氣象因子

氣象因子是影響其他事物發展變化的氣象原因或條件。包括氣温、氣流、氣濕、氣壓等。

地表植被類型的空間分佈是長期氣候適應的結果，同時植被對氣候又有一定的反饋作用。不同的植被羣體，其地表能量的分配和轉換機制不同，造成地氣間水分和熱量循環的強度分佈不均。隨着人類影響的日益加劇，農業用地取代自然植被，地表植被覆蓋類型變化更加劇烈，引起區域氣候環境的形成和變化。由於植被與氣候之間的相互作用和相互適應，植被覆蓋狀況隨時空變化極大，對氣候的影響也較其它陸地覆蓋類型顯著。

我國各地區氣候、植被類型和土壤質地等的分佈差異，使NDVI與降水和積温的這種相關性強弱分佈不均。尤其是植被的生長髮育對降水量具有滯後性，前期降水對地表植被的影響非常重要，這種滯後性又使各區域植被NDVI對降水的敏感程度差異很大，由此也造成積温出現與降水類似的情況。研究不同氣候區域NDVI與降水和積温的這種關係，可以揭示前期降水和積温對地表植被的有效作用尺度，認識我國不同氣候區域氣象因子對地表植被的影響程度，這不但對研究區域乾旱預測模型和建立NDVI與降水和積温的統計模型提供參考，同時，也可以更加深入的瞭解地氣相互的作用的區域分佈特徵，為研究地表植被覆蓋特徵物理模式參數化方案提供理論依據。

遙感觀測為研究地表植被覆蓋狀況提供了大量的實時數據源，尤其是NOAA-AVHRR數據，其多年數據積累可以用來研究地表植被的時間變化狀況。歸一化的植被指數NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)是研究植被覆蓋信息常用的一個參數，它是根據植被在第一(0.58～0.68um)和第二(0.725～1.10um)通道反射特性差異來反映下墊面覆蓋和植被的動態變化信息，其不僅包含了氣候因素對地表覆蓋類型的影響，而且也包含了人類活動信息。NDVI與地表植被的覆蓋率成正比關係，對於同一種植被，NDVI越大，説明地表植被的覆蓋率越高，植被的長勢越好。降水和氣温是影響地表植被覆蓋特徵變化的兩個主要的自然因素，降水量可以增加土壤濕度，為植被的生長提供水分，因此植被的NDVI與降水量呈正相關特徵，在一些乾旱區域，可以通過植被的NDVI預測區域降水狀況。與降水類似，氣温代表了到達地表植被體的太陽輻射能強度，而太陽輻射能為植被的生長提供了必要的能量，因此氣温與NDVI也應該呈現正相關特徵，特別是對於那些降水非常充足的地區，降水量對植被的生長狀況影響就會減弱，而這時氣温會成為影響植被生長的主要因子。

（1）數據資料

研究使用的NOAA-AVHRR數據採用NASA提供的8km×8km分辨率NDVI資料，時間從1982～1994年，每月以旬為單位，提供旬最大NDVI。在計算NDVI之前，NASA已經對計算NDVI所需的NOAAAVHRR第一、第二通道數據進行了大氣訂正，NDVI也進行了角度訂正，這樣可以消除大氣等因素的影響，使NDVI在空間尺度上具有可對比性，同時採用地面定標系統對1982～1994間的NOAA衞星系列產品進行了重新處理，以保證數據在時間尺度可以對比。

氣象數據是我國地表氣象台站的常規觀測資料，時間從1982～1994年，共334個觀測站，氣温為日平均氣温，降水量為日降水總量。

為了結果分析，研究使用了我國土壤質地和氣候區劃數據庫，土壤質地分為石礫、沙、粗沙土、細沙土、面沙土、沙粉土、粉土、沙壤土、粘壤土、粉粘土、壤粘土、粘土等12種類型，將其近似的歸併為4種(圖1)，氣候區劃採用中國氣象局的氣候區劃標準(表1、圖2)。

應用統計相關方法，求取NDVI與降水和活動積温(>10℃)的相關係數，採用活動積温主要考慮在氣温低於10℃時大多數植被生長減緩，這樣可以更加有效地反映出氣温對地表植被的影響程度。NDVI為某旬最大NDVI，這裏假設地表植被覆蓋率在10d中變化很小可以忽略，所以旬最大NDVI可以近似代表某旬末的NDVI，這種假設也與本文所研究月份大部分地區的植被生長規律符合。對於每一個點(13年×12月×3旬=468個樣本，共334個點)，降水和活動積温(即旬末的日降水和活動積温)對應於各自的旬最大NDVI，以天為單位將日降水和活動積温向前累加，每累加一天分別與旬末NDVI求相關，這樣對每一個點可以得到一組相關係數，最終輸出結果為本旬中最大相關係數和出現最大相關係數時日降水或活動積温累加的天數。結果中的最小負相關係數不作為研究的內容，因為當降水出現最小負相關時，有兩種可能的意義，一是本地區降水過多，地表土壤濕度過高，影響植被生長；二是本地植被生長受人為因素影響，人為灌溉等彌補了降水不足，由於人為影響程度難以定量的評估，所以不作為研究內容。

利用1982～1994年期間的NOAA-AVHRR數據和地面氣象台站數據，分析了在我國不同氣候區域降水和活動積温對地表植被覆蓋狀況的影響，主要結論如下：

(1)地表植被的生長狀況和降水、積温的關係與我國氣候區域的分佈密切相關，在不同的月份，兩者對地表植被的影響程度不同，當通過前期降水和積温預測地表植被的生長狀況時，要根據當地的氣候特點選擇主要作用因子。

(2)前期降水和活動積温影響植被的有效時間尺度在不同的氣候區域和月份是不同的，總的來説這種時間尺度分佈基本呈現無規律分佈，因此通過月、旬降水或積温來預測地表植被的生長狀況效果不一定最好，需要根據本地的數據分析結果建立關係。

(3)土壤物理特性也是影響植被對降水和積温響應程度的因素，在砂土分佈區域，NDVI與降水關係顯著，並且較為敏感，在粘土分佈區域，這種關係並不顯著。與此相反，在砂土分佈區域，NDVI與積温關係並不顯著，而在粘土分佈區域則相對較為顯著。

在計算過程中，研究也作了一些假設，另外在分析過程中也迴避了一些問題，主要集中在：

(1)以旬最大NDVI代替旬末NDVI。對於植被的生長季節以及大多數自然植被這種假設是成立的，但對於一些農業作物，在進入成熟季節後，這種假設就會產生偏差。但考慮到我國大部分地區農業耕作習慣基本不變，這種誤差對結果的分析以及結論影響極小。

(2)在分析的區域，植被的類型差異、植被的人為更換和灌溉等都是影響最大相關係數分佈的因素，而這些影響因素又很難消除，這對結果勢必造成一些偏差。但從氣候的角度而言，研究的是我國氣候因子對地表植被作用的主要特徵，所以上述問題不會影響本文所得出的結論。 ^[1] 

藻類水華爆發是指在一定的營養、氣候、水文條件和生態環境下形成的藻類過度繁殖和聚集的現象，是水體環境因子如TN、TP、温度、光照、pH、流速、溶解氧等綜合作用的結果。

湖泊富營養化問題的主要危害是藻華爆發使水體失去使用功能。要控制藻華爆發，關鍵是要搞清楚藻華爆發的原因和基本條件。營養鹽是藻華爆發的十分重要的因素和條件，但不是決定性的條件，水文和氣象條件同樣是起決定性作用的因子(見圖3)，即使有充足的營養鹽，如果水文、氣象條件不適宜，藻類照樣無法正常生長，更不用説爆發藻華了。另一方面，藻華爆發是一個生態問題，不但決定於藻類生長的營養物質條件，而且決定於其生長所在的生態環境條件，水文、氣象條件就是重要的生態環境因子。同時，藻華爆發還決定於藻類與其它水生生物和生態環境的關係，水文、氣象條件的改變會明顯影響這些生態關係。因此，要通過研究發現水文、氣象因子對藻類生長的影響和作用，找出控制藻類生長的關鍵因素和相關參數，預測水華爆發的可能性，建立預警系統，減少社會經濟損失，並在可能的條件下，通過改變水文、氣象因素，達到抑制藻類生長，控制藻華爆發的目的。

（1）温度的影響

水温是藻類進行光合作用的必要條件，決定細胞內酶反應的速率，並與植物的合成代謝及呼吸強度，以及對水中異樣細菌等微生物的生理活性均有着密切的關係。所以温度是富營養化環境因子中的主導因子。

一般情況下，水温的週年變化特點與藻類現存量及毛生產量的變化趨勢基本上是吻合的，即夏季是高峯，冬季為低谷。浮游植物初級生產力隨水温變化呈指數增長趨勢。

研究表明，太湖梅梁灣的浮游藻類與水温的關係密切，尤其是藍藻水華的優勢種類微囊藻生物量在一定的水温範圍內與之有線性相關關係。梅梁灣中水温與藻類葉綠素a有較顯著的線性相關關係，而與藻類總生物量、藍藻生物量、硅藻生物量和微囊藻生物量均有一定的線性關係(R分別為0.42、0.38、0.37和0.37)。

美國生態學家研究了温度對微囊藻生長的作用，指出銅綠微囊藻的最適温度為28.8～30.5℃，並求得在比生長率對數對温度作圖的曲線中於17.5℃處有一轉折點，表示在該温度時活化能有突然的降低，這與該藻在天然環境中形成水華時水温相一致。國內所作的温度對微囊藻生長影響的室內模擬實驗顯示，在22～35℃的生長範圍內，微囊藻皆發生增殖，在30～35℃時比增殖速率升高很快，以35℃時最快，在此温度以下，增殖速率隨水温的上升而增大，大約呈指數關係。EPPLEY與GOLD-MAN(1972)及GoldmanJ.C.和E.J.Carpenfer(1974)各式各樣的藻類調查了增殖速率和温度的關係，得到經驗公式μ=0.590(1.066)^T。雖然35℃時比增殖速率最大，但生長達到最大增殖後，增殖速率急劇下降，微囊藻馬上開始沉澱，綠色消退，溶液呈乳白色。這是因為高温下藻細胞的死亡大於細胞的增殖，或只有死亡而無增殖。這説明微囊藻的比增殖速率最大時易死亡沉澱。在22℃以下培養時基本無相對生長下降期，而直接出現相對靜止期。並且在洋河水庫水華髮生的實驗研究中發現，26℃最適於微囊藻的上浮聚集。一般認為25～30℃是水華藻類的最適宜生長温度。

（2）光照的影響

從生理特性來看，微囊藻是一種原核光合生物，細胞中TCA循環不完全，光能是細胞的主要能源。光照輻射為藻類光合作用提供代謝的能源，影響光合碳固定的速率，也影響藻細胞呼吸強度、能荷水平。另外光對細胞某些產物如胡蘿蔔素的形成有誘導作用。所以光照輻射也是富營養化環境因子中的主要因子。

浮游藻類生產量的季節變化與本地光照條件的季節差異有着直接關係。如太湖夏季太陽輻射量佔全年輻射量的34.96%，日照時數佔全年總日照時數的32.66%，而冬季分別為16.5%和20.46%，春、秋兩季合計分別佔全年總值的48.54%和46.88%。這種年內分配不均的特點，必然會影響植物的光合代謝強度與速率。太湖最適宜光合作用層的最高毛產量及水柱日產量按高低排序為夏、春、秋、冬。

各水層光照強度與藻類生產量垂直分佈的關係，也同樣反映出光照對藻類生產的影響。根據太湖實測資料，深度1m以下，其光強一般衰減到50～80Lx，浮游植物的毛生產量相應降到最大值的15%以下。室內實驗研究發現，隨着光照強度(1000～5000Lx)的不斷增大，藻類生長的比增殖速率(μa)也加大。當光強從1000Lx增加到4000Lx時，藻類數量增加較快，4000Lx以後漸趨平緩，在5000Lx基本上達到最大值。在不同温度條件下，光強與藻類的關係也不盡相同。

（3）水動力的影響

在適宜藻類生長的季節，太湖藻類水華的爆發一般在穩定大風作用過後的小風或靜風、天氣晴朗時段，這表明水華與水動力過程有着某種聯繫。產生湖泊水華現象的藻類在種羣演替和數量變化方面都有極明顯的週期性。這個週期性變化，除受浮游生物本身生長的生理生態狀態影響以及湖泊環境温度、光照的週期性變化外，同時還受到水體的水動力作用影響。水體的水動力作用也是湖泊產生水華的一個重要條件。“流水不腐”這句成語形象地説明了水動力對水體水質的影響。

水動力對浮游生物的數量多寡、分佈的狀態在淺水湖泊中影響更大。特別是在大型淺水湖泊中，動力的作用更加明顯。針對太湖藍藻水華而進行的圍隔實驗顯示:隨風漂移外來的微囊藻數量大大超過在該水域內生長的微囊藻，漂移微囊藻葉綠素a的濃度是該水域內生長的微囊藻葉綠素a的5倍。太湖梅梁灣水動力作用過程的研究表明，當湖流狀況變化時，浮游動物數量也隨之而變，這樣又間接影響了浮游植物數量的變化。

太湖現場考察發現，風浪的攪動作用對藻類的生長非常有利，在一陣風浪過後，藻類的生長速度明顯增加，如果片刻之後颳起陣風，則很容易引起藻類在迎風岸邊大量聚集，形成明顯水華。風浪的攪動有利於藻類的生長，主要是因為在大型淺水湖泊中，水動力過程會對理化環境因子產生很大的影響。沉積物由於動力作用而發生懸浮，在淺水湖泊中與海灣中研究發現，沉積物的懸浮主要是由於波浪的作用，其貢獻可以達到70%以上。因此影響水體的透明度及水下光照分佈和初級生產力，並使得原來懸浮質中的一些磷、氮營養元素，在機械擾動和生物作用下，釋放到水體中，使得水中的TP、TN濃度保持較高的水平，促進藻類生長，對夏季藻類的持續爆發起了一個推波助瀾的作用。此外，動力過程通過影響水體及水土界面上的氧化～還原環境進一步影響有機物質的降解與礦化等過程。風浪對藻類的遷移聚集作用主要取決於風速大於還是小於臨界風速(3m/s)。在太湖水華爆發季節，當盛行的東南風小於臨界風速時，湖面可以近似看作水動力光滑，沒有風浪產生，漂浮藻類停留在水錶面，不會因風場的作用而沉入水中，藻類在水錶面順着風向不斷堆積在迎風岸邊，在湖灣的西北部大量聚集，從而形成明顯水華；而當風速超過臨界風速時，將產生波浪的作用，波浪、風擾動及平均環流的共同作用使得藻類上下混合沉入水中，藻類在湖中的水平及垂直分佈趨於均一，不再出現藻類聚積現象，從而抑制了水華的形成。風速過大或過小都不利於水華的形成。在穩定大風過後的小風天氣(風速小於臨界風速)最容易出現水華現象。

（4）其他水文、氣象因子的影響

降雨——輸入營養鹽、增加水量稀釋污染物、降低水温、氣温；蒸發——減少水量、降低水温、氣温；降塵——輸入營養鹽、改變水體透明度(濁度)；水量——改變水體中氮、磷等營養物質的濃度；水位——改變其它與藻類競爭的生物生長條件，促進或抑制藻類生長；水體交換週期——改變營養鹽和藻類積累與轉移條件；停滯時間——影響藻類和其它與藻類競爭的水生生物的生長條件。

水華髮生過程是一個複雜的動態過程，從水華生物的出現到形成水華，牽涉到多個方面的影響。水文氣象條件在這個過程中起着決定性的作用，25～30℃是水華藻類的最適宜生長温度，3000～4000Lx是水華藻類的最適宜光強，風浪的擾動有利於藻類的生長，小風(小於臨界風速)又有利於藻類的漂浮和聚集，降雨、蒸發水量等其他水文氣象因子對藻華爆發同樣起着至關重要的作用。這些水文氣象因子不是單一發生效應。應進一步分析、研究水文氣象因子的綜合效應。 ^[2]