垂直迁移与上层湍流相互作用导致有害鞭毛藻聚集机制及其对水产养殖风险研究

本研究通过大涡模拟（LES）耦合拉格朗日粒子追踪模型，揭示风浪驱动下三种有害鞭毛藻（Chattonella marina、Karenia mikimotoi、Margalefidinium polykrikoides）的昼夜垂直迁移（DVM）与上层海洋湍流的互作机制。发现低风速时藻类通过朗缪尔环流（Langmuir circulations）形成水平聚集带，浓度提升达10倍；强湍流则抑制表面聚集。该成果为有害藻华（HABs）监测与水产养殖风险管理提供关键时空尺度（100–101 m/h）理论依据。

　　

Highlight

有害藻华（HABs）对水产养殖的威胁源于藻细胞密度超阈值引发的生物毒性。本研究通过数值实验证明，鞭毛藻的垂直游泳行为与上层海洋物理过程的相互作用可在数小时内引发显著聚集，其速率远超藻类自然生长速度。

Results (结果)

图2展示了水平平均水温（上图）和三种有害鞭毛藻模拟粒子数的垂直分布时序变化。多数情况下，粒子数在下午（15:00–16:00）表层达到峰值，恰逢向下迁移 phase 启动前。当风速U₁₀ = 2.0 m s^?1时（左图），表层混合层（定义为水温比表层低0.01°C以内的深度）于午后因湍流增强而加深。所有藻种均呈现午后表层聚集特征，但慢速游泳种Chattonella的聚集程度受湍流抑制更显著。低速游泳的Chattonella在强风下（U₁₀ = 5.0 m s^?1）最大浓度深度下移，而快速游泳种M. polykrikoides仍维持近表聚集。低风速时（U₁₀ = 1.5–2.0 m s^?1），M. polykrikoides粒子在水平汇聚流场中形成条带状聚集带，浓度提升达一个数量级。

Discussion (讨论)

渔业损害与藻细胞密度密切相关，因此解析密度时空变化对HABs防控至关重要。本研究揭示了三种有害鞭毛藻因游泳速度差异与湍流互作产生的特异性聚集行为：

1. 1.
   垂直聚集由昼夜迁移（DVM）与湍流协同驱动，午后表层浓度达夜间的数倍；
2. 2.
   水平聚集源于M. polykrikoides上升速度与朗缪尔环流下沉流的动态平衡；
3. 3.
   强湍流（高风速）破坏聚集格局，尤其对慢速藻种影响显著。
   这些聚集过程发生于10⁰–10¹小时尺度，快于藻类生长，凸显了在HABs监测中除增殖外还需重点考量物理-生物耦合聚集效应。