太湖遥感可测性蓝藻水华发生条件分析

以太湖蓝藻高发区的浮标站及蓝藻水华遥感监测结果为基础,分析探讨太湖遥感可测性蓝藻水华与水温、蓝藻密度、风向、风速等因素的相关性以及近年来蓝藻水华发生频次变化。结果表明,太湖蓝藻水华高发区遥感可测性蓝藻水华发生的有利条件为水温15~35℃、蓝藻密度200×104~1 300×104个/L、风速1.5~4.5 m/s、风向90~225°,最有利的条件为水温25~30℃、蓝藻密度500×104~600×104个/L、风速3.0~3.5 m/s、风向112.5~202.5°;太湖发生遥感可测性蓝藻水华的临界蓝藻密度为47×104个/L;2008-2013年遥感可测性蓝藻水华的发生次数没有显著降低,发生次数以7-8月份最多,9-10月份次之,其他月份较少。     

适宜太湖蓝藻水华形成的风场辐散特征及其形成机制

对太湖周边17个气象观测站的7年常规观测资料聚类分析发现,在适宜蓝藻水华形成的高温、微风气象条件下,太湖湖面风场往往出现辐散特征,在此辐散风场的驱动下,蓝藻水华迁移过程必然与均匀风场驱动下有所不同;数值模拟结果显示,这种辐散风场是由于非绝热加热不均匀造成的局地次级环流叠加在弱的背景风场之上引起的;其强弱程度是受湖陆温差和背景风速共同决定的,并据此给出了湖面风场辐散强度指数.     

风廓线雷达在北京地区一次强沙尘天气分析中的应用

基于北京地区逐小时风廓线雷达数据、大气成分观测数据以及地面常规观测资料对2017年5月3~7日一次沙尘天气过程进行了研究.结果表明：受蒙古气旋影响,全国多地出现空气质量严重污染,其中北京PM₁₀浓度达到严重污染级别时间超过30h.通过对边界层内水平风场、垂直速度以及大气折射率结构常数等要素进行分析,研究发现沙尘爆发前,边界层内出现平均风速达到14.8m/s的西北急流核,该急流核的建立有利于将高层沙尘粒子向近地面传输,而沙尘爆发阶段边界层通风量较前期增加31.6%,中低层的通风量逐渐占据主导地位,使近地面PM₁₀浓度出现爆发性增长.此外,整个沙尘天气过程中,以弱下沉运动为主,垂直速度在1m/s以下,而沙尘天气爆发前,边界层内出现强烈垂直下沉运动,达到5.3m/s.同时,大气折射率结构常数出现1.0×10^-16的高值中心.二者均先于地面污染物浓度的变化,预报时间提前量为8~9h,可为今后沙尘预报提供一定参考.     

风场对太湖梅梁湾水华及营养盐空间分布的影响

为了解风场对湖泊表层蓝藻水华及营养盐空间分布的影响,以太湖梅梁湾为例,在蓝藻水华期间开展表层粒子漂流实验,研究风场对水体表层物质的推移规律,并开展全水域水体表、中、底层密集布点采样,测定水体藻类叶绿素a、氮、磷、高锰酸盐指数、溶解性有机碳、溶解氧等水质指标,探讨风场驱动下大型浅水湖泊蓝藻水华及营养盐时空分布特征.结果表明,在平均风速1. 9 m·s~(-1)和2. 3 m·s~(-1)的情况下,表层粒子的平均漂移速度分别为3. 0 cm·s~(-1)和5. 0 cm·s~(-1);风场对表层水体蓝藻水华的空间分布具有决定性影响,能够引起蓝藻水华在空间上较高的异质性;蓝藻水华物质的空间变化对水体颗粒态氮、磷、有机质和溶解氧等水质指标产生较大影响,表、中、底层颗粒态氮和磷、高锰酸盐指数与叶绿素a浓度的空间分布一致,而溶解态氮、磷浓度及溶解性有机碳的分布与叶绿素a浓度分布不尽相同;蓝藻水华物质在风场作用下的再分配对水体溶解氧产生复杂的影响,底层溶解氧平均值低于表层与中层,可能对沉积物营养盐释放产生影响;依据高密度布点调查估算,仅表层20 cm,梅梁湾水域的蓝藻干物质赋存量约396 t,远大于蓝藻打捞工程的清除量.研究表明,鉴于水华期间风场作用下对蓝藻水华漂移的巨大影响,在湖泊水质调查采样方法及数据分析时应充分考虑蓝藻水华漂移的影响因素;防控湖泛灾害的蓝藻打捞作业对湖体蓝藻水华赋存量的清除能力有限,只能对岸边带湖泛的预防产生影响.     

广州地区灰霾与清洁天气变化特征及影响因素分析

利用2006~2010年广州气象站逐时地面风场、湿度、能见度观测资料和2006~2009年珠江三角洲其他33个地面观测站风场观测资料,通过对灰霾与清洁天气过程的风速风向进行统计分析与矢量和分析,研究了广州地区灰霾与清洁天气过程的变化特征及影响因素.结果表明:灰霾天气过程在干季发生较频繁,主导风向为东南及东南偏南风,风速一般在1.5m/s以下,静风频率大于多年静风频率;灰霾天气过程风矢量和较小,扩散条件较差.清洁天气过程主要出现在湿季,风速普遍较大且主导风为东南及东南偏南风,干季也可以出现清洁天气过程,主要为较强的北风及偏北风;清洁天气过程风矢量和较大,有较强的平流输送.     

全球气候变化对太湖蓝藻水华发展演变的影响

对太湖周边4个常规气象观测站的47年观测资料进行分析,以探讨全球气候变化对太湖蓝藻水华演变的影响.结果表明,20世纪80年代之前,太湖流域气象条件的年代际尺度变化趋势不利于蓝藻的生长和水华的形成,而在20世纪80年代以后,尤其是20世纪90年代以后,气温、风速、降水变化都较大,且都有利于蓝藻的生长和水华的形成,这与蓝藻水华的观测事实一致.据此定义了蓝藻水华气象指数,每年太湖蓝藻水华气象指数能够很好地反映蓝藻水华的发展变化情况.进而,分析了反映ENSO循环变化的Ni?o3指数与太湖流域气象条件变化的相关性,结果表明ENSO循环与太湖流域风速、降水在年代际尺度上有着非常好的相关性.据此预测,2000年以后10~20年中,太湖蓝藻水华气象指数将继续在高位振荡,若蓝藻生长所需的营养盐浓度得不到有效的控制和明显的降低,蓝藻水华在气候条件的影响下,仍将可能大面积暴发.     

广州地区近十年来霾天气近地层流场特征研究

利用2001-2010年广州地面气象站逐时风速、风向、湿度、能见度等观测资料以及欧洲中期天气预报中心(ECMWF)10 m风场再分析资料,通过计算逐日局地环流指数(R系数)等方法,研究了近10年广州地区地面风场与能见度的关系,同时还利用聚类分析统计了广州出现霾天气时的大尺度流场特征。结果表明:广州地区出现灰霾天气时,夜间风速多数时候小于1.0 m/s,白天风速虽然较大,但是依然不足1.5 m/s,最大值风速出现在14-15时左右;R系数能够很好地反映出风场的有效输送能力,平均R系数与能见度的相关性较好,当R系数约小于0.75时,广州能见度小于10 km;导致广州地区出现灰霾天气的流场可主要划分为冷气团型、暖气团型和台风型3种,其中冷气团型主要出现在干季,暖气团型主要出现在湿季,台风型总数较少并且多数出现在湿季。     

基于GAM模型的太湖叶绿素a含量与环境因子相关性分析

随着富营养化程度的加剧,太湖近30年来水华频发.为了探讨太湖西部沿岸水华暴发与环境因子的关系,于2017年4月1-18日（当地历年蓝藻暴发早期）在太湖西部沿岸进行了密集原位调查.共采集样品72个,测定了水温、溶解氧、各形态氮、磷营养盐浓度以及风速等环境指标,并利用GAM（广义相加模型）定量分析了叶绿素a含量与各环境因子间的关系.结果表明:①叶绿素a含量波动幅度较大（17.10~795.89 mg/m3）,太湖西部沿岸带有明显的蓝藻水华暴发现象.②水温、风速以及硝态氮浓度与叶绿素a含量的变化显著相关（P<0.05）,各环境因子按其对叶绿素a含量变化的解释率排序为水温>风速>硝态氮浓度.其中水温是影响叶绿素a含量最为重要的环境因子,叶绿素a含量随着水温的升高呈现明显上升趋势.风速也是影响叶绿素a含量的关键因子之一,较低的风速（<3 m/s）有利于蓝藻的漂移集聚从而形成水华,引起叶绿素a含量的升高.研究显示,GAM模型较好地解释了叶绿素a的含量变化,模型总体解释度达到70.6%,可为太湖西部沿岸蓝藻水华早期的预测预警提供一定的基础支撑.      

2014年10月中国东部持续重污染天气成因分析

2014年10月5─13日中国东部发生了大范围、长时间的(雾)霾及重污染天气. 采用AQI数据分析此次大气重污染过程的时、空演变特征,并应用NCEP(美国国家环境预报中心)再分析资料以及地面、小球探空数据,分析了主要天气型演变、边界层及上空的风场、气象条件特征,以研究此次秋季重污染天气的气象成因和形成过程. 结果表明:①华北、东北是此次污染最为严重的地区,其域内各城市持续数日的污染演变可分为AQI显著上升、持续高值、下降3个阶段. ②在AQI上升阶段(10月6—8日),受大陆高压控制,东部地区出现较弱地方风场和偏南风输送风场,风速在0～2 m/s,相对湿度在22%～86%,3 000 m逆温显著利于污染物积累. ③在持续污染阶段(10月8—11日),海上高压滞留,再加上台风“凤凰”北上阻挡大陆高压影响,使东部地区出现持续4 d的偏南风、偏东风弱风场,风速在1～4 m/s,相对湿度为57%～96%,造成严重污染. ④在AQI下降阶段(10月11—12日),后续大陆高压南下,前部冷锋利于污染物清除,风速达到6 m/s,是AQI降低的主要天气背景场. 因此,持续出现的稳定天气形势是导致此次中国东部重污染天气的主要气象原因.      

水华藻斑漂移速度时变特征研究

以太湖水华藻斑为研究对象,采用自主研发的藻斑漂移原位观测技术,研究分析了不同时间尺度下太湖蓝藻水华易发区藻斑漂移速度的变化特征.结果表明：日内藻斑漂移速率在（0.0793±0.0135）~（0.146±0.0318）m/s范围内变化,藻斑漂移速度的北向分量在-0.0896~0.0247m/s之间,东向分量在-0.0157~0.0029m/s之间.漂移速率日均值变化呈现出锯齿式交替特征即增加-减少-再增加的往复循环,变化范围为（0.0499±0.0141）~（0.1580±0.0120）m/s,漂移方向以北向为主.藻斑漂移速度的月际变化明显,6月~8月,向东漂移的占比逐渐降低,而向西漂移的占比逐渐增加,此期间漂移方向均以北向为主.漂移速率6月上旬最小,均值为0.0680m/s,7月上旬达到最大,均值为0.1350m/s,7月中旬~8月下旬水华藻斑漂移速率在0.0800m/s附近波动.     

风浪对太湖水体中胶体态营养盐和浮游植物的影响

为了解不同风浪条件下太湖水中胶体态营养盐和浮游植物含量的特征, 选择不同风速情况进行现场观测和采样, 用切向流超滤法获取胶体, 测定胶体态有机碳、氮、磷及其他形态营养盐含量. 同时收集浮游植物样品, 测定其密度和生物量. 结果表明, 在风速小于4m/s时胶体氮(CN)和胶体磷(CP)含量随风速变大而升高, 而在风速大于4 m/s时其含量不再升高, 甚至略有降低; 叶绿素a(Chl-a)、浮游植物密度、蓝藻密度和蓝藻生物量均在风速小于4m/s时随风速增大而升高, 在风速大于4 m/s时随风速增大而降低, 说明小风浪有利于蓝藻生长或漂浮, 而大风浪对其生长或漂浮不利. CN和CP含量与浮游藻类含量呈显著正相关, 表明在藻类生长旺盛的夏季, 太湖水中胶体氮、磷的主要来源为藻类产物.     

2004年夏季太湖梅梁湾席状漂浮水华风力漂移入湾量计算

太湖北部重度水华暴发时,在夏季盛行风推动下,漂浮的席状水华可由大太湖漂移进入位于太湖北部的梅梁湾,使湾内的水华加剧.本文通过室内风箱水槽实验和野外观测,对水华的风力漂移作了定量研究,建立了风速与水华漂移速度的指数相关方程.并据此对2004年夏季太湖北部发生席状水华的6d分别计算了水华风力漂移入湾量.6d中,只有2004-07-31水华漂移是由湾内向大太湖输出,且量很小,只有0.05 km²;其余5d水华漂移进入梅梁湾的面积占整个梅梁湾面积的3.7%～13.3%,进入量最大的是2004-06-11,达17.4km²,最少的是2004-07-30,为4.8 km².     

基于ELCOM-CAEDYM模型的太湖蓝藻水华早期预测探讨

结合太湖蓝藻水华形成的"四阶段理论", 基于澳大利亚西澳大学水研究中心开发的ELCOM-CAEDYM耦合模型框架构建了太湖水华蓝藻生态动力学模型,对蓝藻水华的形成进行模拟,分析了太湖蓝藻水华早期预测的可行性.结果表明:该模型在较长时间尺度上对春季复苏阶段及生长上浮阶段蓝藻水华的形成模拟效果较好,蓝藻生物量模拟值与站点调查值的误差变化范围在1.0%~70.4%,平均误差为28.0%,与MODIS卫星反演值的误差变化范围在3.8%~83.9%,平均误差40.5%;但越冬阶段蓝藻生物量模拟输出值与站点调查值的误差变化范围在3.0%~143.6%,平均误差为40.1%,与MODIS卫星反演值的误差变化范围在9.7%~118.4%,平均误差为48.8%,表明模型对蓝藻越冬过程模拟能力还不强,应在蓝藻越冬机制模拟计算方面进一步改进,以满足蓝藻水华早期预测的需要.     

太湖蓝藻水华灾害程度评价方法

通过对太湖蓝藻水华灾害分析,借鉴赤潮灾害评价指标,采取蓝藻水华面积和Chla浓度作为灾害程度分级评价指标,应用层次分析法确定权重,结合隶属度函数,采用模糊综合评价建立太湖蓝藻水华灾度分级评价方法,定量描述蓝藻水华灾害程度.结合2008年太湖蓝藻水华灾害事件对该方法进行验证.结果表明,2008年太湖蓝藻水华灾害规模主要为小型、中型和大型,无重大和特大蓝藻水华灾害发生;其中小型蓝藻水华灾害在各月都有分布,中型和大型蓝藻水华灾害主要分布在5月和7~9月.评价结果表明该方法具有一定的科学性和适用性.     

太湖水华期营养盐空间分异特征与赋存量估算

基于2013年7月的空间高密度采样数据,对太湖水华期水体营养盐进行了空间分异特征分析及赋存量估算,探讨了大型浅水湖泊不同生态类型湖区水华与营养盐的相关关系及样点设置的代表性.结果发现,水华期太湖水体营养盐及叶绿素a浓度(CHL)总体上均呈现由西北向东南降低的趋势;氮主要以溶解态存在,占总氮(TN)的76.28%,磷主要以颗粒态赋存,占总磷(TP)的66.38%.采用主成分分析和聚类分析,可以将采样点分为相互之间具有显著性差异的4个区域:第一区位于西北湖区,代表水华严重的重富营养湖区;第二区主要包括梅梁湾及南太湖的入湖河口一带湖区,代表水华和富营养化程度都相对中等的湖区;第三区包括湖心区和西南湖区,代表中等污染但水华频现湖区;第四区包括贡湖湾、胥口湾和东太湖等其他区域,代表水华影响较弱、水质较好湖区.分区统计分析表明,不同湖区影响浮游藻类生长的因子也不同:从全湖来看,与CHL显著相关的营养盐指标为TP、TN、溶解性总氮(TDN)和硝态氮(NO-3-N),而在第一区则为TP和TDN,第二区为TN和TDN,第三区为TP、磷酸盐(PO3-4-P)和TDN,第四区为PO3-4-P、溶解性总磷(TDP)和亚硝酸盐(NO-2-N).基于空间插值获得调查期间太湖水体TN、TDN、TP和TDP的赋存量分别为12 800、9 800、445和150 t.研究表明,作为一个大型浅水湖泊,因蓝藻水华空间迁移积聚特征和生态类型异化等特征,太湖水华期的营养盐具有高度空间异质性,对于此类大型浅水湖泊的监测与评价,应当考虑点位的合理布设及结果的恰当解读,避免因监测布点和统计方法不当而以偏概全.     

应用遥感数据评价蓝藻水华对太湖取水口的影响

为量化蓝藻水华对太湖饮用水取水口的影响,将太湖矢量图进行栅格化,根据权重函数计算像元的权重因子;再将权重因子图与由遥感影像得到的水华分布图进行叠加,对对应像元进行影响因子计算;最后根据像元的影响因子求出归一化影响指数(NII),并以此进行影响评价.通过对2007年5月1~16日太湖MODIS EVI影像进行的实例分析和验证,表明该方法能较好地反映太湖水华对取水口的影响程度,与实际情况符合;在提出的3种权重函数模型中,负指数模型和正态分布模型能较好地反映蓝藻水华对饮用水取水口的影响程度,可以作为影响评价的权重模型.     

太湖春季和秋季浮游植物的光合作用活性

应用Phyto-PAM浮游植物荧光仪对2012年太湖浮游植物群落光合作用活性的时空分布进行测定. 结果表明:春季蓝藻、绿藻和硅/甲藻的F_v/F_m(最大光量子产量)分别为0.35~0.49、0.34~0.68和0.09~0.56;秋季则分别为0.34~0.53、0.55~0.68和0.28~0.61. 春季蓝藻、绿藻和硅/甲藻的NPQ(非光化学淬灭)分别为0.012~0.165、0.085~0.201和0.104~0.281,秋季则分别为0.035~0.263、0.052~0.118和0.048~0.301. RLC(快速光响应曲线)的特征参数表明,太湖浮游植物群落光能利用效率和光合作用速率具有显著时空差异. 相关分析表明,绿藻和硅/甲藻的光合作用活性与环境因子没有显著相关性;而蓝藻的F_v/F_m与RLC的特征参数呈显著正相关,与ρ(Chla)呈显著正相关(P<0.05,R=0.49),与SD(透明度)呈极显著负相关(P<0.01,R=-0.56),说明太湖蓝藻的光合作用活性与富营养化水平具有一致性. 从空间分布来看,草型湖区蓝藻的光合作用活性和ρ(Chla)均显著低于藻型湖区,表明水草能抑制蓝藻的光合作用活性和生长,进而降低蓝藻水华强度.