巢湖藍藻水華分布特征和氣象條件分析

范裕祥， 金社軍， 周 培， 季愛娟， 王文本

(1.安徽省巢湖氣象局，安徽巢湖 238000；2.福建省三明市大田縣氣象局，福建三明 366100)

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巢湖藍藻水華分布特征和氣象條件分析

范裕祥1， 金社軍1， 周 培2， 季愛娟1， 王文本1

(1.安徽省巢湖氣象局，安徽巢湖 238000；2.福建省三明市大田縣氣象局，福建三明 366100)

[目的]研究巢湖藍藻水華與氣象條件之間的關(guān)系。[方法]利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測信息和氣象資料，統(tǒng)計分析2009～2013年巢湖藍藻水華分布特征與其暴發(fā)期間主要氣象要素特征。[結(jié)果]巢湖藍藻水華5～11月均有分布，9、10月是巢湖藍藻水華的主要暴發(fā)期，5、11月明顯偏少；藍藻水華主要分布在西半湖。適宜的氣溫、少雨、光照充足和風(fēng)速偏小有利于藍藻顆粒的上浮和積聚；適宜的溫度條件下，藍藻生長繁殖迅速。[結(jié)論]氣溫是巢湖藍藻水華暴發(fā)的基本氣象條件，不是水華暴發(fā)面積的關(guān)鍵氣象條件，5 d積溫165.0 ℃·d可作為藍藻暴發(fā)的上限；降水對水華有抑制作用；充足的日照是水華形成的必要條件；低風(fēng)速(<3.8 m/s) 利于水華形成。

藍藻水華；暴發(fā)；氣象條件；巢湖

藍藻是一種原始而古老的藻類原核生物，常于夏、秋季節(jié)在富營養(yǎng)化湖泊中大量繁殖，在水面形成一層藍綠色而有腥臭味的浮沫，被稱為“水華”[1]。澳大利亞和新西蘭環(huán)境保護委員會將藍藻水華定義為:在富營養(yǎng)化水體中藍藻大量繁殖，水體中藻細(xì)胞葉綠素a質(zhì)量濃度達10 mg/m3或藻細(xì)胞達1.5×104個/ml，并在水面形成一層藍綠色且有惡臭味的浮沫[2]。

巢湖(31°25′28″～ 31°43′28″N、117°16′54″～ 117°51′46″E)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，東西長61.7 km，南北最大寬度20.8 km，平均寬度15.1 km。水位12 m時(吳淞凍結(jié)基面)，湖面面積約760 km2，湖岸周長約155.7 km。湖底淺平，西高東低。由于工業(yè)化進程加快、城鎮(zhèn)人口增加、化肥和農(nóng)藥的大量使用，巢湖承納的污廢水不斷增加，污染負(fù)荷超出了巢湖的承載能力，富營養(yǎng)化水平長期居高不下，大規(guī)模藍藻水華頻頻暴發(fā)，危及飲用水安全。任健等分析了1986～2007年12個太湖藍藻暴發(fā)典型個例，得出水體污染造成富營養(yǎng)化是藍藻生長發(fā)育和暴發(fā)的基礎(chǔ), 日平均氣溫偏高、降雨量和降雨日數(shù)偏少、氣壓偏低、日照時數(shù)偏多有利于藍藻生長發(fā)育和暴發(fā)[3]。張紅等通過對巢湖藍藻暴發(fā)期間氣象觀測資料的分析，表明氣溫合適、降水偏少以及風(fēng)速較小(非靜風(fēng))的情況下容易造成藻類的暴發(fā)[4]。我國諸多學(xué)者利用多元逐步回歸統(tǒng)計方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等建立藻類生物量變化預(yù)測模型[5-7]; 利用遙感技術(shù)提取葉綠素a、建立水華遙感評價模型等[8-9]。筆者使用衛(wèi)星遙感對巢湖藍藻水華監(jiān)測可以得到巢湖藍藻水華發(fā)生的位置、面積、程度等定量特征信息，對藍藻水華特征和藍藻水華發(fā)生時氣象條件的分析有助于研究巢湖藍藻水華形成的主要氣象成因，為巢湖藍藻水華的預(yù)警提供重要依據(jù)。

1 資料與方法

1.2 氣象數(shù)據(jù)巢湖周邊有巢湖、合肥、肥東、肥西4個國家氣象站和若干個加密自動氣象站，考慮氣象數(shù)據(jù)的代表性、準(zhǔn)確性、比較性，這里選擇合肥國家基本氣象站2009～2013年氣溫、降水、日照、風(fēng)等氣象數(shù)據(jù)。氣溫數(shù)據(jù)有日平均氣溫、5 d積溫，降水分為日降水量、20：00～次日08：00降水量、08：00～20：00降水量，日照時數(shù)，風(fēng)為2 min平均風(fēng)向風(fēng)速。

1.3 分析方法氣象資料的統(tǒng)計分析方法按照中國氣象局的氣象資料統(tǒng)計的相關(guān)技術(shù)規(guī)定進行。利用SPSS18.0軟件對巢湖藍藻水華暴發(fā)與氣象因子之間的關(guān)系進行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 藍藻水華分布特征分析2009年6月～2013年11月衛(wèi)星遙感監(jiān)測到巢湖藍藻水華共發(fā)生151次，年平均暴發(fā)次數(shù)為30.2次/a，其中5月2次、6月25次、7月25次、8月21次、9月34次、10月35次、11月9次(圖1a)?？梢?，9、10月是藍藻集中暴發(fā)的月份，2個月占總次數(shù)的46%，6、7、8月份次之，最少的月份是5月。日最大暴發(fā)面積出現(xiàn)在2009年10月15日，為212.506 km2，占全湖總面積28% 。暴發(fā)總次數(shù)最多的年份是2009年，為39次，最少的年份是2011年，為22次；近5年來巢湖藍藻水華暴發(fā)年總次數(shù)趨勢呈波浪式(圖1b)。

圖1 2009～2013年巢湖藍藻水華暴發(fā)逐月頻次分布(a)和逐年總次數(shù)趨勢(b)

圖2 2009年5月～2013年11月巢湖風(fēng)向玫瑰圖

總結(jié)151次暴發(fā)過程發(fā)現(xiàn)，巢湖藍藻暴發(fā)期集中在每年的5～11月，每年的夏秋兩季是巢湖藍藻的主要暴發(fā)期， 其中9、10月是藍藻暴發(fā)主要月份；巢湖西半湖為藍藻的主要暴發(fā)區(qū)域，且該區(qū)域為藍藻重度暴發(fā)區(qū)。造成這一現(xiàn)象的主要原因是西半湖水體富營養(yǎng)化較東半湖嚴(yán)重；巢湖夏秋兩季盛行東北偏東風(fēng)(圖2)，藍藻易在西半湖聚集,巢湖東半湖藍藻水華較少。

2.2 水華發(fā)生期氣象條件分析

2.2.1氣溫。2009～2013年藍藻水華發(fā)生期間日平均氣溫在8.8～34.0 ℃,平均日平均氣溫為24.4 ℃，日平均氣溫標(biāo)準(zhǔn)差為5.9 ℃，極端日最高氣溫39.6 ℃，極端日最低氣溫2.0 ℃。可見藍藻可以在溫度范圍較大的環(huán)境里生長繁殖。日平均氣溫與藍藻水華面積Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.254，通過0.01的信度檢驗，是高度顯著的線性負(fù)相關(guān)。5年來, 藍藻水華首次暴發(fā)平均氣溫為25.3 ℃，末次暴發(fā)平均氣溫為11.8 ℃(表1)，標(biāo)準(zhǔn)差均為3.2 ℃，可見，巢湖藍藻每年首次暴發(fā)時的日平均氣溫明顯高于末次暴發(fā)時日平均氣溫。水的比容比氣溫的比容大，造成水的升溫或降溫均有一定的滯后性是造成巢湖藍藻水華首次暴發(fā)比末次暴發(fā)日平均氣溫高的重要原因之一。藍藻水華每年首次暴發(fā)時，氣溫是主要因素；末次暴發(fā)時，氣溫不是主要因素。

表1 巢湖藍藻首次暴發(fā)與末次暴發(fā)的日平均氣溫

從藍藻持續(xù)期間的面積和氣象條件(表2)可以看出，2010年10月5日藍藻暴發(fā)面積為202.282 km2，該日平均氣溫為18.4 ℃， 4日平均氣溫為18.1 ℃，但藍藻水華面積僅為22.771 km2；3日平均氣溫為18.7 ℃，而該日無藍藻水華暴發(fā)。連續(xù)3 d溫度條件相似，但藍藻水華暴發(fā)程度卻大相徑庭。2013年10月10～14日的情況與以上分析類似。分析2009～2013年藍藻水華持續(xù)期間的氣溫條件發(fā)現(xiàn)，在適宜的溫度條件下，藍藻生長繁殖迅速，藍藻水華暴發(fā)過程是藍藻顆粒在水面累積的過程；氣溫不是藍藻水華積聚面積的關(guān)鍵氣象因子，只是藍藻水華暴發(fā)的基本條件。

2009～2013年5～10月期間，水華發(fā)生前5 d積溫在51.7～165.0 ℃·d，水華發(fā)生面積與5 d積溫Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.249，通過0.01 的信度檢驗，是高度顯著的線性負(fù)相關(guān)。2009～2013年6～10月期間氣溫基本滿足巢湖藍藻水華暴發(fā)的條件,每年的5、11月氣溫不能完全滿足藍藻水華積聚的條件。2013年8月11～18日平均氣溫連續(xù)穩(wěn)定超過32.3 ℃，5 d積溫均大于165.0 ℃·d，風(fēng)速1.5～2.2 m/s，光照充足，無降水發(fā)生，但巢湖未發(fā)生明顯水華。因此，持續(xù)的高溫對藍藻積聚有明顯的抑制作用，5 d積溫165.0 ℃·d可作為藍藻積聚的上限。

表2 藍藻持續(xù)期間的面積和氣象條件

2.2.2降水。統(tǒng)計2009～2013年5～11月份總降水量和藍藻水華發(fā)生次數(shù)(表3)，總降水量與藍藻水華發(fā)生次數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.95，通過0.05 的信度檢驗，是顯著的線性負(fù)相關(guān)。151個樣本中僅10 d當(dāng)日有降水，最大的日降水量為25.0 mm，但降水發(fā)生在夜間，其他9 d的降水也基本發(fā)生在夜間，白天有降水的較少，即使有降水也是在08：00左右或18：00之后且降水量<2.2 mm。分析每年5～11月每日20:00～次日08：00降水量發(fā)現(xiàn)，在中雨或以下量級時，只要第2天白天氣溫滿足條件、日照充足、風(fēng)速偏小的情況下，就會有藍藻水華暴發(fā)。20：00～次日08：00降水量在大雨或以上量級時，第2天基本為陰天，無水華發(fā)生。持續(xù)降水情況下，降水結(jié)束次日有藍藻水華發(fā)生時，藍藻水華面積小很多，其后持續(xù)暴發(fā)時，其他氣象條件相似的情況下，水華面積迅速增加?？梢?，持續(xù)的強降水對巢湖藍藻水華有一定的抑制作用，主要是降水往往使得氣溫和水溫下降，導(dǎo)致藍藻增殖速度放慢，水體藍藻密度更加趨于均勻，同時降雨天氣一般為陰天，光照較少，使得水華不發(fā)生或面積明顯減少。

表3 2009～2013年5～11月份總降水量和水華發(fā)生次數(shù)

2.2.3日照。2009～2013年藍藻水華暴發(fā)日的平均日照時數(shù)為8.6 h，標(biāo)準(zhǔn)差為2.1 h。日照是藍藻增殖的關(guān)鍵條件，5～11月巢湖光照強度較高，光照時間長短可視為影響藍藻光合作用的關(guān)鍵因素之一。每年藍藻水華首度暴發(fā)之前均經(jīng)過較長時間連續(xù)太陽照射,日照時數(shù)為0 h的天數(shù)均無藍藻水華首度暴發(fā)。最近5年日照時數(shù)為0 h但有藍藻水華發(fā)生的僅出現(xiàn)在2009年10月30日，面積為36.181 km2。該日氣象條件是清晨有霧，其后能見度一直較差，14：00、20：00能見度分別為2.7、1.8 km，14:00、20:00總低云量均未0，可見該日有日照，只不過光照強度未達閾值，日照跡線無法顯示。因此，充足的日照是水華形成的必要條件。

2.2.4風(fēng)。2009～2013年巢湖藍藻水華發(fā)生日的平均風(fēng)速為0.6～3.8 m/s，平均值為1.7 m/s，日平均風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差為0.6 m/s。日平均風(fēng)速與藍藻水華面積Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.242，通過0.01的信度檢驗，是高度顯著的線性負(fù)相關(guān)。風(fēng)通過水面激起的風(fēng)浪對藻類生長產(chǎn)生影響，當(dāng)風(fēng)浪過大時起到一個攪拌的作用，會使水體表層藍藻下沉，改變藻生物的垂直濃度分布，使得水體中藻生物量的濃度更加均勻，降低了水體表面藻細(xì)胞的濃度。當(dāng)日平均風(fēng)速>3.8 m/s ，基本沒有藍藻水華。風(fēng)浪較小時，有利于水體中已經(jīng)存在的大量藻類上浮,推動水體表層藍藻顆粒的移動和聚集，形成水華。低風(fēng)速是藍藻水華暴發(fā)的重要前提條件。因此，風(fēng)浪對藻類暴發(fā)的作用主要取決于風(fēng)速大于還是小于臨界風(fēng)速。氣溫適宜的時候，低風(fēng)速對已經(jīng)形成的藍藻水華移動的影響較低，低風(fēng)速天氣持續(xù)時間越長，多次連續(xù)暴發(fā)的可能性越大。大風(fēng)速(≥3.8 m/s)攪動使得藍藻顆粒下沉，使得衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的水華面積大幅度減少。持續(xù)3 h>5.0 m/s的平均風(fēng)速，藍藻顆粒水平、垂直分布趨于均勻，衛(wèi)星不能監(jiān)測到湖面有明顯藍藻水華。

研究中發(fā)現(xiàn)，在其他氣象條件不變的情況下，藍藻持續(xù)暴發(fā)的第2天如果風(fēng)向突然變化，藍藻水華的面積迅速減小；長時間連續(xù)一致風(fēng)向有利于藍藻水華程度加強和面積急劇增加。風(fēng)向突變，藍藻顆粒運動方向相應(yīng)地與原來方向相反，在一定時間內(nèi)，水體表面的藻細(xì)胞密度趨于均勻，衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的水華面積會顯著減少。

3 結(jié)論與討論

(1) 通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測的2009～2013年巢湖藍藻水華特征是巢湖藍藻暴發(fā)期為每年的5～11月，夏秋兩季是巢湖藻類的主要暴發(fā)期，其中9、10月是藍藻暴發(fā)主要月份，6、7、8月份次之，最少的月份是5月；巢湖西半湖為藍藻的主要暴發(fā)區(qū)域，且該區(qū)域為藍藻重度暴發(fā)區(qū)，從氣象條件分析是巢湖每年5～11月盛行東北偏東風(fēng)所致。

(2)巢湖藍藻可以在溫度范圍較大的環(huán)境里生長繁殖，每年6～10月期間氣溫基本滿足巢湖藍藻水華暴發(fā)的條件，5、11月氣溫不完全滿足藍藻水華積聚的條件。持續(xù)的高溫(5 d積溫>165.0 ℃)，不利于藍藻生長繁殖，氣溫不是藍藻水華積聚面積的關(guān)鍵氣象因子，只是藍藻水華暴發(fā)的基本條件。降水的影響主要是對其他氣象條件的改變而不是直接對藍藻生長和水華形成的直接影響。充足的日照是水華形成的必要條件。低風(fēng)速(<3.8 m/s)有利于水體中已經(jīng)存在的大量藻類上浮,是藍藻水華暴發(fā)的重要前提條件。其他氣象條件不變的情況下，藍藻持續(xù)暴發(fā)的第2天如果風(fēng)向突然變化，藍藻水華的面積迅速減小。

(3)該研究是假定衛(wèi)星遙感資料能完全代表巢湖藍藻水華的情況，但實際上衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)受天氣影響較大，尤其是在夏季容易受到云的遮擋。且目前一天僅有2次有效的藍藻水華監(jiān)測圖片，實際上每天不同時段藍藻水華面積有所不同。所以需要借助其他觀測方法，得到更長時間序列和完整的巢湖藍藻水華監(jiān)測資料，全面進行水質(zhì)、水文、氣象條件綜合分析，科學(xué)建立藍藻水華的潛勢預(yù)報指標(biāo)和程度預(yù)報回歸方程。

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Analysis on the Distributions and Meteorological Conditions of Cyanobacteria Bloom in Chaohu Lake

FAN Yu-xiang1,JIN She-jun1,ZHOU Pei2et al

(1.Meteorological Bureau of Chaohu Lake,Chaohu,Anhui 238000;2.Meteorological Bureau of Datian County,Sanming,Fujian 366100)

[Objective]The research aimed to study the relationship between the cyanobacteria bloom and meteorological conditions in Chaohu Lake. [Method]With the data from the satellite remote sensing monitoring and meteorology from 2009 to 2013, this paper mainly analyzed the distribution features of cyanobacteria bloom and the features of main elemental meteorological during the outbreak of cyanobacteria bloom in Chaohu Lake.[Result]there were cyanobacteria bloom distribution during May to November, and Most of cyanobacteria bloom in Chaohu Lake mainly incurred in September and October,but the periods of the cyanobacteria bloom reduce sharply was in May and November.Lake blue-green cyanobacteria bloom were mainly distributed in west half lake.The suitable temperature, little rain, sunny and small wind speed was beneficial to a buoyancy and accumulation of cyanobacteria particles. Under the condition of appropriate temperature,the cyanobacteria bloom grow rapidly.[Conclusion]The temperature was the basic meteorological conditions of cyanobacteria bloom in Chaohu Lake, however, it was not the key meteorological condition to the area of cyanobacteria bloom.The 165.0 ℃·d which the accumulated temperature during 5 days could be used as was the upper limits of cyanobacteria bloom.Precipitation had an inhibitory effect on cyanobacteria bloom.Enough sunshine was a necessary condition for the formation of cyanobacteria blooms.The breeze (less than 3.8 m/s) were beneficial for the formation of cyanobacteria bloom.

Cyanobacteria bloom;Outbreak;Meteorological conditions; Chaohu Lake

范裕祥(1973-)，男，安徽含山人，高級工程師，從事天氣預(yù)報、藍藻監(jiān)測與預(yù)警研究。

2014-12-17

S 181.3

A

0517-6611(2015)04-191-03