环境因素对黄海赤潮爆发调控作用的研究：一种时空尺度降维的数值重建方法

《Marine Environmental Research》：The regulatory effect of environmental factors on green tide blooms in the Yellow Sea: A spatio-temporal downscaling numerical reconstruction method

绿潮时空演化机制及三箱模型应用研究。通过构建时空降尺度数值模型，揭示黄海中缘藻绿潮时空演变规律，发现其发生时间与全球变暖呈显著正相关（p<0.01），营养盐（DIN、DIP）浓度与绿潮规模呈剂量效应关系。

　　自2007年以来，中国黄海地区由于**Ulva prolifera**（绿潮）的反复爆发，出现了显著的绿潮现象。然而，尽管绿潮的频率和规模逐渐增加，其具体的时间窗口和空间分布范围仍不明确。本研究通过构建一种与绿潮时空对应关系相关的下尺度数值重建方法，旨在揭示**U. prolifera**绿潮爆发的关键过程。基于对时空下尺度分析的应用，研究者识别了2008年至2021年间**U. prolifera**在黄海的绿潮块漂移路径及其生长与消亡过程。通过使用一个三箱的营养-绿潮-碎屑（NUD）模型，成功再现了**U. prolifera**的生长与消亡过程。研究发现，绿潮的出现时间呈现出逐渐提前的趋势，这种变化与全球气温上升密切相关。此外，溶解性无机氮（DIN）和溶解性无机磷（DIP）的含量在很大程度上决定了绿潮的规模，其与DIN和DIP负荷之间存在显著的正相关关系（p < 0.01）。这些发现为理解在全球变暖和沿海富营养化的背景下，**U. prolifera**绿潮的调控机制提供了新的视角。

绿潮的防控与治理一直是一项挑战性任务，尤其是在黄海地区。这主要是由于对**U. prolifera**生长和消亡机制的了解有限。这种知识的缺失源于不连续的现场监测和遥感数据的限制，以及在实地实验中的困难，同时还缺乏有效的生物地球化学建模方法。因此，为了更准确地理解和预测绿潮的动态变化，建立一个能够定量分析其生长与消亡过程的模型显得尤为重要。研究者们已经开发了多种模型，如漂移模型、三箱NUD模型以及结合三维水动力学与NUD的耦合模型。然而，这些模型在描述环境因素的驱动机制方面仍存在不足，导致其在预测和模拟绿潮变化时的准确性较低。因此，迫切需要一个能够综合考虑多种环境因素的多因素驱动生态动力学模型，以实现对绿潮生长与消亡过程的数值重建。

绿潮现象不仅影响海洋生态系统，还对沿海地区的经济发展产生重大影响。例如，黄海地区的绿潮严重制约了山东和江苏两省的高质量经济发展。尽管近年来在绿潮防控方面投入了大量资源，但黄海地区的生态环境问题仍然突出。因此，本研究的主要目标是构建和开发一个能够模拟黄海地区**U. prolifera**绿潮生长与消亡过程的数值模型，并进一步分析环境因素对其生长与消亡的影响，从而为消除绿潮灾害提供技术支持。

为了实现这一目标，研究者采用了一种基于“映射”概念的时空矩阵下尺度方法。这种方法可以将三维的时空数据压缩为二维的空间轨迹数据，从而简化复杂的空间和时间变化过程。通过这种下尺度方法，研究者能够将**U. prolifera**的覆盖面积变化转化为漂移路径和时间序列的变化。这种方法的引入为定量研究提供了新的工具，有助于更精确地理解绿潮的动态变化。

在研究过程中，研究者首先建立了自2008年以来黄海地区**U. prolifera**覆盖面积及其相关环境因素的三维时空矩阵。这一矩阵显示了不同子区域（如南通、连云港和青岛）在2008年后的显著变化趋势，呈现出明显的倒“V”形变化模式。以2018年**U. prolifera**在不同地区的覆盖面积为例，研究者对三维数据进行了逐步下尺度处理，以获得更精确的漂移路径和时间序列信息。这种下尺度方法不仅提高了模型的准确性，还为绿潮的预测和管理提供了更加直观的数据支持。

此外，研究者还通过多种手段收集和整合了数据，包括遥感监测、现场实验和生物地球化学建模。这些数据的结合使得研究者能够更全面地分析绿潮的形成与演变过程。例如，遥感数据提供了大范围的绿潮覆盖面积信息，而现场实验则有助于验证模型的预测结果。生物地球化学建模则能够模拟营养物质的循环过程，从而揭示绿潮的形成机制。通过这些方法的综合应用，研究者能够更准确地再现绿潮的动态变化，并为未来的研究和管理提供科学依据。

在模型构建方面，研究者采用了三箱NUD模型，这是一种能够模拟营养物质、绿潮和碎屑之间相互作用的模型。通过这一模型，研究者成功再现了**U. prolifera**的生长与消亡过程，并揭示了其与环境因素之间的复杂关系。例如，研究发现，**U. prolifera**的生长与消亡不仅受到营养物质供应的影响，还受到海表面温度（SST）和光合有效辐射（PAR）等环境因素的调控。这些因素共同作用，影响绿潮的形成与消退。然而，目前的研究仍未能完全揭示这些环境因素在绿潮动态中的具体作用机制，因此，进一步的定量研究仍然十分必要。

研究者还通过分析绿潮的漂移路径，发现其在黄海地区的分布呈现出从南向北、从东向西的总体趋势。这种漂移模式与海洋动力学条件密切相关，包括风、洋流和波浪等自然因素。因此，理解这些动力学条件对绿潮漂移的影响，有助于更准确地预测其空间分布。同时，研究者发现，绿潮的初始爆发时间窗口也呈现出逐渐提前的趋势，这与全球气温上升密切相关。因此，在全球变暖的背景下，绿潮的出现时间可能会进一步提前，从而对沿海生态系统和人类活动产生更大的影响。

为了更全面地理解绿潮的形成机制，研究者还对绿潮的初始规模进行了分析。研究发现，绿潮的初始规模是其后续发展的关键因素之一。因此，在防控绿潮的过程中，监测和管理其初始规模具有重要意义。此外，研究者还探讨了绿潮对沿海经济的影响，指出其对渔业、旅游业和海洋生态保护等方面均产生了负面影响。因此，建立一个能够有效预测和管理绿潮的模型，不仅有助于保护海洋生态环境，还能为沿海地区的可持续发展提供支持。

在研究方法上，研究者采用了多种技术手段，包括数据采集、建模分析和结果验证。通过遥感数据和现场监测数据的结合，研究者能够更准确地获取绿潮的覆盖面积和分布情况。同时，通过实地实验，研究者能够验证模型的预测结果，并进一步优化模型参数。此外，研究者还利用生物地球化学建模方法，模拟了营养物质的循环过程，并分析了其对绿潮形成的影响。这些方法的综合应用，使得研究者能够更全面地理解绿潮的动态变化，并为未来的研究和管理提供科学依据。

研究的成果表明，全球变暖和沿海富营养化是绿潮形成和发展的主要驱动因素。因此，在未来的研究和管理中，需要更加关注这些环境因素的变化趋势，并采取相应的措施加以调控。例如，减少污染物排放、加强海洋生态保护和优化海洋资源管理，都是有效防控绿潮的重要手段。此外，研究者还指出，绿潮的防控和治理需要多学科的协作，包括海洋学、生态学、环境科学和遥感技术等。只有通过这些学科的交叉融合，才能更全面地理解绿潮的形成机制，并制定更加科学和有效的防控策略。

本研究的贡献在于，通过构建和开发一种新的数值重建方法，成功再现了**U. prolifera**绿潮的生长与消亡过程，并揭示了其与环境因素之间的复杂关系。这种方法不仅提高了对绿潮动态变化的理解，还为未来的绿潮预测和管理提供了新的工具。同时，研究还发现，绿潮的漂移路径和时间窗口的变化与全球气温上升密切相关，这为全球变暖背景下绿潮的长期监测和预测提供了重要参考。此外，研究者还通过分析绿潮的初始规模，指出其在绿潮发展中的关键作用，这为绿潮的早期预警和干预提供了科学依据。

综上所述，本研究通过构建一种新的数值重建方法，结合多种数据来源和建模技术，成功揭示了**U. prolifera**绿潮的形成机制及其与环境因素之间的关系。研究结果不仅有助于更准确地预测绿潮的动态变化，还为全球变暖和沿海富营养化背景下绿潮的防控和治理提供了重要的科学支持。未来的研究可以进一步优化模型参数，提高预测精度，并探索更多环境因素对绿潮的影响，以期为海洋生态保护和可持续发展提供更加全面的解决方案。