因素。建立了一个与黄海环流、混合过程耦合的三维生态模型对黄海浮游植物的水华过程进行了模拟。模型包括硅藻、鞭毛藻两种浮游植物、氮、磷、硅三种营养盐等状态变量,以反映浮游植物生长过程中的群落演替及不同营养盐对不同种群地限制作用。黄海浮游植物系统各生态变量1994年季节变化的模拟结果表明,黄海浮游植物的年变化呈现“双峰”结构,即每年出现春季、秋季两次水华,秋季水华的强度与范围都较春季水华的弱。浮游植物春季水华一般发生在3月份,4月份为水华强盛期,后由于上层水体中营养盐的消耗及跃层的形成而衰退,5月份水华基本消失。模拟的营养盐与浮游植物的季节变化与实测值较符合,较好的反映了黄海浮游植物生态系统的变化规律。模拟的浮游植物春季水华空间变化舰律为与卫星资料的结果一致,同样体现了近岸水域-中部海域-近岸海域的演变过程。浮游机物的分布同样也呈“斑块”状分布,尺度为十几至几十公里,这主要是由于流场的辐聚辐散造成的。“斑块”尺度、位置及“斑块”浓度大小在短时间内的快速变化主要是由水体的平流作用引起的。通过对环境因子的分析得:2月份,浮游植物的生长主要受到光强的限制;3月份主要受温度的影响。光强增强能够引起浮游植物水华时间提前,持续时间增加。温度通过对生长率的影响作用进而影响了浮游植物的生长,温度的增加或减小能使水华时间提前或推迟,水华持续时间也略有相应的增加或减小。强混合作用使水体的稳定性变差,延迟了浮游植物水华的发生。悬浮颗粒物使得水体中光强衰减加快,能显著影响浮游植物水华的发生时间及水华强度。初级生产力和浮游植物（硅藻和鞭毛藻）的群落结构也会发生相应的改变。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 0.1 海洋生态系统和海洋生态系统动力学模型
• 0.2 海洋生态系统动力学模型的发展及现状
• 0.2.1 国外海洋生态系统动力学模型研究及发展
• 0.2.2 我国海洋生态系统动力学模式的研究及发展
• 0.3 浮游植物的水华
• 0.4 浮游植物春季水华机理的研究现状
• 0.4.1 湍流混合的作用
• 0.4.2 光合作用有效光强和营养盐对水华的影响
• 0.4.3 浮游动物的摄食对水华的作用
• 0.4.4 多种因素的共同作用
• 0.5 本文的研究内容和意义
• 1 黄海自然环境特征及其对生态系的影响
• 1.1 物理海洋环境基本特征及对海洋生态系的影响
• 1.1.1 环流特征其及对海洋生态系的影响
• 1.1.2 温度场特征及其对海洋生态系的影响
• 1.2 太阳辐射变化特征及对海洋生态系的影响
• 1.3 营养盐特征
• 1.4 河流输入
• 1.5 大气沉降
• 2 南黄海浮游植物水华观测
• 2.1 调查方法
• 2.2 黄海水华的遥感数据分析
• 2.3 现场观测数据分析与讨论
• 2.3.1 温度、盐度及叶绿素浓度的水平分布
• 2.3.2 溶解氧浓度、饱和度及叶绿素浓度的水平分布与分析
• 2.3.3 营养盐浓度及叶绿素浓度的水平分布与分析
• 2.3.4 悬浮颗粒物浓度的水平分布与分析
• 2.3.5 第一连续站（BM1）的时间序列分布及分析
• 2.3.6 第二连续站（BM2）的时间序列分布及分析
• 2.3.7 第三连续站（BM3）的时间序列分布及分析
• 2.4 小结
• 3 海洋生态动力模型的建立
• 3.1 海洋生态系统动力学模型的一般结构
• 3.2 本文生态动力模型的建立
• 3.2.1 水柱中的光衰减
• 3.2.2 初级生产表达式
• 3.2.3 颗粒物的沉降与再悬浮表达式
• 3.2.4 生物化学变量的微分方程及算法
• 3.2.5 模式参数选取
• 3.3 本模式使用的相关背景场分布
• 3.3.1 流场分布
• 3.3.2 温度分布
• 3.3.3 太阳辐射分布
• 3.3.4 其它条件的确定
• 4 黄海生态系统浮游植物水华的模拟及分析讨论
• 4.1 生物过程参数的敏感性分析
• 4.1.1 水体中光衰减系数的敏感性
• 4.1.2 营养盐半饱和常数的敏感性
• 4.1.2.1 氮半饱和常数与磷半饱和常数的敏感性
• 4.1.2.2 硅半饱和常数的敏感性
• 4.1.3 浮游植物最大生长率的敏感性
• 4.2 黄海海域各生态变量的模拟结果
• 4.2.1 营养盐的季节变化
• 4.2.2 浮游植物生物量的季节变化
• 4.2.3 春季浮游植物水华的特征分析
• 4.2.4 浮游植物群落的变化
• 4.2.5 初级生产力的季节变化
• 4.3 浮游植物斑块状分布的影响因素
• 4.4 环境因素的改变对浮游植物水华生消及演变过程的影响
• 4.4.1 光强消光系数与悬浮颗粒物浓度有关
• 4.4.2 光强增强
• 4.4.3 海水温度的变化
• 4.4.3.1 海水提前变暖
• 4.4.3.2 海水推迟变暖
• 4.4.4 混合增加
• 4.4.4.1 模拟过程中持续增加混合系数
• 4.4.4.2 模拟过程中增加某一段模拟时间的混合系数
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 本文小结
• 5.2 存在问题和工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间发表的学术论文与研究成果