基于气象条件的太湖“湖泛”成因分析

中国环境学会  2011年 06月22日

  王成林1,2,陈黎明3,黄娟4,钱新1**
  (1.污染控制与资源化研究国家重点实验室,南京大学环境学院,南京,210093;2.解放军理工大学气象学院,南京,211101;3.南京水利科学研究院,南京,210029;4、江苏省环境监测中心,南京,210036)
   
  摘  要  2007年与2008年5月太湖水域“湖泛”主要是由蓝藻水华引发的,但是蓝藻水华在湖湾或岸边浅水区大量堆积并不一定引发“湖泛”。本文研究发现2007年与2008年5月的“湖泛”现象存在相同的触发机制:三天以上时间维持高温(平均气温大于20℃)、微风(平均风速小于4m/s)、风向基本一致(风向平均绝对偏差小于20度);其后,冷空气过境使得风速短时增大、风向调转180度左右、气温迅速降低,并且这种气象条件持续1天以上。


  关键词  太湖 藻源性“湖泛” 外因 触发机制 冷空气
  中图分类号  P49:X524
   
  The analysis based on meteorological condition on causes of ‘Hufan’ induced by cyanobacteria bloom in Tai-hu Lake
  Zhang Ninghong1 WANG Chenglin2, Zhang Yong1,Huang Juan1
  (1. Jiangsu Provincial Environmental Monitoring Center, Nanjing, 210036, China; 2.PLA University of Science and Technology, School of Meteorology, Nanjing 211101,China)
   
  Abstract: ‘Hufan’ phenomenon in Tai-hu Lake in May, 2007 and 2008 were mainly induced by cyanobacteria bloom. But cyanobacteria bloom which moves and masses in the bay or shallow area does not alwayse result in ‘Hufan’. This paper analyzes conventional observational data from Wuxi meteorological observing station around Tai-hu Lake in May, 2007 and 2008.. It indicates that the external causes and trigger mechanism leading to ‘Hufan’ induced by cyanobacteria bloom is high air temperature, gentle breeze and nearly invariable wind direction, which must be kept for more than 3 days. After this, the cold air mass passes across Tai-hu basin, which induces almost counter-direction wind with temporary higher speed and lower air temperature in more than 1 days.
  Keywords: Tai-hu lake, ’Hufan’ induced by cyanobacteria bloom, external causes, trigger mechanism, cold air mass
   
  有关太湖水域“湖泛”,至今没有统一的定义与解释。谢平[1]研究认为, “湖泛”是太湖流域人们流传着一种水污染现象。其往往在枯水年低水位期,于黄梅期或在汛间低水位、高温少雨晴好天气之际,在湖湾底泥沉积较厚的浅水区,由于太阳辐射增强,水温升高,底泥发生强烈厌氧分解,释放出甲烷、硫化氢等气体,水质变劣产生臭味形成的。而陆桂华等[2]研究解释为,“湖泛”(亦称黑水团或污水团)是指湖泊富营养化水体在藻类大量暴发、积聚和死亡后,在适宜的气象、水文条件下,与底泥中的有机物在缺氧和厌氧条件下产生生化反应,释放硫化物、甲烷和二甲基三硫等硫醚类物质,形成褐黑色伴有恶臭的“黑水团”,从而导致水体水质迅速恶化、生态系统受到严重破坏的现象。上述两种定义与解释的最大不同点是,后者强调“湖泛”是由蓝藻水华引发的。
  2007与2008年5月太湖水域“湖泛”主要是由蓝藻水华引发的。孔繁翔[3, 4]、陆桂华等[2]研究了2007年和2008年的“湖泛”现象,一致认为近年来太湖“湖泛”产生的主要原因是,近30年的经济迅速发展,太湖周边经济发达城市(如无锡、常州、苏州等)的工业、农业、生活尾水不断汇入太湖,使得太湖水体富营养化程度日益加重,造成蓝藻水华频繁暴发,在湖湾、沿岸等浅水区大量堆积,腐烂沉降,在适当的气象和水文条件下,与水底陆源污染物混合在一起发生强烈厌氧反应,其反应的产物进入水体及水表,形成黑臭污水团。这种太湖水污染现象与人们流传的“湖泛”有所区别,本文将这种主要由蓝藻水华引发的水污染现象称为藻源性“湖泛”(以下简称“湖泛”)。
  气象条件对蓝藻水华的形成和迁移聚集有着重要的影响,是引发“湖泛”的重要诱因。吴晓东[5],孔繁翔[4, 6]等研究发现高温、强光照的条件有利于蓝藻生物体的生长;孙小静[7]、尤本胜[8]等研究发现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。所以,较长时间维持高温、微风气象条件是蓝藻水华大面积暴发的主要外因之一。陆桂华等[2]从风向、气温、降水三个方面分析了气象条件对“湖泛”的影响,其认为太湖相对稳定的风场导致了藻类在太湖西北沿岸大量堆积、气温持续升高促进了藻类死亡和不完全分解、降水较少导致了水位偏低,有利于“湖泛”发生。由此可见,高温、微风气象条件有利于藻类单体的生长和水华的形成,稳定的风向导致藻类在局部地区大量堆积,同时高温也有利于藻类死亡和不完全分解,这是“湖泛”形成的气象条件。
  然而,蓝藻水华在湖湾或岸边浅水区大量堆积并不一定引发“湖泛”,所以2007年与2008年5月的“湖泛”现象必定存在特异的外界诱因。上世纪90代后期至今,太湖几乎每年都发生较大面积蓝藻水华,大量藻华常常在湖湾、浅水区堆积,但并不是每次都形成像2007年与2008年5月的“湖泛”现象。所以,关于触发2007年与2008年5月太湖“湖泛”现象形成的外界诱因研究,将是能否进行“湖泛”预警的关键所在。国内外有关“湖泛”形成的外界触发机制研究尚不多见[2],本文据此将从气象学角度分析这种触发机制。


  1 2007与2008年5月太湖水域“湖泛”期间气象条件特征分析


  针对上述两次“湖泛”发生的时间,本文分别选择2007年5月18日00时(世界时,下同)至2007年5月29日21时、2008年5月13日00时至2008年5月24日21时两个时段无锡气象观测站(站号为58354)实测的气象四要素进行分析。这四个要素分别为气压、风速、风向、气温,每日观测时间为00时、03时、06时、09时、12时、15时、18时、21时,共计8次观测。图1、图2中a、b、c、d图分别为上述气象四要素随时间的变化序列。
  对比图1与图2可以发现,这两个时段各气象要素变化非常相似,都是由稳定到突变的过程。将2007年5月19日06时至24日03时、2008年5月14日09时至17日21时分别定义为这两次“湖泛”形成前的稳定阶段,结合表格1可以看出,这一时段内持续时间都超过72小时(大于3天),气压最大降幅都超过10hpa,平均气温都大于20℃,最高气温都高于30℃,平均风速小于4m/s,平均风向都为东南风(150度左右),平均风向绝对偏差都小于20度。所以,在“湖泛”形成前气象要素演变的共同特征为:气压逐渐降低、风速较小、风向基本一致、气温逐渐升高;将2007年5月24日06时至25日06时、2008年5月18日00时至19日03时分别定义为这两次“湖泛”形成时的突变阶段,从表1中可以看出,在这一时段内持续时间都超过24小时(大于1天),气压最大升幅都超过7hpa,平均气温都大于20℃,最高气温都低于30℃,平均风速增大(大于稳定阶段平均风速,且存在短时风速大于6m/s),平均风向都为西北风(大于300度)。所以,在“湖泛”形成时气象要素演变的共同特征为:气压迅速升高、风速短时增大、风向顺时针偏转接近180度、气温迅速降低。
  在“湖泛”形成前后,出现上述天气现象是由于冷空气过境之前来自西太平洋的暖湿气团长时间控制着长江中下游地区,盛行东南风,风速较小,气温逐渐较高,气压逐渐降低,形成暖低压中心。当来自西北的较强冷空气过境后,风速增大,风向顺时针偏转为西北风,气温迅速降低,气压迅速升高,转为冷高压控制。这种天气现象的转变必将对太湖水动力、水生生物产生较大影响。
    表格 1 2007与2008年“湖泛”前后气象要素对比
  Table 1 The contrast of meteorological elements during “Hufan” between 2007 and 2008

                       个例名称

要素变化

20075月“湖泛”

20085月“湖泛”

稳定阶段

持续时间(单位:h

118

85

气压降幅(单位:hpa

13.8

13.2

平均风速(单位:m/s

3.2

3.03

平均风向(单位:度)

155.75

154.5

平均风向绝对偏差(单位:度)

19.31

18.5

平均气温(单位:℃)

25.06

22.38

最高气温(单位:℃)

31

32.8

突变阶段

持续时间(单位:h

25

28

气压升幅(单位:hpa

7.1

8.6

平均风速(单位:m/s

3.56

3.1

平均风向(单位:度)

302.22

342

平均风向绝对偏差(单位:度)

28.64

10.8

平均气温(单位:℃)

23.33

20.62

最高气温(单位:℃)

29.8

25

 

 

  2 太湖“湖泛”形成的外因及触发机制分析


  在太湖营养盐浓度没有得到有效控制的情况下[9, 10],上述2007年和2008年5月“湖泛”发生前,高温(平均气温大于20℃)、微风(平均风速小于4m/s)气象条件维持时间大于72小时,这使得蓝藻水华大面积暴发。其次,蓝藻水华在风向一致(平均风向绝对偏差小于20度)的东南风长时间驱动下,在下风向西北太湖沿岸浅水区域大量堆积(以平均流速10cm/s计算[11],72小时水平移动距离可达25.92km),下沉腐烂,发生厌氧反应。再次,在长时间一致风向驱动下,为了维持与风应力相平衡,水体会在下风向岸边堆积,形成沿岸流和下沉流。此下沉流也有利于蓝藻下沉,再加上长时间微风、高温使得垂直方向上水体扰动较小、水体层结稳定(表层温度高于底层温度)。这三种原因共同使得大量蓝藻较长时间维持在水底不发生再悬浮,在陆源污染物的共同作用下发生强烈厌氧反应,在水底形成大量黑臭污水团。
  当冷空气过境时,气压迅速升高、风速短时增大、风向顺时针偏转接近180度、气温迅速降低。首先,气温迅速降低,使得水体垂直方向温度梯度较小,其层积稳定度降低;其次,风速短时增大,使得水体垂直方向上扰动增大;再次,风速短时增大、风向180度调转,使得蓝藻水华大量堆积的岸边出现较强的离岸流,根据补偿原理,在离岸流出现的岸边会有涌升流产生。此三种原因共同作用,使得水底已经形成的大量黑臭污水团带至水表,形成“湖泛”现象。
  所以,“湖泛”形成的气象成因是:较长时间维持高温、微风、风向基本一致,使得蓝藻水华大面积暴发,并在下风向岸边浅水区大量堆积,下沉腐烂,发生强烈厌氧反应,在水底形成大量黑臭污水团。“湖泛”形成的触发机制是:冷空气过境使得风速短时增大、风向调转180度左右、气温迅速降低。这种气象条件的短时突变,触发了“湖泛”的形成。


  3 2007年与2008年“湖泛”发生地点不同的原因分析


  2008年“湖泛”发生在宜兴沿岸至竹山湾一带,在太湖的西北方向,而2007年发生在梅梁湾和贡湖湾一带,在太湖的东北方向。以太湖湖心为圆心,这两次“湖泛”发生地点偏差了120度左右。其原因是2007年藻源形成阶段的风向较2008年的更加偏南,在这种风场的持续驱动下,蓝藻水华向更加偏北方向的梅梁湾和贡湖湾聚集。对比表格1中平均风向值,用2007年的(155.75度)减去2008年的(154.5度),其差再乘以2007年藻源形成阶段持续的时间(118小时),结果为147.5度。由此可见,虽然平均风向偏差不大,但在较长时间的持续作用下,其偏转角度非常明显。


  4 讨论与结论


  虽然已有的观测到的 “湖泛”现象不多,无法从概率统计的角度分析“湖泛”发生的共同气象特征,但是本文针对2007年和2008年5月的两次“湖泛”个例,利用常规气象观测资料寻找到了鲜明的相同气象特征,其研究结论如下:
  藻源性“湖泛”形成的外因是:三天以上时间维持高温、微风、风向基本一致。此三种气象条件同时较长时间出现,其一有利于蓝藻水华大面积暴发;其二有利于蓝藻水华在下风向岸边大量堆积;其三有利于蓝藻下沉;其四有利于维持水体层结稳定,为水底厌氧反应提供适宜的水动力环境。
  藻源性“湖泛”形成的触发机制是:冷空气过境使得风速短时增大、风向调转180度左右、气温迅速降低,并且这种气象条件持续1天以上。此三种气象条件同时出现1天以上,不仅降低了水体层结稳定度,增大了垂向扰动;还使得蓝藻水华大量堆积的岸边出现沿岸涌升流。使得水底厌氧反应产生的黑臭水团带至水表。
  2007年“湖泛”发生地点不同于2008年的主要原因是,2007年藻源形成阶段的风向较2008年的更加偏南,在这种风场的持续驱动下,蓝藻水华向更加偏北方向的梅梁湾和贡湖湾聚集,风向差的累积改变了“湖泛”发生的地点。
  本文还存在以下不足和有待进一步研究的内容:
  由于已有的观测到的藻源性“湖泛”现象不多,本文没能验证:是不是出现上述结论1)、2)中的天气过程,就一定能出现“湖泛”呢?
  本文仅仅从气象学角度分析了太湖藻源性“湖泛”形成的原因,“湖泛”的形成必定还受到其他诸多因素的影响,如地理条件、水文条件、生物反应、化学反应等等,这有待于进一步研究。


  参考文献:
   [1] 谢平. 太湖蓝藻的历史发展与水华灾害——为何2007年在贡湖水厂出现水污染事件?30年能使太湖摆脱蓝藻威胁吗?[M]. 科学出版社, 2008.
   [2] 陆桂华, 马倩. 太湖水域“湖泛”及其成因研究[J]. 水科学进展. 2009(03).
   [3] 孔繁翔, 胡维平, 谷孝鸿, et al. 太湖梅梁湾2007年蓝藻水华形成及取水口污水团成因分析与应急措施建议[J]. 湖泊科学. 2007(04).
   [4] 孔繁翔, 马荣华, 高俊峰, et al. 太湖蓝藻水华的预防、预测和预警的理论与实践[J]. 湖泊科学. 2009(03).
   [5] 吴晓东, 孔繁翔. 水华期间太湖梅梁湾微囊藻原位生长速率的测定[J]. 中国环境科学. 2008(06).
   [6] 孔繁翔,高光. 大型浅水富营养化湖泊中蓝藻水华形成机理的思考[J]. 生态学报. 2005, 25(3): 589-595.
   [7] 孙小静, 秦伯强, 朱广伟, et al. 风浪对太湖水体中胶体态营养盐和浮游植物的影响[J]. 环境科学. 2007(03).
   [8] 尤本胜, 王同成, 范成新, et al. 风浪作用下太湖草型湖区水体N、P动态负荷模拟[J]. 中国环境科学. 2008, 28(1): 33~38.
   [9] 朱广伟, 秦伯强, 高光. 风浪扰动引起大型浅水湖泊内源磷暴发性释放的直接证据[J]. 科学通报. 2005, 50(1): 66-71.
  [10] 郑庆锋, 孙国武, 李军, et al. 影响太湖蓝藻爆发的气象条件分析[J]. 高原气象. 2008(S1).
  [11] 黄漪平,范成新,濮培民,姜加虎,戴全裕. 太湖水环境及其污染控制[M]. 北京: 科学出版社, 2001.
   
  
  *论文资助来源:江苏省环境监测科研基金项目0919;解放军理工大学基础理论研究基金;国家重点基础研究发展计划(2008CB418003).
  **通讯联系人,E-Mail:xqian@nju.edu.cn

 
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