海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的研究進(jìn)展與發(fā)展應(yīng)用

高姍，劉桂梅，王輝，鄭靜靜

（國家海洋環(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）

1 引言

海洋生態(tài)預(yù)報(bào)（Marine Ecological Forecasting）是指針對氣候變化、極端天氣事件、環(huán)境污染以及海洋棲息地變化等環(huán)境影響因素所引起海洋生態(tài)系統(tǒng)以及組成成分發(fā)生變化的預(yù)測預(yù)報(bào)，根據(jù)這些預(yù)報(bào)預(yù)測以及早期預(yù)警，可以為海上人類活動、沿海社會安全、海洋環(huán)境健康等方面提供有效的信息服務(wù)和安全保障（https://oceanservice.noaa.gov/ecoforecasting/）。例如，海水里的有害藻華（Harmful Algal Blooms，HABs），其中常見一類為赤潮。2017年我國管轄海域共發(fā)現(xiàn)赤潮68次，累計(jì)面積3 679 km2（《2017年中國海洋災(zāi)害公報(bào)》），我國赤潮災(zāi)害年均造成的經(jīng)濟(jì)損失3.15億元，赤潮對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)損失為每年276.85億元[1]。赤潮災(zāi)害對人類健康、漁業(yè)以及海洋動植物生存安全造成影響，赤潮預(yù)報(bào)作為海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的一個重要分支，可以提供赤潮災(zāi)害敏感區(qū)水環(huán)境閾值異常的預(yù)警報(bào)以及赤潮生物漂移擴(kuò)散范圍等信息，服務(wù)保障公眾健康安全[1]。

海洋生態(tài)預(yù)報(bào)涉及的影響因素復(fù)雜多樣，常常需要有針對性地判定預(yù)報(bào)災(zāi)種，考慮從河口區(qū)、陸架海到全球大洋的地域差異，選擇經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)、數(shù)值預(yù)報(bào)等多種預(yù)報(bào)方法。目前美國、歐洲等國家相繼發(fā)展了具有自身特色的海洋生態(tài)預(yù)報(bào)，并且有些已經(jīng)投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行，為社會公眾和決策管理部門提供預(yù)報(bào)服務(wù)信息[2-4]；我國經(jīng)過多年的經(jīng)驗(yàn)積累，發(fā)展了赤潮、綠潮的業(yè)務(wù)化預(yù)測預(yù)報(bào)[5]，但從技術(shù)方法和預(yù)報(bào)水平上還待深化。因此，本文重點(diǎn)綜述海洋生態(tài)預(yù)報(bào)涉及的災(zāi)種、影響海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的環(huán)境差異、以及開展海洋生態(tài)預(yù)報(bào)采用的方法手段等方面的國內(nèi)外研究進(jìn)展，進(jìn)而提出我國海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的發(fā)展應(yīng)用與未來展望。

2 海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的災(zāi)種

海洋生態(tài)災(zāi)害（Marine Ecological Disaster）是指由自然變異和人為因素所造成的損害近海生態(tài)環(huán)境和海岸生態(tài)系統(tǒng)的災(zāi)害[6]。我國近海環(huán)境復(fù)雜，是世界上海洋災(zāi)害影響嚴(yán)重的國家之一（《2015年中國海洋災(zāi)害公報(bào)》），赤潮、綠潮是影響海洋生態(tài)環(huán)境的主要災(zāi)種之一，赤潮頻發(fā)不僅會破壞生態(tài)平衡，危害資源環(huán)境，而且赤潮毒素還會通過食物鏈導(dǎo)致人體中毒，危害人體健康[7]；和赤潮一樣，綠潮災(zāi)種（主要指滸苔）的大量繁殖會遮蔽陽光，影響海底藻類的生長，消耗海水中的氧氣；近年來在黃東海出現(xiàn)的大規(guī)模水母暴發(fā)，水母生長速度快天敵少、蔓延迅速，大量獵殺和攝食浮游動物以及魚類的卵和幼體，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)受損，對海洋漁業(yè)旅游沿岸工業(yè)和人身安全等造成很大威脅，形成嚴(yán)重生態(tài)災(zāi)害[8]；熱帶海域珊瑚白化事件也受到關(guān)注，同時(shí)海水低氧、酸化也是影響海洋生態(tài)環(huán)境的主要災(zāi)害，對于水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)脆弱的區(qū)域，海水含氧量、酸堿度也是海洋生態(tài)預(yù)報(bào)關(guān)注災(zāi)種的主要指標(biāo)[9]。

2.1 赤潮

有害藻華（Harmful Algal Blooms，HABs），是指由于海洋環(huán)境條件變化，導(dǎo)致海洋中的浮游植物、原生動物或細(xì)菌等爆發(fā)性繁殖或聚集，引起水體變色的異?，F(xiàn)象，是影響我國近海環(huán)境的主要海洋生態(tài)災(zāi)害之一[10]；發(fā)生這種生態(tài)災(zāi)害的海域水體顏色多呈現(xiàn)為赤紅色，故常常被稱為赤潮（Red tide）。根據(jù)2001—2018年《中國海洋災(zāi)害公報(bào)》的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，近20 a我國近海赤潮發(fā)生次數(shù)和面積比較嚴(yán)重的年份主要集中在2004—2006年，隨著近海排放的控制和海洋環(huán)境的治理保護(hù)，近年來赤潮災(zāi)害發(fā)生有所減少。美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）有害藻華業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Harmful Algal Bloom Operational Forecasting System，HAB-OFS）根據(jù)衛(wèi)星遙感圖像、現(xiàn)場調(diào)查觀測、數(shù)值模型、公共健康報(bào)告和浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測提供的種群暴發(fā)濃度、海流海況條件、風(fēng)場方向和速度等數(shù)據(jù)來預(yù)報(bào)未來3—4 d美國近海赤潮敏感區(qū)（主要指墨西哥灣海域）赤潮災(zāi)害潛在發(fā)展程度、強(qiáng)度、漂移范圍和影響狀況，并利用對人體健康影響等級為公共健康提供指導(dǎo)性服務(wù)，這套業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)服務(wù)每周發(fā)布1—2次的專欄公報(bào)和預(yù)報(bào)簡訊，服務(wù)對象主要包括當(dāng)?shù)睾Ｑ筚Y源管理部門、公共健康和科研機(jī)構(gòu)（https://tidesandcurrents.noaa.gov/hab_info.html）。愛爾蘭西南部的班特里灣（Bantry Bay，Ireland）研發(fā)的業(yè)務(wù)化赤潮預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用數(shù)值模型提供的溫鹽流預(yù)報(bào)場，根據(jù)歷史上赤潮發(fā)生、營養(yǎng)鹽觀測等相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)估算方法，可對未來14 d赤潮發(fā)生可能情況進(jìn)行預(yù)測預(yù)警[11-12]。

2.2 綠潮

綠潮（Green Tide），是指海洋大型綠藻脫離固著形成漂浮群體后，快速增殖或聚集導(dǎo)致的一類生態(tài)異?，F(xiàn)象[13-14]。2008年中國青島近岸海域大面積、高密度漂浮滸苔聚集形成的綠潮，被認(rèn)為是歷史上至2015年世界范圍內(nèi)暴發(fā)的最大規(guī)模綠潮[15-16]。此后，2009—2018年綠潮連年暴發(fā)，成為我國近海尤其是黃海主要關(guān)注的生態(tài)災(zāi)害（中國海洋災(zāi)害公報(bào)2009—2018年）。經(jīng)過多年研究確定黃海綠潮的原因種為滸苔（Ulva Prolifera），因此黃海綠潮又名滸苔，主要起源于南黃海西部的蘇北淺灘海域，同時(shí)也對黃海綠潮的早期發(fā)展過程、關(guān)鍵影響因素等方面掌握了比較系統(tǒng)深入的認(rèn)識[14]。綠潮也是世界沿海國家發(fā)生的海洋生態(tài)異?，F(xiàn)象[17-18]，但我國黃海綠潮暴發(fā)規(guī)模大、影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長，明顯有別于其他沿海國家以往所報(bào)道出現(xiàn)在半封閉海灣的綠潮，并且我國黃海綠潮原因種滸苔在遺傳信息上與我國沿海一線其他地區(qū)采集的滸苔也存在差異[14,19]，同時(shí)綠潮原因種滸苔最初來源的研究也一直是研究黃海滸苔綠潮的最大困惑[14]，這也成為開展黃海滸苔綠潮生態(tài)災(zāi)害預(yù)警報(bào)研究的難點(diǎn)之一。國際上其他沿海國家綠潮災(zāi)害暴發(fā)的影響范圍相對較小，達(dá)到海灘上堆積時(shí)進(jìn)行收集處理[14]，而我國黃海綠潮至今已經(jīng)連年出現(xiàn)，對南黃海西部沿海一線的景觀、環(huán)境和養(yǎng)殖業(yè)造成了嚴(yán)重破壞，因此開展黃海滸苔綠潮預(yù)警報(bào)一直成為每年度黃海防災(zāi)減災(zāi)的重要任務(wù)。自然資源部北海預(yù)報(bào)中心依據(jù)衛(wèi)星遙感圖片綠潮影像的解析，結(jié)合海表風(fēng)場、流場的數(shù)值模擬結(jié)果和氣象要素分析，預(yù)報(bào)綠潮漂移擴(kuò)散的空間軌跡以及漂移距離和速度[20-22]；自然資源部第一海洋研究所喬方利等[23]利用數(shù)值模擬的研究提出利用風(fēng)場、流場的年際變化等特征代表的區(qū)域氣候變化，也是預(yù)測滸苔年度暴發(fā)狀況的一種途徑；國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心2008年建立了滸苔漂移路徑預(yù)測系統(tǒng)，向有關(guān)部門發(fā)布滸苔漂移軌跡預(yù)報(bào)和海洋環(huán)境預(yù)報(bào)，協(xié)助前線應(yīng)急指揮中心完成了滸苔的控制和治理[24]，并在2019年度海洋災(zāi)害預(yù)測會商會上提出了滸苔受溫度、光照影響下包含生物生長消亡過程的漂移數(shù)值模型，可以對黃海滸苔綠潮生長漂移及生物量變化趨勢開展預(yù)測預(yù)報(bào)[25]。

2.3 水母暴發(fā)

水母暴發(fā)（Jellyfish Bloom），是指在過去20 a水母類生物在世界許多海域出現(xiàn)種群暴發(fā)的現(xiàn)象[26]，這對沿海人民的生活生產(chǎn)帶來一系列不利影響。例如，2011年日本、以色列和蘇格蘭的核電站由于水母暴發(fā)導(dǎo)致停止運(yùn)行；而且很多水母帶有刺細(xì)胞，可對人體造成傷害，甚至?xí)l(fā)生游客被水母蟄傷的事件；另外，由于水母的持續(xù)增加，有可能取代魚類等大型生物成為生態(tài)系統(tǒng)的主導(dǎo)性生物，造成對海洋生態(tài)系統(tǒng)的災(zāi)難性危害[27-28]。我國渤黃海水母暴發(fā)的成災(zāi)種類主要有海月水母、沙海蟄和白色霞水母[29]，例如，2013年7月秦皇島海域沙海蟄出現(xiàn)暴發(fā)性增長，蜇傷浴場游客事件頻發(fā)[30]。導(dǎo)致水母暴發(fā)原因比較復(fù)雜，具有不連續(xù)性，包括水母生活史的認(rèn)識、海水溫度的影響、海洋環(huán)境的動蕩等理論基礎(chǔ)的認(rèn)識[26]。對于水母暴發(fā)災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)測研究，目前開展的還比較有限，歸納為幾類分別為[31]：將水母視為粒子，利用拉格朗日追蹤或者溯源的方法來研究水母暴發(fā)的路徑[32-34]；將水母生活史過程通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納擬合成為數(shù)學(xué)公式，再現(xiàn)水母暴發(fā)過程并對未來可能暴發(fā)情況進(jìn)行推測[35-36]；基于數(shù)值模擬預(yù)報(bào)的溫鹽數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測水母暴發(fā)可能性、濃度和分布特征[37]，另外也有考慮海水酸化、風(fēng)混合作用、氣候因素等相關(guān)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)歸納與水母生物量關(guān)系來推測水母暴發(fā)災(zāi)害問題[38-39]。隨著對水母暴發(fā)研究的不斷深入，結(jié)合監(jiān)測的預(yù)警報(bào)技術(shù)也不斷發(fā)展，例如，日本漁業(yè)信息中心（Japan Fisheries Information Centre，JAFIC）利用船舶、飛機(jī)等監(jiān)測手段，獲取大型水母分布情況，通過匯總分析，由網(wǎng)絡(luò)、傳真、移動終端發(fā)布水母短期預(yù)報(bào)[40]；澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization，CSIRO）基于水母蟄傷記錄和天氣情況，根據(jù)大堡礁箱水母的暴發(fā)和東南信風(fēng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)沿岸風(fēng)的次日蟄傷事件增多，進(jìn)而制定浴場管理策略，發(fā)布預(yù)警信息,減少水母蟄傷事件[41]；自然資源部北海預(yù)報(bào)中心[29,42]基于集合預(yù)報(bào)和拉格朗日粒子追蹤方法，考慮水母垂直運(yùn)動等自主運(yùn)動，建立青島近海大型水母的集合漂移預(yù)測模型，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展青島近岸海域水母集合漂移軌跡、速度、趨勢和可能影響范圍等要素的預(yù)測。

2.4 珊瑚白化

珊瑚白化（Coral Bleaching），是指珊瑚失去共生藻或它們的色素或同時(shí)失去共生藻和色素而變白的現(xiàn)象[43-46]。珊瑚白化不但會使其失去美麗的顏色，抗病力大大減弱，還會使珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性降低，魚群數(shù)量減少，進(jìn)而導(dǎo)致珊瑚群落的衰退和珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的消亡[47-51]。因此，防止珊瑚白化，就要保護(hù)珊瑚群落乃至珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，即適當(dāng)?shù)臏囟?、良好的水質(zhì)以及充足的光照等環(huán)境條件[52]。NOAA的全球珊瑚礁監(jiān)控系統(tǒng)（The NOAA Coral Reef Watch,http://coralreefwatch.noaa.gov/satellite/publications.php）利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、近岸實(shí)時(shí)觀測和長期監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)值模型以及影響珊瑚生態(tài)系統(tǒng)的海洋物理環(huán)境條件報(bào)告，來監(jiān)控全球珊瑚分布范圍內(nèi)未來4個月內(nèi)可能出現(xiàn)珊瑚白化的警報(bào)區(qū)、水溫升高時(shí)間、海表溫度和海表溫度異常及升高趨勢、潛在壓力等級、赤道無風(fēng)帶的變化、以及可視站點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)等，給出分辨率5 km每日監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和分辨率50 km每周監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并結(jié)合氣候預(yù)測，提供珊瑚白化事件與ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation，厄爾民諾-南方濤動）預(yù)測相關(guān)的指導(dǎo)性分析[53-54]。

2.5 富營養(yǎng)化、低氧和致病菌等災(zāi)害指標(biāo)

前幾小節(jié)分別從海洋生態(tài)預(yù)報(bào)災(zāi)種的角度回顧了國內(nèi)外研究進(jìn)展，在實(shí)際中，伴隨海洋生態(tài)災(zāi)害的發(fā)生也同時(shí)會出現(xiàn)海水富營養(yǎng)化、低氧、致病菌超標(biāo)等水質(zhì)參數(shù)的變化，因此還需要針對營養(yǎng)鹽、溶解氧、酸堿度、致病菌等生化指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測。水體富營養(yǎng)化指氮、磷以及有機(jī)質(zhì)的增加[55]，評價(jià)海水富營養(yǎng)化的標(biāo)準(zhǔn)常包括溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、化學(xué)耗氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、硝酸鹽（NO3-N）、亞硝酸鹽（NO2-N）、氨氮（NH4-N）、活性磷酸鹽（PO4-P）和葉綠素a濃度（Chl-a）等，目前這些參數(shù)是海水質(zhì)量監(jiān)測評價(jià)的常見指標(biāo)，但涉及到這些參數(shù)的業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)就開展得非常有限[5]。海水富營養(yǎng)化引起藻類大量生長，因而導(dǎo)致水體含氧量下降；海洋中大多數(shù)生物都需要溶解氧來維持，如魚類生長所需的溶解氧為6 mg/L，蟹、蝦需要2～3.5 mg/L以上的溶解氧[56-57]，低氧對底棲生物的影響最為顯著，當(dāng)溶解氧濃度小于2 mg/L，且長時(shí)間持續(xù)，海洋生態(tài)系統(tǒng)中的各種動植物，尤其是運(yùn)動能力弱的底棲生物群落將面臨死亡[58]。通常定義水體中的溶解氧濃度＜2.0 mg/L為低氧狀態(tài)（Hypoxia），對應(yīng)這一溶解氧較低的區(qū)域也被稱為海洋生物的死亡區(qū)（Dead Zone）[9]。美國墨西哥灣低氧監(jiān)控系統(tǒng)（Gulf of Mexico Hypoxia Watch,http://www.ncddc.noaa.gov/hypoxia/products）通過每年夏季航次調(diào)查的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)制作成圖像產(chǎn)品對公眾發(fā)布，進(jìn)而理解、預(yù)測并最終減少低氧事件對海洋漁業(yè)和生物的影響；通過這種長期而具有持續(xù)性地對墨西哥灣低氧狀況的認(rèn)識，利用低氧統(tǒng)計(jì)評估模型進(jìn)而評估預(yù)測下一年度該海域的低氧狀況，為管理部門提供防治措施[59-60]。海洋生態(tài)災(zāi)害暴發(fā)常伴有致病菌的出現(xiàn)，例如，僅2011年，美國就有43%的海灘監(jiān)測到致病菌污染，因此美國NOAA把致病菌（Pathogens）也列入海洋生態(tài)預(yù)報(bào)主要方向之一，通過發(fā)展監(jiān)控和預(yù)警方法來盡可能降低沿海居民健康和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的損失[61-62]。香港近年來也啟用了WATERMAN水質(zhì)示范預(yù)報(bào)項(xiàng)目（Project Waterman of HongKong,http://www.waterman.hku.hk/），每日可提供16個泳灘的水質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)要素為大腸桿菌及健康風(fēng)險(xiǎn)等要素[63-64]。

3 海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的環(huán)境差異

海洋生態(tài)系統(tǒng)具有顯著的區(qū)域差異性，一方面受局地驅(qū)動的影響，如風(fēng)、潮汐和地形等因素，另一方面受外源強(qiáng)迫的調(diào)控，如海洋邊界的水體交換、河流輸入、大氣-海洋界面的相互作用等[65]。在物理、化學(xué)、生物多種因素的綜合作用下，季節(jié)與年際營養(yǎng)鹽分布特征、浮游植物生長代謝過程也具有顯著不同，因此針對不同環(huán)境的海洋生態(tài)預(yù)報(bào)也需要差異化研究，根據(jù)預(yù)報(bào)對象和服務(wù)要求，在實(shí)際預(yù)報(bào)中有所側(cè)重。

3.1 河口區(qū)

河口區(qū)，是海水和淡水交匯混合的部分封閉的沿岸區(qū)域，它通常受潮汐作用的強(qiáng)烈影響；本文提到的河口區(qū)也是指類似潮間帶這種陸地和海洋環(huán)境的交替區(qū)（過渡帶），是海洋水質(zhì)環(huán)境主要關(guān)注的區(qū)域之一，也就成為海洋生態(tài)預(yù)報(bào)需要研究方向之一。我國河流眾多，有黃河、長江、珠江這樣大流量的河口區(qū)，結(jié)合潮汐影響，在這些海域具有明顯的海水與淡水循環(huán)、以及水體分層特征[66]。值得注意的是，在河口區(qū)這個區(qū)域，除了有來自陸地的營養(yǎng)鹽補(bǔ)充外，還有一個重要因素是具有滯留營養(yǎng)物的水文和生物機(jī)制。在距離岸邊較遠(yuǎn)的向海一側(cè)，浮游植物因營養(yǎng)鹽供應(yīng)補(bǔ)充和海水透明度較高，浮游植物常產(chǎn)生水華。在水華之后植物死亡沉降到鹽度較高的下層，通過潮流和河口的特殊水文狀態(tài)相結(jié)合[67]，這些沉降和分解的植物碎屑產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽又被向岸和向上的鹽水流帶到表面，補(bǔ)充表面流帶走的營養(yǎng)鹽，成為一個“自我富營養(yǎng)化”的系統(tǒng)。因此，河口區(qū)是一個生產(chǎn)力水平很高的區(qū)域，關(guān)注的預(yù)報(bào)要素就主要涉及赤潮藻華、氮磷等富營養(yǎng)化、低氧與缺氧、海水酸堿度和重金屬以及致病菌等。這些要素與人們生產(chǎn)生活息息相關(guān)，如水產(chǎn)養(yǎng)殖和海洋浴場的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等，因此需要精細(xì)化程度高、預(yù)報(bào)時(shí)效性高、和水質(zhì)密切相關(guān)的生態(tài)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。例如，珠江口建立的可以檢測亞熱帶水體中有害細(xì)菌的水質(zhì)模型，該模型試驗(yàn)點(diǎn)靠近一個污水排放口，而在污染物排放前后，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也很高，可達(dá)81%～91%[64]。

3.2 陸架海

本文所說的陸架海主要指自海岸線（一般取低潮線）起，向海洋方面延伸，直到海底坡度顯著增加的大陸坡折處為止的區(qū)域，通常把200 m等深線作為陸架下限，從一定意義上來講也包括河口區(qū)，是海洋生物資源活躍的區(qū)域。我們主要關(guān)注和預(yù)報(bào)相關(guān)的物理過程對生物過程的影響有：（1）包括潮汐、陸架陡坡和上升流等海洋鋒面；（2）邊界湍流；（3）風(fēng)混合和潮汐混合等過程，其中近岸上升流鋒面的影響是最主要關(guān)注的因素，即低溫、低溶解氧、高營養(yǎng)鹽、高鹽度和高密度[67]。我國渤、黃、東海陸架區(qū)、臺灣海峽以及海南島近岸都存在上升流，在這些海域，富含營養(yǎng)鹽的深層水向上涌升，使表層水變得肥沃，從而具有較高的生物生產(chǎn)力。在陸架海關(guān)注的生態(tài)環(huán)境預(yù)報(bào)主要有中國近海赤潮[10,68]、黃東海綠潮[20-25]、水母暴發(fā)[29,40,42]等災(zāi)害問題。以赤潮為例，我國陸架海赤潮變化分布具有顯著季節(jié)性和空間性[68]：南海赤潮主要集中在珠江口附近海域，各月發(fā)生頻次較為平均；東海赤潮主要發(fā)生在長江口附近海域、浙江沿岸和福建中部至北部沿岸海域，時(shí)間集中在4—9月；渤、黃海赤潮主要發(fā)生在遼東灣的中部、西部海域和渤海灣海域，以及遼寧省大連市至東港市沿岸、煙臺市至威海市沿岸和膠州灣、海州灣海域，時(shí)間集中在5—10月，其中5—6月達(dá)到鼎盛期。黃海是我國綠潮災(zāi)害主要暴發(fā)海域，尤其是我國蘇北淺灘是黃海綠潮早期形成發(fā)展的關(guān)鍵地區(qū)[14]。此外，影響我國陸架海的生態(tài)災(zāi)害還有大規(guī)模水母暴發(fā)，遼東半島也是災(zāi)害暴發(fā)的主要海域之一[69]。

3.3 全球大洋

大洋區(qū)是大陸架之外的整個水體和海底，相對于河口區(qū)、陸架海，大洋的環(huán)境是相對穩(wěn)定的[70]。大部分大洋表層的陽光充足，表層溶解氧含量較高，溫躍層明顯，鹽度基本恒定[65]。大洋中生物量的時(shí)空分布與環(huán)流的動力結(jié)構(gòu)和熱力特征緊密相關(guān)，海洋生產(chǎn)力高值區(qū)主要集中在赤道和副極地氣旋式渦狀環(huán)流內(nèi)，低值位于南北副熱帶渦狀環(huán)流海域。重要的是赤道上升流海域，這里的深層高營養(yǎng)鹽海水向混合層上升流動，形成由東高西低的高營養(yǎng)鹽帶，這里具有非常豐富的海洋生產(chǎn)力，集中了世界上著名的漁場。黑潮流系是西北太平洋區(qū)域重要的西邊界流，將營養(yǎng)鹽、浮游植物以及幼魚等由南向北進(jìn)行輸運(yùn)，對陸架海的浮游植物水華也起到重要作用。另外還有副熱帶海域內(nèi)冷中心和暖中心的渦狀環(huán)流也是研究生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和變異的重要區(qū)域，這些渦常伴隨著營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的調(diào)整，形成浮游植物生產(chǎn)繁殖的利弊條件[67]。在全球大洋海域，海洋生態(tài)預(yù)報(bào)主要關(guān)注的問題多與全球氣候變化相關(guān)，預(yù)報(bào)的要素也多為長時(shí)間尺度海水生物泵影響下的海水二氧化碳分壓和酸堿度變化，以及碳源匯格局分布等[71-72]。NOAA的全球珊瑚礁監(jiān)控系統(tǒng)[53-54]、歐洲的MyOcean和MyOcean2項(xiàng)目（http://www.myocean.eu.org）也是全球大洋生態(tài)環(huán)境預(yù)報(bào)預(yù)測系統(tǒng)的主要示范，在預(yù)測全球大洋葉綠素濃度、營養(yǎng)鹽濃度等生態(tài)過程和生態(tài)要素方面提供了業(yè)務(wù)化應(yīng)用[73-74]。

4 海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的技術(shù)方法

4.1 經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)

海洋生態(tài)預(yù)報(bào)涉及方法廣泛，經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)仍然是最主要采用的方法之一，例如，傳統(tǒng)的赤潮預(yù)報(bào)主要是根據(jù)藻類生消過程中環(huán)境因子的變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測，依賴于某個環(huán)境因子的異常變化來定性判斷赤潮發(fā)生[10]。我國沿海致災(zāi)藻類種類繁多，而且分布廣泛，海上生物、化學(xué)條件已經(jīng)基本具備，在這種情況下，水文氣象條件往往是誘發(fā)赤潮的重要因素，因此，到目前為止，根據(jù)天氣形勢分析赤潮發(fā)生可能性的預(yù)報(bào)，仍然是赤潮預(yù)報(bào)最基本的手段[68]。赤潮災(zāi)害的形成往往是多環(huán)境因子造成的，因此，在一定程度上也限制了該方法的實(shí)用性。

4.2 統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)

利用海洋生物要素與環(huán)境因子之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來分析海洋生物生長繁殖過程是海洋生態(tài)學(xué)的常用研究方法[65]。在海洋生態(tài)預(yù)報(bào)方面，也會綜合分析引發(fā)生態(tài)災(zāi)害過程的多個環(huán)境因子，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對監(jiān)測資料進(jìn)行分析處理，篩選主要環(huán)境因子，對海洋生態(tài)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)[75]。例如，利用水溫氣象要素與赤潮發(fā)生的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，來預(yù)測赤潮發(fā)生的可能性[76]。另外，神經(jīng)網(wǎng)格方法、數(shù)據(jù)挖掘等也是基于統(tǒng)計(jì)分析的方法，根據(jù)有害藻華多發(fā)水域的氣象、物理、化學(xué)、生物等因子，利用觀測和實(shí)驗(yàn)，建立赤潮統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型，對災(zāi)害發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)等要素進(jìn)行判斷[77-78]。

4.3 數(shù)值預(yù)報(bào)

海洋生態(tài)數(shù)值預(yù)報(bào)是指利用海洋生態(tài)動力學(xué)模型（海洋水動力模型耦合生物地球化學(xué)模型），深入認(rèn)識海洋生物地球化學(xué)循環(huán)過程、營養(yǎng)鹽通量和相關(guān)要素的循環(huán)路徑[79]，對海水中的營養(yǎng)鹽、浮游植物、浮游動物，以及溶解氧、海水二氧化碳含量等要素進(jìn)行定量化模擬，進(jìn)而對海洋生態(tài)系統(tǒng)示范區(qū)的富營養(yǎng)化、海洋生態(tài)環(huán)境健康、有害藻華、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)環(huán)境狀況以及氣候變化對海洋生態(tài)系統(tǒng)影響等方面提供預(yù)報(bào)預(yù)測服務(wù)（https://oceanservice.noaa.gov/ecoforecasting）。近年來，海洋生態(tài)數(shù)值模型的發(fā)展與應(yīng)用已日漸成熟，從最早NPZD（Nutrient-Phytoplankton-Zooplankton-Detritus）的 4個變量已經(jīng)發(fā)展到多個乃至幾十個變量，例如歐洲的 ERSEM（European Regional Seas Ecosystem Model，歐洲區(qū)域性海洋生態(tài)系模式）包含多項(xiàng)精細(xì)化的循環(huán)過程，可以刻畫陸架海生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵生物化學(xué)過程，即浮游植物群落復(fù)雜性、微生物循環(huán)、多種營養(yǎng)元素的化學(xué)計(jì)量（氮計(jì)量和碳計(jì)量等）、碳循環(huán)過程、不同海區(qū)不同葉綠素比例的生化循環(huán)（http://www.meece.eu/library/ersem.html），該模型耦合水動力模型，在英國氣象廳（Met Office）已經(jīng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行，可提供歐洲西北部陸架海的生態(tài)系統(tǒng)健康、水質(zhì)輔助監(jiān)測、富營養(yǎng)化、有害藻華類預(yù)測等產(chǎn)品服務(wù)[2]，再分析和預(yù)報(bào)產(chǎn)品集合到MyOcean網(wǎng)站上發(fā)布。依據(jù)ERSEM多種營養(yǎng)元素的精細(xì)化循環(huán)過程的基本形式，Vichi等[80-81]對生物地球化學(xué)過程公式給出了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)形式，并開發(fā)了適用于近岸、遠(yuǎn)海以及全球復(fù)雜環(huán)境特征的生物地球化學(xué)模型BFM（Biogeochemical Flux Model），并結(jié)合數(shù)據(jù)同化方法同化了衛(wèi)星遙感葉綠素資料[82]，已在地中海海盆及陸架區(qū)域?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)化生態(tài)預(yù)報(bào)，可應(yīng)用于藻類生物量預(yù)報(bào)、近岸沉積物和魚群量評估等[3]。歐洲開發(fā)的海洋生態(tài)模型大多在全球、大西洋以及歐洲各海域使用廣泛，此后美國和日本等國家又相繼開發(fā)了適用于太平洋及鄰近海域的海洋生態(tài)模型，例如，CoSiNE（Carbon,Silicon,Nitrogen Ecosystem）在太平洋、日本海、南海等開展了大量的試驗(yàn)和研究，具備模擬水體中關(guān)鍵生態(tài)過程的能力，比如小型浮游植物和硅藻對不同營養(yǎng)鹽輸入的響應(yīng)、不同浮游動植物之間的捕食和競爭關(guān)系、浮游植物對光和營養(yǎng)鹽限制的動態(tài)響應(yīng)、以及浮游動植物和顆粒物對水體溶解氧的調(diào)節(jié)等[83-86]。日本的NEMURO（North Pacific Ecosystem Model for Understanding Regional Oceanography）基于北太平洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建[87-88]，包括氮、磷、硅、大小浮游植物、大小浮游動物等多種變量，在北太平洋開展了一維、二維和三維的營養(yǎng)鹽、碳循環(huán)和生物化學(xué)循環(huán)過程的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)展了微生物循環(huán)（eNEMURO）[89]、以及低營養(yǎng)鹽水平模塊和流域尺度大的魚類種群模塊（NEMURO.FISH）[90]。結(jié)合海洋生態(tài)數(shù)值模型，利用遙感數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，海洋生態(tài)預(yù)報(bào)領(lǐng)域也在大力發(fā)展近岸精細(xì)化數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)技術(shù)，預(yù)測赤潮等有害藻華可能發(fā)生的概率、位置以及潛在影響范圍強(qiáng)度等[4]。針對墨西哥灣的低氧環(huán)境現(xiàn)象，海洋生態(tài)模型的數(shù)值敏感性實(shí)驗(yàn)也可以用來研究由風(fēng)引起的上升流對墨西哥北部低氧區(qū)域的影響，進(jìn)而開展評估和預(yù)報(bào)[59-60]。

5 海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的發(fā)展方向與未來展望

5.1 豐富完善的數(shù)據(jù)是海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)支撐

我國近年來在沿岸、近海、大洋的觀測能力不斷提升，氣象水文、生物化學(xué)等數(shù)據(jù)不斷豐富，船載走航、定點(diǎn)臺站、連續(xù)浮標(biāo)、衛(wèi)星遙感、水下機(jī)器人、以及無人機(jī)和無人艇等多設(shè)備多手段的集成，都可以通過合理方法運(yùn)用到海洋生態(tài)預(yù)報(bào)，為掌握目標(biāo)海域的環(huán)境特征和生態(tài)災(zāi)害暴發(fā)狀況提供數(shù)據(jù)支持，配合預(yù)報(bào)檢驗(yàn)和評估，利用數(shù)據(jù)融合與同化方法提高預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確性，結(jié)合未來發(fā)展的大數(shù)據(jù)挖掘、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能反演算法，最終實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定點(diǎn)、定量的海洋生態(tài)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)。

5.2 加強(qiáng)海洋生態(tài)學(xué)的機(jī)制機(jī)理研究

海洋生態(tài)系統(tǒng)是海洋生物種群與非生物環(huán)境相互作用的復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)，其復(fù)雜性不僅因?yàn)樗锒鄻有?，而且包含生物地化循環(huán)過程、物理過程的多樣性及其非線性相互作用的復(fù)雜性[75]。開展海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的根本問題是對海洋生態(tài)系統(tǒng)概念的認(rèn)識，不同類型海洋生態(tài)災(zāi)害的發(fā)生實(shí)際上是海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的演變、乃至結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的表現(xiàn)形式之一。不同海洋生態(tài)災(zāi)種、不同海洋環(huán)境都具有極大的差異性和不確定性。深入理解海洋生態(tài)學(xué)的機(jī)制機(jī)理，利用實(shí)驗(yàn)和觀測手段，將海洋生態(tài)系統(tǒng)中個體、種群和過程研究朝著模型化、參數(shù)化、精細(xì)化方面發(fā)展，揭示浮游植物異常暴發(fā)的生物學(xué)機(jī)理、誘發(fā)原因、源頭以及與各種海洋環(huán)境要素的關(guān)系，以及海洋浮游植物的異常性暴發(fā)增長與全球變化的關(guān)系，才能從根本上實(shí)現(xiàn)海洋生態(tài)預(yù)報(bào)。

5.3 開發(fā)海洋生態(tài)預(yù)報(bào)先進(jìn)技術(shù)

海洋生態(tài)動力學(xué)模型是開展定量化海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的有效方法之一，結(jié)合數(shù)據(jù)同化技術(shù)的海洋生態(tài)動力學(xué)模擬研究是現(xiàn)階段發(fā)展海洋生態(tài)數(shù)值預(yù)報(bào)的主要研究方向，在國際上海洋生態(tài)預(yù)報(bào)科研和業(yè)務(wù)化領(lǐng)域也已經(jīng)廣泛采用。隨著先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)挖掘、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能反演、精細(xì)化格點(diǎn)預(yù)報(bào)等先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域逐漸發(fā)展起來，未來也將不斷引進(jìn)到海洋生態(tài)預(yù)報(bào)領(lǐng)域，彌補(bǔ)海洋生態(tài)系統(tǒng)非線性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[91]，對適應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性有效的理解和預(yù)測，綜合運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)、數(shù)值預(yù)報(bào)以及先進(jìn)預(yù)報(bào)技術(shù)，提高海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的可靠性。

5.4 著力解決制約海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的瓶頸問題

海洋生態(tài)環(huán)境要素監(jiān)測大部分需要調(diào)查采樣、生化分析等人為手段，近年來通過研發(fā)微型、低功率的物理、生物、化學(xué)傳感器并裝載到Argo浮標(biāo)上所形成同步觀測物理和生物地球化學(xué)參數(shù)的生物地球化學(xué)剖面浮標(biāo)（Biogeochemical Argo Float,BGC-Argo）[92]，在一定程度上解決了衛(wèi)星遙感與人為測量的瓶頸問題，數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)自動、連續(xù)、穩(wěn)定，但BGC-Argo成本較高，主要投放在上千米的深海，近海與近岸的海洋生態(tài)環(huán)境要素觀（監(jiān)）測還無法滿足海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的要求，這成為制約海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的瓶頸問題之一。另外，我國近海近岸海洋生態(tài)系統(tǒng)差異較大，所涉及的海洋生態(tài)災(zāi)害的災(zāi)種、致災(zāi)生物、環(huán)境因素等也存在較大差異，針對任一種海洋生態(tài)災(zāi)害，都需要深入調(diào)查分析研究致災(zāi)機(jī)理，才能給出海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的判定依據(jù)，這在實(shí)際工作中難度較大，也成為制約海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的另一瓶頸問題。此外，海洋生態(tài)系統(tǒng)具有自動調(diào)節(jié)功能[65]，致災(zāi)生物也會發(fā)展變化，例如，近幾年黃海在出現(xiàn)滸苔綠潮災(zāi)害暴發(fā)的同時(shí)，又出現(xiàn)馬尾藻金潮的有害藻華問題（《2013年北海區(qū)海洋災(zāi)害公報(bào)》、《2017年中國海洋災(zāi)害公報(bào)》）；南海長棘海星大面積暴發(fā)也嚴(yán)重威脅我國珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)[93]；我國近海核電站附近海域水母、毛蝦、海地瓜、赤潮（棕囊藻）等海洋生物的暴發(fā)性增長也成為新型的海洋生態(tài)災(zāi)害問題[94]，這些都成為對海洋生態(tài)預(yù)報(bào)理解認(rèn)識的一種新挑戰(zhàn)。

5.5 海洋生態(tài)預(yù)報(bào)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程

海洋生態(tài)預(yù)報(bào)是集數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)值模擬、預(yù)報(bào)評估、業(yè)務(wù)化應(yīng)用等各方面于一體的系統(tǒng)工程，涉及多學(xué)科交叉，多部門的支持合作，例如美國海洋生態(tài)預(yù)報(bào)的實(shí)施路線圖（NOAA’s Ecological Forecast Roadmap），組織機(jī)構(gòu)的合作支持、針對客戶對象需求的業(yè)務(wù)方法、廣泛的溝通交流和實(shí)地考察、制作發(fā)布[61]。因此，開展海洋生態(tài)預(yù)報(bào)，亟需利用海洋實(shí)時(shí)觀（監(jiān)）測平臺、結(jié)合高分辨率數(shù)值模式、開發(fā)研制海洋生態(tài)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)、發(fā)布針對專項(xiàng)用戶的業(yè)務(wù)化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定點(diǎn)、定量預(yù)報(bào)，覆蓋河口區(qū)、陸架海、至全球大洋，并保證安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，以提高政府對海洋災(zāi)害的應(yīng)急響應(yīng)決策能力，提升海洋防災(zāi)減災(zāi)能力，保障我國海洋環(huán)境的生態(tài)安全。