一种基于多源观测-模型耦合的河口海域赤潮生态动力协同推演方法与流程

本发明涉及生态动力协同推演，尤其涉及一种基于多源观测-模型耦合的河口海域赤潮生态动力协同推演方法。

背景技术：

1、河口海域作为陆海交汇的典型过渡区域，受河流径流、潮汐作用、外海水团入侵及人类活动排放等多重因素影响，水体环境复杂且变化剧烈；在该类区域中，营养盐输入丰富、水体分层结构明显以及水动力条件多变，使得浮游植物易于快速繁殖并形成赤潮现象；赤潮一旦发生，不仅会引发水体缺氧、毒素释放等生态问题，还可能对渔业生产、近岸养殖及海洋生态安全造成严重影响，因此，对河口海域赤潮的形成机制及演化过程进行准确识别与预测具有重要意义。

2、现有技术中，对于赤潮的研究多集中于基于遥感反演或现场监测数据对叶绿素a浓度分布进行识别，或利用单一水动力模型或生态模型对赤潮发展趋势进行数值模拟；然而，上述方法大多侧重于对赤潮空间分布状态的描述，缺乏对赤潮形成来源的区分能力，难以有效判别赤潮是由局地藻类增殖形成，还是由外部水团输运带入，从而导致在源头识别与过程分析方面存在较大不确定性，在河口海域这种多水团交汇环境中，赤潮的演化往往表现为跨区域的连续传递过程，不同功能区域之间存在明显的生成—汇聚—滞留—扩散等阶段性变化关系。但现有技术通常缺乏对不同区域之间生态动力关联关系的系统刻画，未能建立统一的区域划分标准及跨区演化路径表达方式，导致难以从整体上揭示赤潮在河口海域内的传递机制及演化规律；此外，现有模型在进行赤潮数值模拟时，通常采用固定参数或简单驱动方式，缺乏基于实际演化路径的动态约束机制，难以在时间推进过程中保持扩散路径、强度变化及影响范围之间的一致性，容易出现推演结果与实际过程偏离的问题，尤其在岸线影响预测及预警决策方面存在精度不足的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于多源观测-模型耦合的河口海域赤潮生态动力协同推演方法，能够在多源观测数据基础上，实现赤潮成因的精细化分解，构建区域间生态动力传递关系，并在模型推演过程中引入多变量协同约束机制，提高赤潮演化过程识别与预测的准确性与一致性。

2、一种基于多源观测-模型耦合的河口海域赤潮生态动力协同推演方法，包括以下步骤：

3、s1：获取目标河口海域的多源观测数据，并将所述多源观测数据与河口海域生态动力模型进行联合解析，识别各观测时空单元内赤潮异常的成因，成因包括局地藻类增殖形成以及由外部水团输运形成，据此生成表征赤潮生成属性、输运属性和环境响应属性的赤潮成因分解结果；

4、s2：依据所述赤潮成因分解结果，对目标河口海域中与赤潮演变相关的锋面汇聚区、浑浊滞留区、淡咸水交替区、外海输入影响区及岸线累积敏感区进行关联判定，构建赤潮在不同区域之间的生成、接力、放大和扩散关系，生成表征区域间生态动力传递机制的赤潮接力推演链；

5、s3：将所述赤潮接力推演链输入所述河口海域生态动力模型，对赤潮在后续时段内的触发位置、扩张方向、跨区转移路径、持续强度及影响岸段进行协同推演，输出对应的赤潮协同推演结果。

6、可选的，所述s1具体包括：

7、s11：通过卫星遥感获取目标河口海域的叶绿素a浓度分布数据、海表温度数据及海面高度异常数据；通过现场监测获取目标河口海域的垂直剖面温盐数据、营养盐浓度数据、悬浮物浓度数据及流速流向数据；将获取的卫星遥感数据与现场监测数据按相同时空网格进行融合，形成多源观测数据集；

8、s12：将所述多源观测数据集输入至预先构建的河口海域生态动力模型中进行数据同化，使河口海域生态动力模型状态变量逼近观测真值；提取所述河口海域生态动力模型输出的模拟叶绿素a浓度场与模拟流速场，计算各观测时空单元内叶绿素a浓度的局地变化率及通过单元边界的叶绿素a通量；

9、s13：当某一观测时空单元内叶绿素a浓度的局地变化率大于预设的增殖阈值且单元边界的净输入通量小于预设的输运贡献阈值时，判定对应观测时空单元内的赤潮异常为由局地藻类增殖形成；当单元内叶绿素a浓度的局地变化率小于等于所述增殖阈值而单元边界的净输入通量大于等于所述输运贡献阈值时，判定对应观测时空单元内的赤潮异常为由外部水团输运形成；

10、s14：依据判定结果，为每个观测时空单元生成赤潮成因分解结果。

11、可选的，所述赤潮成因分解结果包括表征赤潮由局地藻类增殖形成或由外部水团输运形成的生成属性标签、表征赤潮来源方向与输运路径的输运属性向量以及表征赤潮发生时段内营养盐浓度、温盐分层强度及光照条件的环境响应属性集合。

12、可选的，所述河口海域生态动力模型的构建包括：

13、根据目标河口海域的岸线边界、入海河道位置、潮汐影响范围及外海交换边界建立统一的时空计算网格；

14、在所述统一的时空计算网格上构建水动力子模型，所述水动力子模型用于模拟目标河口海域内水体的流动、交换、分层及物质输运过程，并设置水位、流速、流向、温度、盐度以及垂向混合相关参数作为水动力状态变量；

15、在所述统一的时空计算网格上构建生态过程子模型，所述生态过程子模型用于模拟叶绿素a所表征的浮游植物生物量变化、营养盐消耗、环境响应及生态演化过程，并设置叶绿素a浓度、浮游植物生物量、营养盐浓度以及与藻类增殖相关的环境响应参数作为生态状态变量；

16、将所述水动力子模型输出的流场、温盐结构、混合强度及输运通道信息输入所述生态过程子模型，以驱动叶绿素a的增长、衰减、迁移和累积过程；并使所述水动力子模型与所述生态过程子模型在统一的状态更新框架下进行耦合运行，输出包括模拟叶绿素a浓度场和模拟流速场在内的联合模拟结果。

17、可选的，所述s2具体包括：

18、s21：依据生成的赤潮成因分解结果，提取每个观测时空单元内的生成属性标签与输运属性向量；将目标河口海域划分为锋面汇聚区、浑浊滞留区、淡咸水交替区、外海输入影响区及岸线累积敏感区的特征区域，并为每类特征区域设定空间边界及水动力-生态判别准则；

19、s22：在完成区域划分后，基于所述赤潮成因分解结果，对不同特征区域内赤潮行为进行判定；

20、s23：依据判定结果，构建赤潮在不同特征区域之间的接力关系，将所述接力关系按时空顺序连接，生成表征区域间生态动力传递机制的赤潮接力推演链，所述赤潮接力推演链包括各特征区域的触发顺序、赤潮生物量在区域间的传递方向及传递过程中的强度变化标识。

21、可选的，所述s22还包括：

22、对所述锋面汇聚区，根据赤潮成因分解结果中由外部水团输运形成的赤潮单元与锋面汇聚区的锋面位置叠置分析，判定赤潮是否在锋面汇聚区内发生汇聚累积；

23、对所述浑浊滞留区，根据赤潮成因分解结果中局地藻类增殖形成的赤潮单元与浑浊滞留区的高悬浮物浓度及弱流场特征叠置分析，判定赤潮是否在浑浊滞留区发生滞留增殖；

24、对所述淡咸水交替区，根据赤潮成因分解结果中环境响应属性集合内的温盐分层强度与营养盐浓度，判定淡咸水交替区是否具备赤潮生成的盐度梯度条件；

25、对所述外海输入影响区，根据赤潮成因分解结果中输运属性向量指示的来源方向，判定外部水团是否经由外海输入影响区向河口内部输送赤潮生物量；

26、对所述岸线累积敏感区，根据赤潮成因分解结果中的生成属性标签与输运属性向量，判定赤潮是否在岸线累积敏感区沿岸线堆积并形成有害影响。

27、可选的，所述s23具体包括：

28、当赤潮在外海输入影响区被判定为由外部水团输运形成且进入锋面汇聚区时，形成输入-汇聚接力关系；

29、当赤潮在锋面汇聚区经输运进入浑浊滞留区并触发局地藻类增殖时，形成汇聚-滞留放大关系；

30、当赤潮在淡咸水交替区由环境响应条件触发局地生成后，沿输运路径进入岸线累积敏感区时，形成生成-累积扩散关系。

31、可选的，所述水动力-生态判别准则包括：

32、在对目标河口海域进行特征区域划分时，针对每一观测时空单元，同时提取水动力特征参数与生态响应特征参数，并基于水动力特征和特征生态响应特征的组合条件对区域属性进行综合判定；

33、所述水动力特征参数包括流速大小、流向结构、流速梯度、汇聚或发散特征、温盐分层结构及水体交换强度；

34、所述生态响应特征参数至少包括叶绿素a浓度水平、藻类增殖状态、营养盐浓度、悬浮物浓度及生物量空间分布特征；

35、在判定过程中，以水动力特征确定区域的物理结构基础，并以生态响应特征验证当前参与水动力-生态判别的观测时空单元或由多个相邻观测时空单元构成的候选空间区域是否具备赤潮发生或演化条件，当且仅当对应水动力条件与生态条件同时满足预设组合判定要求时，将对应观测时空单元归类至对应特征区域。

36、可选的，所述s3具体包括：

37、s31：将生成的赤潮接力推演链作为边界条件与初始扰动输入所述河口海域生态动力模型；所述赤潮接力推演链中包括各特征区域之间的生成、接力、放大和扩散关系及时序触发顺序；

38、s32：在所述河口海域生态动力模型中，根据所述赤潮接力推演链指示的第一个触发区域位置，设定河口海域生态动力模型在第一个触发区域位置的赤潮生物量初始扰动场，并启动后续时段的时间积分计算；河口海域生态动力模型在积分过程中，依据所述赤潮接力推演链中规定的区域间传递方向，依次激活对应区域内的生态动力学过程参数，包括藻类生长率、死亡率、沉降率及水团输运速度场；

39、s33：在河口海域生态动力模型积分运算的每个时间步长内，同步追踪协同推演变量；

40、s34：当所述协同推演变量中的任一变呈现出时空耦合特征时，河口海域生态动力模型自动执行协同约束，即确保扩张方向与跨区转移路径在空间上连续、持续强度与影响岸段的出现时序与赤潮接力推演链中的放大关系相匹配；

41、s35：河口海域生态动力模型完成后续时段积分后，输出包括所述触发位置序列、扩张方向变化曲线、跨区转移路径几何线、持续强度时间序列及受影响岸段列表的赤潮协同推演结果。

42、可选的，所述协同推演变量包括触发位置、扩张方向、跨区转移路径、持续强度以及影响岸段；

43、触发位置：河口海域生态动力模型输出的赤潮生物量增长速率首次超过设定阈值的网格单元坐标；

44、扩张方向：赤潮生物量高值区重心随时间移动的矢量方向；

45、跨区转移路径：赤潮生物量峰值中心依次穿过锋面汇聚区、浑浊滞留区、淡咸水交替区、外海输入影响区及岸线累积敏感区的空间轨迹序列；

46、持续强度：各时段内河口海域生态动力模型输出的叶绿素a浓度峰值及赤潮面积超过预警阈值的累计时长；

47、影响岸段：河口海域生态动力模型输出的赤潮生物量累积浓度达到有害等级的岸线区段编号及对应的长度。

48、本发明的有益效果：

49、本发明通过构建多源观测数据与河口海域生态动力模型的耦合解析机制，基于叶绿素a局地变化率与跨单元输运通量的协同判定，对赤潮异常进行局地藻类增殖形成与外部水团输运形成的定量区分，并进一步构建包括生成属性标签、输运属性向量及环境响应属性集合的赤潮成因分解结果；相比传统仅基于浓度分布或单一指标判断的方法，本发明能够从生成机制和输运机制两个维度对赤潮来源进行精细刻画，避免因空间混合或输运叠加导致的误判问题，从而显著提升赤潮源头识别的准确性与可靠性。

50、本发明基于赤潮成因分解结果，引入水动力-生态判别准则，对河口海域划分为锋面汇聚区、浑浊滞留区、淡咸水交替区、外海输入影响区及岸线累积敏感区，并通过空间连通性、输运方向一致性、时间衔接关系及强度变化关联，构建赤潮在不同特征区域之间的生成、接力、放大和扩散关系，形成具有时空顺序约束的赤潮接力推演链；不仅能够表征赤潮生物量在区域间的传递路径，还能够反映传递过程中强度变化与作用机制，实现由静态分布描述向动态过程表达的转变，改变了传统赤潮分析方法难以描述跨区域演化机制的技术瓶颈。

51、本发明在生态动力模型积分过程中，引入基于接力推演链的动态参数激活机制，并同步追踪触发位置、扩张方向、跨区转移路径、持续强度及影响岸段五类协同推演变量，通过建立空间连续性约束与强度匹配约束，使模型演化结果在空间路径、时间顺序及强度变化上与赤潮实际演化规律保持一致；相较于传统单变量或弱约束模型，能够避免推演过程中出现路径断裂、强度失真或岸线响应错位等问题，提升赤潮发展趋势预测的稳定性与可解释性。