2016, Vol. 28 
(2: 常州市气象局, 常州 213022)
(3: 南京信息工程大学, 南京 210044)
(2: Changzhou Meteorological Bureau, Changzhou 213022, P. R. China)
(3: Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, P. R. China)
近几十年来蓝藻水华事件增多趋势已成为全球广泛关注的问题[1-2], 其中水体富营养化和气候变暖被认为是2个重要的原因, 但其对蓝藻水华的影响机制很复杂[3-4].Rigosi等[5]根据对1000个湖泊的最新研究表明, 富营养化和气候变暖及其相互作用对蓝藻水华的贡献主要依赖于水体的营养程度和藻类种群, 当水体变得更富营养时, 蓝藻水华对其相互作用也更敏感, 但营养盐浓度是预测蓝藻水华的更重要因子.一般认为, 充足的营养物质和适宜的气象水文条件是蓝藻水华发生的必要条件, 而在湖泊水质富营养化程度长期得不到控制的情况下, 气象条件可能成为其主要限制因子[6-8], Zhang等的研究表明, 气候变暖是近20年来太湖蓝藻水华次数增多和强度增强的主要原因.现有的研究已证实, 气温与风[10-12]、光照和降水[13]等气象因子都会对蓝藻生长和水华形成产生重要影响, 而不同的气象因子及其在蓝藻生长和水华形成的不同阶段所起的作用也可能明显不同.有些学者认为温度起着重要作用.如Peperzak[14]就认为蓝藻水华的发生主要是由于水温升高而引发; 2007年太湖蓝藻水华的提前暴发, 当年冬、春季异常偏高的气温也被认为是其关键诱因[15].另外有些研究证实温度是影响蓝藻复苏的关键因子.如吴晓东等[16]认为气温升高使得太湖的水温升高, 从而提高蓝藻的原位生长速率; 陶益等[17]在室内复苏模拟实验中确定了太湖藻类复苏的温度阈值:在水体温度达到14℃时蓝藻开始少量进入水柱中; 谭啸等[18]发现蓝藻在12.5℃时开始复苏, 且复苏后的蓝藻具有较高的比生长速率, 有利于其确立优势地位而形成水华; Zhang等[19]也证实春季温度的波动很可能会促进水华蓝藻种群优势地位的更早确立. Cao等[20]发现在实验室里蓝藻复苏的气温介于5~9℃之间, 进入水体的气温也为14℃, 而在太湖实地观测中, 蓝藻复苏和进入水体的气温都是9℃, 可见由于实验室环境与野外明显不同, 因此观测得到的蓝藻复苏温度也存在明显差异.在蓝藻复苏以后, 虽然一般认为温度对蓝藻生长的作用可能并没有那么重要, 但水华的暴发却与高温密切相关, 黄炜等[22]认为太湖微囊藻的最适生长温度为30~35℃, 水库中的围隔实验也证实当水温为26℃时, 最适宜于微囊藻的聚集、上浮而形成水华[23].上述研究都表明，温度对蓝藻复苏、生长和水华形成及暴发都起着重要甚至关键作用, 但这些研究大多基于实验室或短时间、局部的实地观测数据, 对于太湖这样一个大型浅水湖泊(面积达2338 km2), 蓝藻水华面积也常达数百平方公里, 短时间、局部的实地观测或者基于实验室的研究显然难以客观反映蓝藻水华与环境温度之间的关系.
因此, 本文利用太湖湖面及周边地区较长时间、连续高频的气象观测数据及同步卫星监测数据, 深入分析太湖蓝藻水华形成的温度特征, 为进一步研究蓝藻水华形成机理提供理论依据, 为太湖蓝藻水华的预测、预警和防控提供技术支持.
1 资料与方法 1.1 资料气象资料来源于江苏省气象局, 主要选用太湖周边区域的湖州、宜兴、无锡、苏州、吴中和东山6个基本站2003-2013年的逐日气温观测资料、湖面及周边23个区域自动站2009-2013年的逐时气温观测资料(图 1).
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图 1 气象数据采样点位置 Fig.1 Location of the sampling meteorological sites |
卫星数据来源于国家卫星气象中心和江苏省气象局, 选用2003-2013年的Aqua/Terra卫星(EOS/MODIS)和FY-3卫星(MERSI)观测的影像数据, 空间分辨率为250 m.
1.2 太湖蓝藻的遥感解译方法在蓝藻水华的众多遥感解译方法中[24-26], 归一化植被指数法(NDVI)是目前常用的一种方法:
| $ NDVI = ({\rho _{{\rm{nir}}}}-{\rho _{{\rm{red}}}})/({\rho _{{\rm{nir}}}}+{\rho _{{\rm{red}}}}) $ | (1) |
式中，ρnir为近红外波段反射率, 分别对应于MODIS第2通道和MERSI第4通道的反射率值, ρred为红光波段反射率, 分别对应于MODIS第1通道和MERSI第3通道的反射率值.蓝藻水华的NDVI阈值需根据观测时刻的大气状况、卫星天顶角并结合目视情况确定, 范围在-0.15~0.10.本文用NDVI法解译得到2003-2013年累计805幅太湖蓝藻水华面积≥1 km2的卫星遥感影像, 分别计算得到蓝藻水华的频次、面积、时间及位置信息等.
大面积的蓝藻水华暴发对太湖水质及周边城市饮用水的影响尤其明显, 为此, 本文将专门分析大面积蓝藻水华形成与气温的关系.定义单次蓝藻水华面积超过太湖水面面积的20%或468 km2以上的为大面积蓝藻水华, 得到大面积蓝藻水华卫星遥感影像样本62个, 除2003年以外其它年份均有发生.
1.3 蓝藻水华出现概率的计算方法为考察各气温区间对蓝藻水华形成的影响, 考虑到各气温区间内适宜卫星遥感的“晴空”日数可能存在明显差异, 因此仅使用蓝藻水华出现的频次及其占比并不能客观反映各气温区间的影响.为此, 计算蓝藻水华出现的概率(Pi):
| $ {{P}_i} = {T_i}/{T_{{\rm{total}}}} \times 100\% $ | (2) |
式中，Pi为第i气温区间内蓝藻水华出现概率, Ti为第i气温区间内蓝藻水华出现日数, Ttotal为第i气温区间内除去云量≥8的总日数.
为考察蓝藻水华的发生与气温之间的关系, 采用非线性统计回归方法拟合蓝藻水华概率与气温之间的关系.
1.4 界限温度的计算方法农学和气象学上把具有普遍意义的、标志某些重要物候现象或农事活动之开始、终止或转折点的日平均温度称作界限温度.为了解太湖蓝藻水华生育进程与气温的关系, 本文引用界限温度的概念, 并用五日滑动平均法来计算稳定通过界限温度的时间.初日的算法:从春季达到该界限温度的第1 d开始, 计算第1~5 d的平均值, 将此平均值作为第1 d的五日滑动平均值; 再求第2~6、3~7 d……以此类推, 选取五日滑动平均值大于该界限温度并且之后均大于该界限温度的连续5 d, 把这连续5 d中的第1 d作为界限温度的初日；终日的算法:从秋季日平均气温第一次出现低于某界限温度之日起, 向前推4 d, 按日序依次计算出每连续5 d的平均气温, 并从中选出第一个出现 < 该界限温度且在其后不再出现5 d平均气温高于该界限温度的前一个连续5 d, 此5 d中最后一个日平均气温≥该界限温度的日期即终日.
2 结果 2.1 蓝藻水华形成的温度分布2003-2013年卫星监测到太湖蓝藻水华时对应的当日日平均气温范围为0~35.0℃(图 2), 而卫星监测时刻所在的1 h平均气温最高为38.7℃, 出现于2013年8月9日13:00, 蓝藻水华面积为112.6 km2, 最低气温为2.8℃, 出现于2005年12月18日10：00, 蓝藻水华面积为450.7 km2.表明蓝藻水华形成的温度范围十分宽泛, 在0℃≤日平均气温≤35.0℃或2.8℃≤小时平均气温≤38.7℃的情况下, 太湖都有可能出现蓝藻水华的聚集现象.
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图 2 2003-2013年太湖蓝藻水华面积及对应气温分布 Fig.2 Cyanobacteria bloom area and corresponding daily mean temperature in Lake Taihu during 2003-2013 |
将日平均气温按每隔5℃分成7个温度区间, 统计太湖蓝藻水华在各气温区间的频次与面积及各自所占比例(表 1)，结果可见, 蓝藻水华频次随气温升高而增大, 0~5℃区间频次最少, 占比仅2%, 25.1~30.0℃区间达峰值, 占比28%, 15.1~35.0℃气温区间累计频次占比达85%; 蓝藻水华累计面积总体上也随气温升高而增大, 但最小值出现在10.1~15.0℃气温区间, 占比仅1%, 而最大值仍出现在25.1~30.0℃区间, 占比达31%, 15.1~35.0℃气温区间累计面积占比达90%.
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表 1 2003-2013年各气温区间太湖蓝藻水华面积及频次占比 Tab.1 The accumulate area and accumulate frequency proportion of cyanobacteria bloom in each mean temperature range during 2003-2013 |
各气温区间大面积蓝藻水华的频次与面积及占比情况可见, 大面积蓝藻水华的出现也几乎覆盖了0℃以上的气温区间, 其中在20℃前各气温区间的频次和面积占比相对平稳增加, 但20℃后明显增大, 在25.1~30℃间均达最大, 频次和面积占比分别为40%和38%, 而日平均气温在20.1~35℃区间累计频次和面积占比分别为72%和73%.表明大面积蓝藻水华主要出现在日平均气温≥20℃的情况下, 其中25.1~30℃为高发区间(表 2).
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表 2 2003-2013年各气温区间太湖大面积蓝藻水华面积及频次占比 Tab.2 The accumulate area and accumulate frequency proportion of wide area cyanobacteria bloom in Lake Taihu in each mean temperature range during 2003-2013 |
1℃气温区间蓝藻水华概率与平均面积分布图(图 3)可见, 蓝藻水华概率随气温升高而波动增大，概率与气温呈如下关系:
| $ {p = }{\rm{0}}{\rm{.063}}{{t}^2}-0.741t + 7.773 $ | (3) |
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图 3 蓝藻水华概率和平均面积与气温(1℃区间)的分布 Fig.3 The distribution curve between probability, mean area of cyanobacteria bloom and mean temperature in Lake Taihu |
式中, p表示蓝藻水华概率, t表示气温, R2=0.89(p0.01=0.41282), 通过0.01显著性检验.
蓝藻水华平均面积随气温的升高变化不大, 总体上沿均值上下波动, 但其中有2个明显的低值点需要引起注意.第一个低值点位于4℃而不是0℃附近, 这表明虽然进入冬季后气温显著下降, 但由于入冬后蓝藻的沉降和休眠有一个滞后的时间, 前期累积的生物量在一般甚至不适宜的气象水文条件下仍能形成蓝藻水华, 证明了蓝藻水华在入冬后比春季具有更强的耐受低温的能力, 蓝藻水华复苏所需的气温明显高于衰亡所需要的气温, 事实上, 在大部分年份的12月或1月卫星都观测到了蓝藻水华现象, 最低日平均气温为0℃.另一个低点在35℃附近, 之前在15~33℃区间平均面积围绕均值波动, 至33℃达相对高点后急速向下, 表明在日平均气温达33℃左右后蓝藻水华平均面积迅速减小.
3 讨论在1980s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生长和水华形成, 而1980s以后, 尤其是1990s以后, 气候变化有利于太湖蓝藻生长和水华形成[27-28].在此背景下, 在中小型湖泊较多的我国长江中下游地区, 多数湖泊正处于富营养化或已经重度营养化[29], 因而近年来蓝藻水华频率增加、程度加重的趋势较明显, 如巢湖、阳澄湖、鄱阳湖等, 甚至连一些水库都出现了不同程度的蓝藻水华[30-31].气候变化和水质富营养化及其相互作用对蓝藻水华的影响较为复杂, 但现有研究结果表明这两种过程可能增强蓝藻水华的频率和程度[3-5], 因此需要进一步深入研究气温对蓝藻水华形成机制的影响.
3.1 蓝藻水华的四阶段划分及气温指标在长期的生存繁衍进程中, 蓝藻逐渐形成了与自然气候交替变化相似的周期变化特征.孔繁翔等[6]提出蓝藻生长与水华形成的四阶段理论假说, 即休眠、复苏、生物量增加和上浮和积聚.作者在此基础上依据蓝藻水华与气温的关系, 试图获取蓝藻水华四阶段的定量气温指标及对应日期.按时间序列将日平均气温分成间隔为5℃的14个温度区间, 统计太湖蓝藻水华在各气温区间的面积和频次所占比例, 结果表明太湖蓝藻水华面积和频次占比曲线均呈单峰形状, 有3个相对明显的拐点, 分别是4月15日(稳定通过该温度的日期, 下同)的15℃, 7月24日的30℃和11月4日的15℃(图 4).根据曲线主要拐点, 结合四阶段理论假说, 将蓝藻生长与水华形成划分为4个阶段:休眠期、复苏期、增长期和衰退期.在休眠期(日平均气温0~5℃, 对应日期为2月23日前), 蓝藻生命代谢过程可能基本停止, 卫星观测不到蓝藻水华；在复苏期(日平均气温5~15℃, 2月23日至4月15日), 蓝藻生理、生化活性缓慢恢复, 群体形成, 在适宜的气象、水文环境条件下上浮形成水华, 卫星开始观测到蓝藻水华形成, 但频次和面积占比均很小, 仅分别为0.27%和0.02%；在增长期(日平均气温15~30℃, 4月15日至7月24日), 随着气温的升高, 蓝藻光合作用强, 细胞增殖快, 生物量迅速增长, 在适宜的环境条件影响下大量聚集形成水华, 卫星观测到蓝藻水华的频次和面积迅速增加, 分别在30~35℃和35~30℃区间达到峰值, 占比达19.27%和21.63%；此后, 蓝藻水华可能进入衰退期(30~0℃, 7月24日以后), 随气温的逐渐下降, 蓝藻水华频次和面积占比也降低, 但在较长一段时间内气温处于蓝藻水华的适宜温度范围, 因此频次和面积仍维持较高水平, 至15℃(11月4日)后迅速下降直至0, 将这一子阶段称为蓝藻水华的下沉期.
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图 4 太湖蓝藻水华的主要阶段划分及对应的气温与日期 Fig.4 The main phase division of cyanobacteria bloom and corresponding critical temperature and date in Lake Taihu |
确定各阶段温度指标可以掌握蓝藻水华的生育进程及时间节点, 有助于蓝藻水华的预测预警和科学防控.复苏期起始温度为日平均气温稳定通过5℃, 而实际日平均气温应该明显高于5℃, 同时考虑到此时太湖水体温度要高于气温且存在垂直水温差, 因此这一界限温度指标与Cao等[20]的5~9℃气温及Reynolds[32]的7~8℃水温基本吻合.从卫星观测到的太湖蓝藻水华逐月频次和面积(表 3)可以看出, 卫星观测到蓝藻水华的最早日期为3月9日, 在此前的1月中旬至2月下旬期间都没有蓝藻水华, 因此, 将未观测到蓝藻水华的一段时期称为休眠期, 事实上, 1-2月太湖湖区底泥表面藻蓝素浓度为年内最低[33].对应秋季温度为15℃(对应日期为11月4日), 蓝藻水华开始进入下沉期, 这一指标与相关文献相似:Abbots池塘中微囊藻的下沉临界温度为8~12℃[34], Rosherne湖中微囊藻的下沉临界温度为9~11℃[35], Harbeesport水库中微囊藻的临界温度 < 12.8℃[36], 吴晓东等[37]也证实11月时太湖蓝藻水华大量下沉进入底泥.
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表 3 2003-2013年太湖蓝藻水华月累计频次和面积 Tab.3 The accumulate area and frequency of cyanobacteria bloom in each month in Lake Taihu during 2003-2013 |
气温对不同阶段蓝藻生长和水华形成会产生不同的影响.根据分析结果, 在复苏以后, 蓝藻水华出现的气温范围覆盖了日平均气温为0~35.0℃区间, 表明气温并非复苏后蓝藻水华出现与否的主要限制因子.但气温对蓝藻的复苏生长起着关键作用.相关的研究已证实蓝藻的生长复苏需要达到一定的水温条件[19, 21, 37].较高的气温对蓝藻生长和水华形成具有促进作用.太湖蓝藻水华出现的概率与气温呈二次正相关关系, 与文献[21, 31]结论基本相符, 平均面积随气温在均线上下波动, 但日平均气温达33℃后平均面积迅速减小, 说明在33℃以上高温情况下, 蓝藻的增殖受到一定程度的抑制.在2013年7月1日至8月14日, 太湖地区出现创历史极值的持续高温晴热天气, 虽然期间观测到蓝藻水华频次为2007年以来同期最多, 但单次最大面积和平均面积却为同期最小, 这一观测事实也证实了上述结果.卫星观测到蓝藻水华主要出现在日平均气温为15.1~35.0℃, 而在25.1~30.0℃区间内频率最高, 累计面积也最大, 大面积蓝藻水华高发区间也为25.1~ 30.0℃, 表明太湖蓝藻水华的最适宜气温区间为25.1~30.0℃, 与Hua等[23]的实验结果基本相符.
尽管对于长江中下游地区其它湖泊蓝藻水华的研究远不如太湖这么多, 但已有研究得到了类似的结果.如关于蓝藻水华暴发的最适宜温度, 淀山湖为24.2~30.5℃[29], 巢湖为22.0~30.0℃[39], 阳澄湖为前5 d平均气温30℃[40]; 关于蓝藻水华的不同阶段说法, 吴晓东等[37]认为巢湖也存在与太湖类似的下沉越冬和春季复苏规律.因此, 本文有关太湖蓝藻水华形成的温度特征的研究结果, 也可以为研究长江中下游地区其它湖泊蓝藻水华的规律提供参考.
4 结论1) 气温对太湖蓝藻的复苏生长和水华形成、衰退及大面积暴发具有重要作用.在蓝藻复苏后, 在日平均气温0~35.0℃区间都能观测到蓝藻水华现象, 表明气温并非复苏后蓝藻水华出现与否的主要限制因子.适度高温有利于蓝藻水华形成, 太湖蓝藻水华主要出现在日平均气温为15.1~35.0℃的区间, 日平均气温25.1~30.0℃区间为蓝藻水华频发区, 也是大面积蓝藻水华集中暴发区.
2) 太湖蓝藻水华出现的概率随平均气温的升高而增大, 二者呈二次正相关关系, 而平均面积随气温在均线上下波动, 日平均气温达33℃后平均面积迅速减小, 表明日平均气温在33℃以上时蓝藻水华受到抑制.
3) 太湖蓝藻水华可分为4个阶段:休眠期、复苏期、增长期和衰退期, 对应的起始和终止界限温度分别为(0℃，5℃)、(5℃，15℃)、(15℃，30℃)和(30℃，0℃), 根据界限温度可以计算出每年蓝藻水华的各个生育阶段对应的时间节点, 从而为防控提供依据.
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