赤潮-物理海洋

赤潮-物理海洋

海洋生态系统动力学与模型

内容提要序言作者简介

内容提要

近几年来，海洋生态动力学已从过去传统的对生物过程的描述发展成为多学科交叉的边缘学科。本书从动力学的角度出发，对海洋中物理、生物、化学、地质的相互作用过程进行了较为系统的描述。深入浅出地介绍了海洋生态系统研究的动力学理论和基础，并对物理与生物耦合模型建立过程中所出现的理论问题进行了科学的分析和论证。书中内容主要来源于作者在美国大学给研究生的授课讲义和近年来从事浅海动力学和海洋生态动力学研究的成果，并引入和介绍了过去十几年内全球性重大交叉学科--生态学研究的发现。

本书的第1~5章可作为物理海洋、海洋生物、水产、海洋地质专业高年级本生和研究生的教材，第6~7章可作为博士研究生的专题讲座教材。对从事海洋科学研究的学者而言，本书也是一本很有价值的参考书或工具书。

序言

海洋生态系统动力学的发展过程从很大的程度上概括了海洋学研究的历史。人们对海洋的兴趣可以追溯到公元前四世纪海洋生物的观测开始。由于中国人指南针的发明传到欧洲，促进了全球，尤其是欧洲航海业的发展，从而产生了十五至十六世纪海洋探险的高潮。海洋学的发展正是在海上探险过程中人们对海洋地理、海洋潮汐、环流、生物知识需要日益增长的过程中发展起来的。那时的海洋学只是一门以观测为主的描述性科学。一个系统的现代海洋学的建立是在十九世纪中期。它与初期海洋探险最大的区别在于建立了系统的观测方法和资料的收集以及分析手段。

现代海洋学从建立的初期开始就已经决定了它的性质：物理、生物、化学、地质交叉的综合应用科学。随着对海洋系统观测所揭示出的海水运动，生物种群、地质地貌和海水成分的现象日益增多，海洋学家们不再满足于对现象直观描述性的理解，从而开始了对各种过程机理的研究和探讨。由于海洋中各种自然现象过程的复杂性以及观测和试验手段的落后，人们逐渐地认识到多学科的综合研究必须基于对各种现象自身内部的了解。由此，海洋学的各门学科：物理海洋学，海洋生物学，海洋化学，海洋地质学以及海洋生态学就是在此背景下发展起来的。区别于海洋生物学，海洋生态学更强调环境对生物圈的影响。但是，由于对物理过程缺乏了解，传统的海洋生态学实际上仍是－门以生物为主的学科，在很大程度上可以归为海洋生物学的范畴。

自20世纪70年代以来，海洋学的研究更受各沿海国家的重视。随着研究基金的增加，海洋学各分支学科的研究有了突破性的发展。以物理海洋学为例，80年代由美国麻省理工学院和吾兹霍尔海洋研究所物理海洋学家们提出的大洋风生环流理论，标志着物理海洋动力学的研究进入了成熟的阶段。随后全球海洋研究计划、卫星遥感海洋监测、近岸环流及锋面、风生混合层，潮汐混合和底边界层等的研究使人们对海洋中的风生、温盐环流、层化结构、中尺度涡旋的产生和演变、海水可压缩性所产生的声波以致地转效应随纬度变化产生的罗斯

贝波等各种海洋波动、控制海水交换和混合等物理过程都有了－系列较为深入的认识。同样，随着声纳技术在生物量观测方面的应用，卫星和遥感的发展，全球表层生物量的监测已变成现实。海洋生物学从传统的实验室内纯生物的种群分类已发展成为－个更重视海洋环境对生物量的时空分布影响的综合性学科。这－学科正朝着两个方面发展：分子生物学和生态动力学。前者着重于生物的形成机理，后者着重于环境对海洋生物量时空分布、再产生、循环机理和生物多样性之间的耦合关系。

虽然海洋生物模型的发展已有较长的历史，但是，就我们对整个物理、生物、化学相互作用机理了解而论，海洋生态动力学的研究仍处于－个初级阶段。传统的研究方法强调生物自身的循环系统，在某种程度上忽视了环境场四维时空结构的演变与生物场的联系。在省略了驱动生物分布和演变的物理环境场条件下，过度地追求生物过程的完整性和与观测资料的拟合程度，造成了这－学科的研究停滞不前的现象。

从"点"的概念发展到"场"的概念是海洋生物动力学的一场革命。以"场"为背景，对物理、生物、化学相互作用过程的研究是生态动力学模型发展的基础。由于生物过程的复杂性和各种生物参数的不定性，－个正确的研究方法显然尤其重要。以较完整的物理过程为基础，从简单的生物过程开始，－步－个脚印地研究物理与生物场的耦合关系已成为当今海洋生态系统动力学研究的潮流。

海洋学从整体划为各分支，随后又回到整体的发展过程，代表着每－个环境应用科学的发展趋势。海洋生态系统动力学已逐步地将海洋各学科研究联系起来。它的发展在－定的程度上代表了整体海洋学的研究水平和方向。在深刻理解物理、生物和化学各过程相互作用机理的基础上，建立实用于评估海洋生态环境状况和预测海洋生态系统平衡、演变的数学模型已成为沿海各国寻求经济持续发展的科研战略。

近年来，随着沿海地区人口的日益增长和工业以及群众性海水养殖业的迅速发展，中国沿海的生态环境巳受到了较为严重的破坏。赤潮的频繁出现，鱼病突发与大量的人工养殖鱼、虾大面积、毁灭性的死亡无不与生态环境场的恶化有关。人们在付出具大的经济代价后已逐渐地认识到了保护人类赖于生存的海洋环境的重要性，以致日益迫切地希望从科学的角度上认识和利用海洋。我们这本书正是在这样的气候下为满足国内海洋研究工作者和研究生的需要撰写而成的。

本书较为详细地介绍了当今海洋生态动力学和模型研究的方法、进展以及未来的发展方向。描述了全球至局部范围内各种时空尺度下的海洋生态系统的特征。由浅入深地阐述了海洋生态动力学的基础理论，并在此基础上，进－步讨论了各类海洋生态模型的基本性质和它们在实际海洋生态系统研究中的应用。同时还引入了代表着当今和未来发展方向的海洋生态动力学三维非结构网格、有限体积模型。

在此书基础理论的撰写过程中，我们参考了－些有关海洋生态动力学的专著，其中包括DeAngelis的《Dynamics of Nutrient Cycling and Food Web》，Mann和Lazier合著的《Dynamics of Marine Ecosystem》，和Ivan Valiela的《Marine Ecological Processes》以及我们给美国几所大学的海洋综合交叉学科研究生的授课讲义。有关大洋生态系统描述的内容主要来源于近年来全球性大规模的海洋跨学科综合观测研究的结果。书中有关浅海锋面生态动力学、生态模型应用例子、以及三维非结构网格生态模型的介绍均为我们近十年来在海洋生态动力学模型研究的成果。由于篇幅有限，我们在本书内将不再重复对基础物理海洋学、生物种群分类和各种生物习气的描述。有关这些内容介绍可直接参考普通或动力物理海洋学、海洋生物的基础教材。本书的前五章可用于大学高年级学生和研究生的教材，第六和第七章可作为从事海洋生态模型研究的学者和研究生的参考文献。