王文娟 宋巍 鄭小羅 黃冬梅 朱建鋼 魏新宇

(1上海海洋大學(xué)信息學(xué)院, 上海 201306；2農(nóng)業(yè)部漁業(yè)信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201306；3中國(guó)極地研究中心, 上海 200136)

提要 極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)對(duì)于極地海洋生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)尤為重要。由于對(duì)極地極端惡劣環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力不足,缺乏長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)變得異常困難。針對(duì)目前極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)目標(biāo)和評(píng)價(jià)因子均缺乏的情況, 在已有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上, 本文提出了海水表層葉綠素濃度、海冰覆蓋范圍、海水表層溫度和鹽度四個(gè)極地海洋環(huán)境決定因子, 分析了海冰覆蓋范圍與月份之間高度擬合的三次多項(xiàng)式分布關(guān)系, 并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)模型, 最后提出了一種驗(yàn)證該模型的方法?；诘?0、31、32次南極科考獲取的海水表層葉綠素濃度、溫度、鹽度數(shù)據(jù)以及美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心提供的對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)對(duì)提出的評(píng)價(jià)模型和方法進(jìn)行了驗(yàn)證, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 該評(píng)價(jià)模型及其驗(yàn)證方法具有有效性, 根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果能判定某個(gè)時(shí)間段內(nèi)極地海洋環(huán)境相對(duì)于基準(zhǔn)時(shí)間的變化趨勢(shì)。

0 引言

海洋環(huán)境是一個(gè)多輸入多輸出的動(dòng)態(tài)復(fù)雜系統(tǒng), 具有不確定性和模糊性[1]。海洋環(huán)境評(píng)價(jià)是指通過(guò)測(cè)量海洋各水質(zhì)指標(biāo)對(duì)海水的水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)判, 從而確定受評(píng)海域是否被污染, 為海洋生物保護(hù)以及海域景觀(guān)管理與決策提供依據(jù)[2]。目前, 國(guó)內(nèi)外關(guān)于水體評(píng)價(jià)研究的方法很多, 包括早期的單因子指數(shù)法[3-4]、綜合指數(shù)法[5-6]、分級(jí)評(píng)價(jià)法[7-9]等, 以及近期的模糊理論[9-11]、灰色系統(tǒng)理論[12-13]、投影尋蹤模型[14]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]、逐步判別分析[15]等。然而, 海洋水體物質(zhì)成分眾多, 海洋水質(zhì)評(píng)價(jià)需要多年積累的連續(xù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 因此這類(lèi)海洋環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究多集中在數(shù)據(jù)相對(duì)比較容易獲取的近岸海域。鑒于極地環(huán)境惡劣, 常年被冰川和積雪覆蓋, 除了夏季以外近岸多以海冰的形式存在, 極地海洋環(huán)境的評(píng)價(jià)尤為困難。隨著人類(lèi)對(duì)極地探索的加深以及全球環(huán)境變化對(duì)極地的影響, 極地海洋環(huán)境也發(fā)生著重大變化, 進(jìn)一步研究極地海洋環(huán)境的質(zhì)量對(duì)于探索和保護(hù)極地海洋生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。

目前極地海洋環(huán)境方面的研究十分有限, 主要關(guān)注于極地海洋生物成分構(gòu)成和習(xí)性研究[16-20],海冰變化研究[21-24], 以及大氣及周邊環(huán)境對(duì)極地海洋的影響研究等方面[21-22,25-27]。同時(shí), 相關(guān)學(xué)者和國(guó)際組織在極地綜合環(huán)境測(cè)評(píng), 特別是人文環(huán)境影響方面做出了一些探索[28-30]。1998年生效的《關(guān)于環(huán)境保護(hù)的南極條約協(xié)議書(shū)》規(guī)定了各國(guó)開(kāi)展諸如人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度與規(guī)模、環(huán)境影響、環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀與南極環(huán)境背景值調(diào)查等南極環(huán)境科學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)[28], 旨在通過(guò)有效措施來(lái)規(guī)范人類(lèi)的南極活動(dòng)和保護(hù)南極環(huán)境及其依附的相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)。但是, 基于綜合指標(biāo)的極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)研究目前還處于空白領(lǐng)域。

是否可以借鑒近岸海洋環(huán)境評(píng)價(jià)方法來(lái)評(píng)價(jià)極地海洋環(huán)境呢？答案是否定的。極地海洋環(huán)境與近岸海洋環(huán)境相比, 差異較大。首先, 海水特性及生態(tài)系統(tǒng)不同。極地極端天氣下海冰是高緯度海洋中海水的一種重要存在形式, 少數(shù)情況可形成固定冰；微微型(粒徑＜2 μm, autotrophic pico-flagellate, APF)和微型浮游植物(粒徑2—20 μm,autotrophic nano-flagellate, ANF)是極地海洋水體中生物量和生產(chǎn)量的重要貢獻(xiàn)者[16,31-32]。其次,近岸海洋環(huán)境評(píng)價(jià)具有非常明確的評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)目標(biāo)。比如在我國(guó)1998年實(shí)施的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB3097-1997中, 按照海域的不同使用功能和保護(hù)目標(biāo), 明確將海水水質(zhì)分為四類(lèi), 并規(guī)定了四類(lèi)水質(zhì)對(duì)應(yīng)的各種環(huán)境評(píng)價(jià)因子的數(shù)值范圍, 為近岸海洋環(huán)境評(píng)價(jià)提供了非常明確的評(píng)價(jià)目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)很多海洋環(huán)境評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)因子均是這個(gè)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的子集[1-2,15]。然而, 由于極地海洋研究的局限性, 還沒(méi)有任何一個(gè)國(guó)家或組織制定過(guò)類(lèi)似的極地海洋水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 這大大增加了極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)的難度。要解決這個(gè)問(wèn)題, 既要想辦法確定極地海洋環(huán)境的評(píng)價(jià)因子, 也要想辦法構(gòu)建評(píng)價(jià)目標(biāo)。最后, 由于人類(lèi)活動(dòng)多集中在近海岸, 近岸海洋數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和獲取相對(duì)容易,而極地海洋數(shù)據(jù)獲取, 尤其是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取在世界范圍內(nèi)都是一個(gè)難題。

本文的目的是初步探索極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)的理論與方法, 包括探究極地海洋環(huán)境的評(píng)價(jià)目標(biāo)和關(guān)鍵影響因子, 構(gòu)建初步的評(píng)價(jià)模型, 并提出極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)模型的驗(yàn)證方法等, 其研究結(jié)果將進(jìn)一步推動(dòng)極地海洋環(huán)境研究的發(fā)展。

1 方法

1.1 極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)

如上文所述, 目前尚未有通用的極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)目標(biāo)。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行深度分析, 在極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)目標(biāo)不清晰的情況下, 將海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡性作為環(huán)境評(píng)價(jià)的重要目標(biāo)。因此, 在探索評(píng)價(jià)因子時(shí), 聚焦與極地海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡性有強(qiáng)相關(guān)性的因素。同時(shí),考慮到極地環(huán)境的特殊性, 所選擇的環(huán)境評(píng)價(jià)因子必須是在極地考察站或在極地考察活動(dòng)中容易測(cè)量和獲取的數(shù)據(jù)[28]。

1.1.1 海水表層葉綠素濃度

海水中葉綠素的含量能夠代表海洋中浮游植物的現(xiàn)存量, 因此葉綠素的含量被認(rèn)為是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要影響因素之一[33]。很多極地海洋研究學(xué)者將海水表層葉綠素濃度作為極地海洋生態(tài)系統(tǒng)是否平衡的重要指標(biāo)之一, 并試圖通過(guò)分析其濃度范圍來(lái)確定極地海洋浮游生物的含量及其變化趨勢(shì)[16,20,34-41]。

李慧蓉等[33]利用 2014年夏季中國(guó)第 6次北極科考獲得的連續(xù)海水表層葉綠素濃度、溫度和鹽度數(shù)據(jù), 測(cè)試出白令海至楚科奇海海域葉綠素濃度平均值為 1.166 mg·m–3, 變化范圍為 0.06—8.283 mg·m–3, 并用海水中葉綠素含量代表浮游植物的現(xiàn)存量, 分析了浮游植物生長(zhǎng)狀況與海水表層溫度和鹽度的相關(guān)性。羅光富等[34]用葉綠素濃度代表浮游植物的生物量, 并基于該理論使用2010—2011年夏季南極長(zhǎng)城灣監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了海水表層葉綠素濃度與水體流速之間存在顯著的負(fù)相關(guān)。張芳等[16]利用 2008年中國(guó)第三次北極科學(xué)考察的機(jī)會(huì), 分析了夏季楚科奇海微微型、微型浮游植物和細(xì)菌豐度的分布特征, 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出三種生物均與海水中葉綠素濃度成顯著性相關(guān), 葉綠素是微微型浮游植物的主要組成成分和初級(jí)生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者。崔世開(kāi)等[20]在測(cè)試北極黃河站附近的王灣海域浮游植物對(duì)光照和鹽度變化的適應(yīng)性研究中, 也將表層葉綠素濃度作為浮游植物群落生長(zhǎng)速率的量化標(biāo)準(zhǔn)。此外, Boyce等[38]通過(guò)歷史數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)證明了葉綠素濃度對(duì)海洋微生物生態(tài)環(huán)境具有重要指導(dǎo)意義, Meiners等[39]也基于歷史數(shù)據(jù)分析了南大洋葉綠素含量變化, 據(jù)此來(lái)反映南大洋海冰生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀, Ryan等[40]研究在海冰融化過(guò)程中葉綠素的變化, 進(jìn)而反映海冰生態(tài)環(huán)境的變化, Moore等[41]通過(guò)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)南大洋海水表層葉綠素的含量進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè), 獲取了南大洋海水表層葉綠素含量的季節(jié)特性和空間特性, 并以此反映南極海洋生態(tài)環(huán)境的變化特性。綜上所述, 將海水表層葉綠素濃度作為擬構(gòu)建的極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)模型的決定因子是具有理論依據(jù)的, 并且通過(guò)熒光儀, 葉綠素濃度是比較容易連續(xù)監(jiān)測(cè)和獲取的數(shù)據(jù)。

1.1.2 海冰覆蓋范圍

隨著全球氣候變暖, 極地環(huán)境的研究逐漸受到重視, 其中大氣環(huán)境對(duì)極地海冰覆蓋范圍的影響是一個(gè)持續(xù)研究熱點(diǎn)[21-22,25-27]。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始關(guān)注海冰覆蓋范圍的變化對(duì)極地海洋生態(tài)環(huán)境的影響。

王桂忠等[23]通過(guò)深度分析國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)總結(jié)出, 北冰洋海冰覆蓋面積從20世紀(jì)70年代開(kāi)始迅速下降、冰層變薄、水溫升高、淡水輸入增加、臭氧層和重金屬等污染加劇, 正威脅著現(xiàn)有與海冰關(guān)系密切的生態(tài)系統(tǒng), 并預(yù)測(cè)與海冰相關(guān)的食物鏈將在部分海域消失并被較低緯度的海洋生物物種所取代, 而北極熊和海象等大型海洋動(dòng)物的生存也面臨極大挑戰(zhàn)。何劍鋒等[19]系統(tǒng)分析了北冰洋海域微食物環(huán), 對(duì)其主要類(lèi)群的基本生態(tài)特征及各類(lèi)種群間的相互關(guān)系做了分析, 同時(shí)指出近年來(lái)海冰覆蓋面積迅速減少會(huì)對(duì)微食物環(huán)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生重大影響, 進(jìn)而影響整個(gè)極地海洋生態(tài)系統(tǒng)。Legendre等[17]認(rèn)為海冰覆蓋范圍與生態(tài)系統(tǒng)密切相關(guān), 海冰支持了一個(gè)極富生產(chǎn)力的海冰生物群落。Melnikov等[18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了海冰覆蓋范圍的變化與海冰生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性。Vincent[24]通過(guò)歷史觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了海冰覆蓋范圍變化對(duì)極地海洋微生物生態(tài)系統(tǒng)具有一定的破壞力。因此, 將海冰覆蓋范圍作為極地海洋環(huán)境評(píng)估模型的一個(gè)決定因子具備充足的理論依據(jù)；同時(shí), 連續(xù)的海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)可以通過(guò)衛(wèi)星獲取并免費(fèi)下載使用, 將海冰覆蓋范圍作為評(píng)估模型的一個(gè)決定因子具備可行性。

此外, 陳靜和陸志波[22]從美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心(National Snow and Ice Data Center)獲取了南大洋區(qū)域1978年11月—2013年12月逐月海冰覆蓋范圍的衛(wèi)星數(shù)據(jù), 并在此基礎(chǔ)上分析南大洋海冰范圍的變化趨勢(shì), 其研究結(jié)果顯示南大洋海冰覆蓋范圍整體呈現(xiàn)小幅度增加趨勢(shì), 而且南大洋海冰覆蓋范圍呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性, 不同月份海冰范圍差異很大。南大洋海冰范圍最小值出現(xiàn)在2月份, 多年平均值為3.13×106km2, 最大值出現(xiàn)在9月份, 多年平均值為18.9×106km2[22,42], 2月到 9月之間隨著氣溫降低, 海冰覆蓋范圍由小到大逐漸變化, 9月到次年2月之間, 隨著氣溫升高,海冰覆蓋范圍由大到小逐漸變化。沈校熠等[43]通過(guò)對(duì) 2002—2011年南極海冰時(shí)空遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析, 揭示出了相似的規(guī)律, 即海冰覆蓋范圍夏季2月份最低, 最低值為2.03×106km2(2006年 2月 21日), 冬季 9月份最高, 歷年最大值為19.8×106km2(2005年9月26日), 雖然每年的海冰覆蓋范圍變化幅度不一, 但南極各海區(qū)海冰范圍季節(jié)變化特征幾近相同。因此, 在擬構(gòu)建的極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)模型中, 需要將月份與海冰覆蓋范圍之間的函數(shù)關(guān)系包含在內(nèi)。

1.1.3 海水表層溫度和鹽度

海水表層溫度和鹽度是極地海洋環(huán)境決定因子中比較容易獲取的數(shù)據(jù), 也是極地海洋研究的熱點(diǎn)之一。海水表層溫度和鹽度不僅對(duì)極地海洋生態(tài)系統(tǒng)有直接影響, 還與影響極地海洋生態(tài)系統(tǒng)的其他兩大要素—— 海水表層葉綠素濃度和海冰覆蓋范圍有強(qiáng)相關(guān)性[16,20,22-24,33,40,43-44]。陳靜和陸志波[22]發(fā)現(xiàn)表層溫度對(duì)海冰覆蓋范圍有直接影響, 夏季溫度高時(shí)海冰覆蓋范圍小, 冬季溫度低時(shí)海冰覆蓋范圍大, 溫度的變化對(duì)于極地海洋生物的種類(lèi)有重要影響。王桂忠等[23]的研究表明表層溫度升高會(huì)造成海冰覆蓋范圍減小, 進(jìn)而直接影響極地海洋生態(tài)系統(tǒng)。沈校熠等[43]通過(guò)分析南極海冰近10年遙感時(shí)空數(shù)據(jù)揭示出2002年7月—2011年6月逐月海冰覆蓋范圍與逐月氣溫存在著明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。Vincent[24]的研究也表明溫度的變化可能會(huì)造成極地海洋微生物生態(tài)系統(tǒng)的種群發(fā)生變動(dòng)。在極地海洋生物的適應(yīng)性相關(guān)研究領(lǐng)域, 學(xué)者普遍將海水表層葉綠素濃度、溫度和鹽度作為重要考量指標(biāo), 其中文獻(xiàn)[16,20,33,40,45-47]等均揭示出表層溫度和鹽度對(duì)于極地海洋生物生態(tài)環(huán)境有晴雨表的作用, 一旦溫度過(guò)高或鹽度過(guò)低均會(huì)對(duì)原來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)造成破壞, 造成生物種群的變化。因?yàn)樯腥鄙倏尚诺臄?shù)據(jù), 表層溫度、鹽度、葉綠素濃度和海冰覆蓋范圍之間關(guān)聯(lián)很難進(jìn)行量化, 因此擬構(gòu)建的極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)模型將海水表層溫度和鹽度, 同表層葉綠素濃度和海冰覆蓋范圍一起作為環(huán)境決定因子。

1.2 評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

目前極地海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡性沒(méi)有既定的標(biāo)準(zhǔn), 本文在分析極地海洋生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵影響指標(biāo)的基礎(chǔ)之上, 構(gòu)建了極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)模型PEAM (Polar Environmental Assessment Model),模型公式如下:

其中, 海水表層葉綠素濃度 α, 海冰覆蓋范圍 β,海水表層溫度T和海水表層鹽度S這四個(gè)極地海洋環(huán)境影響因子的權(quán)重分別為K1, K2, K3, K4。由于海水表層溫度T和鹽度S的綜合影響在其他兩個(gè)因子中得到反映, 因此這里不考慮將其作為獨(dú)立參變量。為了反映海冰覆蓋范圍隨時(shí)間的變化,β(t)定義為海冰覆蓋范圍與月份t之間的函數(shù)依賴(lài)關(guān)系, 需進(jìn)一步根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行推導(dǎo)。

1.3 評(píng)價(jià)模型的驗(yàn)證方法

由于缺乏國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和長(zhǎng)期數(shù)據(jù), 對(duì)公式(1)中的極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)模型的驗(yàn)證變得異常困難。最主要的問(wèn)題是如何確定 PEAM 的目標(biāo)基準(zhǔn)(或評(píng)估值域)。因此, 本文擬提出一種對(duì)上述PEAM假設(shè)模型進(jìn)行驗(yàn)證的理論方法, 其基本思路為:以某一相對(duì)基準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境變化趨勢(shì)。具體流程如下:

1.確定極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)目標(biāo)的基準(zhǔn)。因?yàn)闆](méi)有通用的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和長(zhǎng)期的歷史數(shù)據(jù), 本項(xiàng)目擬采用某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的環(huán)境評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)作為對(duì)比基準(zhǔn), 例如, 取2015年3月的南極周邊海域表層葉綠素濃度、海冰覆蓋范圍、表層溫度和鹽度的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù), 令假設(shè)模型PEAM的結(jié)果為1;

2.利用觀(guān)測(cè)到的四個(gè)環(huán)境因子的數(shù)據(jù), 經(jīng)過(guò)多元線(xiàn)性回歸訓(xùn)練, 計(jì)算出假設(shè)模型中的決定因子的參數(shù)K1, K2, K3, K4;

3.選取基準(zhǔn)年之后的年份的同一個(gè)時(shí)間段(比如2017年3月)觀(guān)測(cè)到的四個(gè)環(huán)境因子數(shù)據(jù), 將其代入假設(shè)模型計(jì)算模型結(jié)果a (a≥1或a≤1);

4.選取基準(zhǔn)年之前的年份的同一個(gè)時(shí)間段(比如2013年3月)觀(guān)測(cè)到的四個(gè)環(huán)境因子數(shù)據(jù), 將其代入假設(shè)模型計(jì)算模型結(jié)果a (b≥1或b≤1);

5.根據(jù)步驟3和步驟4的計(jì)算結(jié)果確定模型計(jì)算結(jié)果數(shù)值大小與極地海洋環(huán)境變化趨勢(shì)之間的關(guān)系。

根據(jù)步驟3和步驟4計(jì)算出來(lái)的a和b的值大于1或小于1的情況, 代入基準(zhǔn)年份之前或之后的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的四個(gè)環(huán)境因子數(shù)據(jù)到假設(shè)模型PEAM并計(jì)算其結(jié)果, 根據(jù)模型計(jì)算值跟1的比較情況, 可以推斷出所驗(yàn)證的時(shí)間點(diǎn)極地海洋環(huán)境的變化趨勢(shì)。如果步驟3和步驟4計(jì)算結(jié)果為a＜1, 同時(shí) b＞1, 代入新的驗(yàn)證數(shù)據(jù)之后模型計(jì)算結(jié)果為小于 1的數(shù)值, 則說(shuō)明驗(yàn)證的時(shí)間點(diǎn)極地海洋環(huán)境有惡化的趨勢(shì), 反之, 說(shuō)明環(huán)境有改善趨勢(shì)；如果步驟 3和步驟 4計(jì)算結(jié)果為 a＞1, 同時(shí) b＜1, 代入新的驗(yàn)證數(shù)據(jù)之后模型計(jì)算結(jié)果為小于 1的數(shù)值, 則說(shuō)明驗(yàn)證的時(shí)間點(diǎn)極地海洋環(huán)境有改善的趨勢(shì), 反之, 說(shuō)明環(huán)境有惡化趨勢(shì)。

假設(shè)選取了任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的四個(gè)環(huán)境因子的數(shù)據(jù), 代入假設(shè)模型PEAM計(jì)算出的結(jié)果為x, 即

不管步驟3和步驟4計(jì)算結(jié)果為a＜1同時(shí)b＞1,還是 a＞1同時(shí) b＜1, 極地海洋環(huán)境惡化或改善的程度均為

以上是針對(duì)目前極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)目標(biāo)不確定情況提出的一種驗(yàn)證極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)模型PEAM的理論方法, 可以計(jì)算出極地海洋環(huán)境變化的趨勢(shì)和程度, 為保護(hù)極地海洋生態(tài)系統(tǒng)提供量化依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)介紹

為檢驗(yàn)以上極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)理論模型和驗(yàn)證方法, 本文進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。我們從中國(guó)極地研究中心獲取了第30、31、32次南極科考時(shí)的極地海洋環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 包括表層溫度、鹽度、葉綠素濃度等指標(biāo)。這三次南極科考分別發(fā)生于2013、2014、2015年的相近月份, 從當(dāng)年的 11月末到次年的 3月上旬, 符合本實(shí)驗(yàn)對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間方面的要求。三次科考數(shù)據(jù)測(cè)量的是南極普里茲灣海域海水表層水文觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù), 其中溫度(T)和鹽度(S)數(shù)據(jù)由海鳥(niǎo)SBE 911 plus CTD直接獲得, 葉綠素濃度(α)用唐納熒光儀進(jìn)行測(cè)定。本文南極站點(diǎn)測(cè)量的普里茲灣區(qū)域緯度范圍為 64°S—70°S, 經(jīng)度范圍為 68°E—78°E。此外, 我們從美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心下載了對(duì)應(yīng)時(shí)間和空間范圍內(nèi)南極的海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)[48]。獲取的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)情況如表 1所示。因?yàn)楹１采w范圍數(shù)據(jù)的最小單位是天, 而表層葉綠素濃度、溫度、鹽度的測(cè)量數(shù)據(jù)可以精確到分秒, 所以, 擬合度完好的四個(gè)極地海洋環(huán)境決定因子數(shù)據(jù)與海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)記錄數(shù)目保持一致, 以天為單位。

表1 數(shù)據(jù)記錄情況Table 1.Introduction of the data set

2.2 海冰覆蓋范圍與月份之間的函數(shù)依賴(lài)關(guān)系

為了研究海冰覆蓋范圍與月份之間的依賴(lài)關(guān)系,我們從美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心還下載了 2008—2017年 10年間的南極海冰覆蓋范圍逐月數(shù)據(jù)。根據(jù)2008—2017年南極海冰范圍統(tǒng)計(jì)分析(圖1), 最小值出現(xiàn)在 2月份, 10年平均海冰范圍分別為3.26×106km2, 最大值出現(xiàn)在 9月份, 平均值為18.73×106km2, 這與已有文獻(xiàn)[22,43]的結(jié)論基本一致。我們選擇三次多項(xiàng)式擬合數(shù)據(jù)曲線(xiàn)進(jìn)行訓(xùn)練,因?yàn)槿味囗?xiàng)式是一種光滑的樣條曲線(xiàn), 可以用來(lái)逐段擬合數(shù)據(jù), 使得擬合曲線(xiàn)是光滑的。從圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看, 海冰覆蓋范圍與月份之間的依賴(lài)關(guān)系與三次多項(xiàng)式分布曲線(xiàn)擬合度非常高。

圖1 2008—2017年南極海冰范圍與月份之間的關(guān)系Fig.1.The relationship between the Antarctic sea ice extent and the month of the year 2008—2017

根據(jù)計(jì)算, 我們得到下面的海冰覆蓋范圍公式(3), 精度以R2測(cè)量達(dá)到0.974。

要消除月份帶來(lái)的影響, 在計(jì)算PEAM時(shí)需要對(duì)其按月份的影響進(jìn)行歸一化, 即將某一測(cè)量值SA除以(3), 即

2.3 極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)模型與方法的驗(yàn)證

根據(jù) 1.3節(jié)提出的評(píng)價(jià)模型驗(yàn)證方法, 我們首先來(lái)確定K1,K2,K3,K4這四個(gè)參數(shù)。以第31次南極科考期間 2月的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)(該月份觀(guān)測(cè)到的連續(xù)數(shù)據(jù)最多), 將2015年2月2日—2015年2月28日所收集到的24組四個(gè)環(huán)境決定因子數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的PEAM值設(shè)置為1, 經(jīng)多元回歸, 得到:

四個(gè)參數(shù)確定后, 我們需要選擇基準(zhǔn)年之后和之前的同一時(shí)間段觀(guān)測(cè)到的四個(gè)環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在此, 我們進(jìn)一步計(jì)算2016年2月(第32次科考)和2014年2月(第30次科考)的PEAM均值, 計(jì)算結(jié)果如表2所示。2016年2月計(jì)算出的PEAM均值a為0.955, 2014年2月計(jì)算出的PEAM均值b為1.01, 模型計(jì)算結(jié)果符合a＜1, 同時(shí)b＞1。

表2 基準(zhǔn)年前后年份同一月份的PEAM均值Table 2.The PEAM mean of the same month of the year before and after the base year

最后, 我們將觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較多的2016年3月(第32次科考)的10組數(shù)據(jù)代入假設(shè)模型PEAM并計(jì)算其結(jié)果 x的值為 0.96, 即說(shuō)明相對(duì)于基準(zhǔn)2015年2月, 2016年3月的極地海洋環(huán)境有惡化的趨勢(shì), 其環(huán)境惡化的程度為4%。

3 結(jié)論

本文初步探索了極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)模型與方法, 并基于第30、31、32次南極科考獲取的海水表層葉綠素濃度、溫度、鹽度數(shù)據(jù)以及美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心提供的對(duì)應(yīng)時(shí)間和空間范圍內(nèi)的海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù), 對(duì)提出的評(píng)價(jià)模型和方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1.將海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡性作為極地海洋環(huán)境評(píng)估的重要目標(biāo), 從與極地海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡性具有強(qiáng)相關(guān)性和容易測(cè)量獲取的兩個(gè)維度, 選取了海水表層葉綠素濃度、海冰覆蓋范圍、海水表層溫度、海水表層鹽度四個(gè)環(huán)境評(píng)價(jià)決定因子。

2.已有文獻(xiàn)表明海冰覆蓋范圍與月份之間存在強(qiáng)關(guān)聯(lián), 通過(guò)對(duì)美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心提供的 2008—2017年逐月海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析, 發(fā)現(xiàn)海冰覆蓋范圍與月份之間存在著高度擬合的三次多項(xiàng)式分布關(guān)系。

3.在分析極地海洋生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵影響指標(biāo)的基礎(chǔ)之上, 構(gòu)建了極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)模型PEAM, 并提出了該評(píng)價(jià)模型的驗(yàn)證方法, 即以某一相對(duì)基準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該評(píng)價(jià)模型及其驗(yàn)證方法具有有效性, 根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果能判定某個(gè)時(shí)間段內(nèi)極地海洋環(huán)境相對(duì)于基準(zhǔn)時(shí)間的變化趨勢(shì)。

4.本文是對(duì)極地海洋環(huán)境評(píng)價(jià)理論和方法的初步探索, 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量比較小, 而且南極和北極海域的情況也存在差異, 需要收集更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。此外, 四個(gè)環(huán)境決定因子之間的內(nèi)部聯(lián)系也尚未做深入探究, 研究結(jié)果存在一定的局限性。