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海洋工程装备的动力学模拟与优化研究一、引言海洋工程装备在海洋资源开发、海洋环境保护、海洋能源利用等方面具有不可替代的作用。
然而，由于海洋环境的复杂性和恶劣性，海洋工程装备面临着一系列独特的挑战。
为了确保海洋工程装备的可靠性和安全性，动力学模拟与优化成为了研究的重点。
二、海洋工程装备的动力学模拟1. 动力学模拟的目标与意义动力学模拟是通过建立数学模型，模拟海洋工程装备在复杂海洋环境中的运动规律和响应。
它可以帮助工程师评估装备的性能，探究装备受力和动力学特性，并指导装备的设计、改进和优化。
2. 动力学模拟的方法与技术（1）数学建模：基于牛顿力学原理，将装备和海洋环境建模为质点、刚体或弹性体，建立相应的数学方程，描述装备在海洋环境中的运动。
（2）计算流体力学模拟：通过数值计算方法，模拟海洋中的流体运动，包括水流和波浪等，以及装备与流体的相互作用。
（3）多物理场耦合模拟：考虑装备在海洋环境中受到的多种力的影响，如流体力、风力、浪力、浮力、引力等，并对这些力的作用进行耦合模拟。
3. 动力学模拟的挑战与困难（1）复杂环境：海洋环境具有变化多样的海流、波浪、风力等，装备受力情况复杂，模拟难度大。
（2）非线性响应：装备与环境的相互作用存在非线性特性，需要考虑装备附近涡流、边界层效应等。
（3）计算复杂度高：由于海洋装备的尺寸较大、运动速度较快，动力学模拟的计算量通常较大，需要借助高性能计算平台。
三、海洋工程装备的优化研究1. 优化的目标与意义海洋工程装备的优化研究旨在通过合理设计和改进，使装备在海洋环境中具有更好的性能，提高其工作效率和安全性。
优化研究可以减少装备的能耗和材料消耗，降低成本，提高利用率，延长使用寿命。
2. 优化的方法与技术（1）结构优化：通过优化装备的结构设计，减小重量和阻力，提高稳定性和强度，降低振动和噪声。
（2）流场优化：通过改变流体与装备的相互作用，减小流动阻力，提高流场分布的均匀性，优化装备的流体动力学性能。
海洋生态系统动力学模型研究进展任湘湘;李海;吴辉碇【摘要】With increasing pressure for a profound understanding of marine ecosystems, numerical modeling becomes a powerful tool for the research. The development of marine ecosystem dynamics model in the last decades is reviewed. In general, marine ecosystem dynamics model could be classified into several different categories according to various features. Typical model COHERENS (Coupled Hydrodynamical Ecological model for REgioNal Shelf seas) is introduced in this article. The latest study focussed on marine ecosystem dynamics model are summarized, for example, interaction between marine ecosystem and global climate change, biological approach models including higher trophic levels, application of ecosystem models in forecasting and public policy. Finally, issues and challenges in the marine ecosystem model in the near future are also discussed.%海洋生态系统动力学模型作为定量地认识和分析海洋生态系统现象的有力工具,近年来得到了长足发展.本文首先回顾了海洋生态动力学模型的发展历史,着重介绍了21世纪以来生态系统动力学模型的三大发展趋势:一是进一步探索海洋生态系统复杂性,二是全球气候变化与海洋生态系统的相互作用；三是不再局限于理论研究,而进入于灾害预报与评估、公共决策等应用领域.其次介绍了海洋生态动力学模型的分类及典型海洋生态动力学数值模型COHERENS的特点、功能和最新的应用情况.最后总结归纳了目前海洋生态动力学模型研究领域的几大问题与挑战,展望了该研究领域未来的发展趋势和方向.【期刊名称】《海洋预报》【年(卷),期】2012(029)001【总页数】8页(P65-72)【关键词】海洋生态系统动力学;模型;研究进展【作者】任湘湘;李海;吴辉碇【作者单位】国家海洋环境预报中心,北京100081;国家海洋环境预报中心,北京100081;国家海洋环境预报中心,北京100081【正文语种】中文【中图分类】Q178海洋生态系统动力学的发展过程自始至终与现代海洋学的发展过程交织在一起，密不可分，这是由海洋学的特性所决定的。
海洋水动力过程与生态系统相互作用的模拟与研究海洋水动力过程（Oceanic Hydrodynamic Processes）与生态系统相互作用的模拟与研究摘要：海洋是地球上最广阔的生态系统之一，其水动力过程对生态系统的形成和维持起着重要的作用。
随着科技的发展，模拟和研究海洋水动力过程与生态系统相互作用的方法和技术得到了很大的进展。
本论文旨在综述海洋水动力过程与生态系统相互作用的模拟与研究的最新进展，并探讨未来的发展方向。
关键词：海洋水动力过程，生态系统，模拟，研究，进展一、引言海洋是地球上最广阔的生态系统之一，占据了地球表面的70%以上。
海洋生态系统的形成和维持与海洋的水动力过程密切相关。
海洋水动力过程是指海洋中水的运动和变化的过程，包括海流、洋流、浪、潮和海洋混合等。
这些水动力过程对海洋生态系统中的物质输运、能量传递和生物多样性的维持起着重要的作用。
模拟和研究海洋水动力过程与生态系统相互作用对于理解海洋生态系统的结构和功能、预测和评估人类活动对海洋生态系统的影响具有重要的意义。
二、海洋水动力过程与生态系统相互作用的模拟方法海洋水动力过程与生态系统相互作用的模拟方法主要包括三个方面：数学模型、实验室模拟和现场观测。
数学模型是通过建立物理、化学和生物过程的数学方程来模拟和研究海洋水体中的运动和变化的。
数学模型可以分为两种类型：流体动力学模型和生态模型。
流体动力学模型主要研究海流、洋流、浪和潮等物理过程，而生态模型则主要研究海洋生态系统中的生物过程。
实验室模拟是通过在实验室中模拟海洋水动力过程和生态系统相互作用来研究的。
现场观测则是通过在海洋中收集与海洋水动力过程和生态系统相关的数据来研究的。
三、海洋水动力过程与生态系统相互作用的研究进展近年来，海洋水动力过程与生态系统相互作用的研究取得了很多重要的进展。
一方面，随着计算机技术和数值方法的发展，数学模型在模拟和研究海洋水动力过程与生态系统相互作用方面发挥了重要的作用。
第20卷第12期2005年12月地球科学进展A DVANCE S I N E AR TH S C I ENC EV o l.20 N o.12D e c.，2005文章编号：1001-8166（2005）12-1288-12中国近海生态系统动力学研究进展*唐启升1，苏纪兰2，孙 松3，张 经4，5，黄大吉2，金显仕1，仝龄1（1.中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东 青岛 266071；2.国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071；4.中国海洋大学，山东 青岛 266003；5.华东师范大学，上海 200062）摘 要：全球海洋生态系统动力学是全球变化和海洋可持续科学研究领域的重要内容，当今海洋科学最为活跃的国际前沿研究领域之一。
以国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“东、黄海生态系统动力学与生物资源可持续利用（1999—2004）”的研究成果为主，介绍中国近海生态系统动力学研究进展及其发展趋势。
关 键 词：全球海洋生态系统动力学；中国近海；海洋科学中图分类号：Q178．53 文献标识码：A 全球海洋生态系统动力学（G l o b a l O cea n E c o-s y s t e m D y n a m i c s，G L OBE C）是全球变化和海洋可持续科学研究领域的重要内容，当今海洋科学最为活跃的国际前沿研究领域之一，其目标是：提高对全球海洋生态系统及其亚系统的结构和功能以及它对物理压力响应的认识，发展预测海洋生态系统对全球变化响应的能力。
考虑到我国海洋科学研究的实际情况以及“浅海”、“陆架”是我国海域显著特点等原因，在我国G L OBE C发展之初，在研究目标区选择上确定了与国际略有不同的发展策略，即确立以近海陆架为主的中国海洋生态系统动力学研究的发展目标，提出建立我国海洋生态系统基础知识体系的战略目标。
本文以2004年完成的国家重点基础研究发展计划项目：“东、黄海生态系统动力学与生物资源可持续利用（1999—2004）”的研究成果为主，介绍中国近海生态系统动力学研究进展及其发展趋势。
海洋生态动力学模型在海洋生态保护中的应用樊娟;刘春光;冯剑丰;王君丽;彭士涛【摘要】介绍了海洋生态动力学模型的基本组成和分类.从初级生产力模拟、生态系统过程模拟和生态影响评价模拟三方面阐述了生态动力学模型在海洋生态保护中的应用,最后总结了海洋生态动力学模型研究中亟待解决的问题.【期刊名称】《海洋通报》【年(卷),期】2010(029)001【总页数】6页(P78-83)【关键词】海洋生态动力学模型;初级生产力模拟;生态系统过程模拟;生态影响评价模拟;海洋生态保护【作者】樊娟;刘春光;冯剑丰;王君丽;彭士涛【作者单位】南开大学环境科学与工程学院,环境污染过程与基准教育部重点实验室,天津,300071;南开大学环境科学与工程学院,环境污染过程与基准教育部重点实验室,天津,300071;南开大学环境科学与工程学院,环境污染过程与基准教育部重点实验室,天津,300071;南开大学环境科学与工程学院,环境污染过程与基准教育部重点实验室,天津,300071;南开大学环境科学与工程学院,环境污染过程与基准教育部重点实验室,天津,300071;交通部,天津水运工程科学研究院,300456【正文语种】中文【中图分类】P735海洋生态动力学模型自20世纪40年代产生以来，一直被认为是除了现场调查和模拟实验（包括实验室模拟和现场模拟）之外研究海洋生态系统的一种有效方法[1,2]。
模型构建的目的在于，为揭示海洋生态系统的循环机制，模拟和预测它的变化，以及为维持海洋生态系统的健康发展和重建提供科学的依据[3]。
建立评估海洋生态状况和预测海洋生态平衡和演变的生态动力学模型，已成为国内外海洋研究者的关注热点[4]。
本文在介绍海洋生态动力学模型的基础上，详细分析了应用于海洋生态保护中的各类生态动力学模型，提出了当前研究中存在的主要问题，旨在为相关研究者进一步开展海洋生态保护的工作提供参考。
海洋生态动力学已经成为海洋科学最重要的研究领域之一，其中动力学模型是一项主要的研究内容，也是全球性的研究热点。
海洋生态系统的演化与动力学研究海洋生态系统是地球上最大的生态系统之一，包含了广阔的海洋水域、海底地形以及大量的生物物种。
这个复杂而庞大的系统在长时间尺度上经历了许多演化过程，并受到了各种动力学因素的影响。
本文将探讨海洋生态系统的演化与动力学研究。
一、海洋生态系统的演化过程海洋生态系统的演化过程可以追溯到数十亿年前。
最早的海洋生物出现在距今大约35亿年前的古元古代，随着时间的推移，海洋生物逐渐从单细胞生物演化成了多细胞生物。
古生代时期，生物多样性开始显著增加，海洋生态系统内出现了各种鱼类、无脊椎动物和植物。
中生代和新生代时期，随着陆地的分裂和碰撞，海洋生态系统发生了巨大改变，许多新的物种诞生，海洋生物逐渐形成了今天的多样性。
二、影响海洋生态系统演化的动力学因素1. 温度和气候变化海洋生态系统的发展受到气候变化的直接影响。
全球变暖会导致海洋的温度上升，这将对海洋生物的繁殖、迁徙和生活环境产生深远的影响。
温度升高可能导致海洋生物的生长周期缩短，种群数量增加或减少等现象发生。
2. 海洋环流和水动力学海洋环流和水动力学对海洋生态系统的演化起着至关重要的作用。
海洋环流的变化会导致水域中的养分分布不均，影响海洋生物的生长和繁殖。
此外，水动力学过程也会导致海洋生态系统内的水体混合，从而影响物种的分布。
3. 内源性和外源性营养输入海洋生态系统中的营养输入是维持生态平衡的重要因素之一。
营养物质的来源可以是海底地形的溶解物质、大气降水中的微量元素，以及来自陆地输入的溶解有机质。
这些养分源的变化都将对海洋生态系统的演化产生影响。
4. 人类活动随着人类活动的不断增加，如过度捕捞、海洋污染和气候变化等，海洋生态系统正面临前所未有的压力。
这些人为因素对海洋生物的生存环境和种群数量造成了严重威胁，导致生物多样性的减少以及生态系统的不稳定。
三、海洋生态系统动力学研究方法为了深入了解海洋生态系统的演化和动力学过程，科学家们采用了多种研究方法。
海洋生态系统模型的构建与应用海洋，这一广袤而神秘的领域，承载着地球上无数的生命和生态过程。
对于海洋生态系统的研究，构建模型是一种重要的手段。
通过模型，我们能够更深入地理解海洋生态系统的运作机制，预测其未来的变化，并为保护和管理海洋资源提供科学依据。
海洋生态系统模型的构建并非易事，它需要综合多学科的知识和数据。
首先，我们需要对海洋生态系统的各个组成部分有清晰的认识，包括浮游生物、鱼类、贝类、海草等生物群落，以及海洋的物理环境，如温度、盐度、洋流等。
同时，还需要了解生物之间的相互作用，如捕食、竞争、共生等关系。
在收集了这些基础数据后，接下来就是选择合适的模型框架。
常见的模型类型有基于个体的模型、生态系统动力学模型和食物网模型等。
基于个体的模型关注每个生物个体的特性和行为，能够细致地模拟生物的生长、繁殖和死亡过程。
生态系统动力学模型则侧重于研究生态系统中物质和能量的流动与转化。
食物网模型则重点描绘生物之间的摄食关系。
以生态系统动力学模型为例，其通常包含一系列的方程来描述生态过程。
比如，用于计算浮游植物光合作用的速率、浮游动物对浮游植物的摄食率、营养盐的循环等。
这些方程中的参数往往需要通过实验数据或者现场观测来确定。
为了提高模型的准确性和可靠性，还需要进行模型的验证和校准。
这意味着将模型的输出结果与实际观测数据进行对比，如果存在偏差，就需要调整模型的参数，直到模型能够较好地重现观测到的生态现象。
构建好海洋生态系统模型后，其应用领域非常广泛。
在渔业管理方面，模型可以帮助我们预测不同捕捞策略下鱼类种群的变化，从而制定可持续的捕捞配额，以确保渔业资源的长期稳定。
例如，通过模拟过度捕捞对鱼类种群的影响，可以及时调整捕捞力度，避免资源枯竭。
在海洋环境保护中，模型能够评估人类活动对海洋生态系统的影响。
比如，预测污水排放、石油泄漏等事件对海洋生物的危害程度，为制定相应的环境保护措施提供依据。
同时，模型还可以帮助我们规划海洋保护区的位置和范围，以最大程度地保护海洋生物的多样性。
海洋生态系统的动态变化与模型海洋是地球上最广阔的生态系统之一，它承载着丰富多样的生物群落和复杂的生态过程。
然而，由于气候变化、人类活动和污染等因素的影响，海洋生态系统正在发生着动态的变化。
为了更好地理解和预测这种变化，科学家们开展了许多研究，并建立了各种模型来模拟海洋生态系统的动态变化。
一、海洋生态系统的动态变化1. 气候变化的影响全球气候变化导致海洋温度上升、海平面上升和海水酸化等问题。
这些变化对海洋生物的生存和繁衍产生了直接的影响。
例如，海水温度上升可能导致海洋生物的栖息地减少或迁移，影响它们的生态系统功能。
2. 过度捕捞与损失生物多样性过度捕捞是海洋生态系统动态变化的主要原因之一。
过度捕捞导致了海洋生物种群的减少，破坏了生物多样性。
这种损失会对海洋食物链和生态平衡产生长期的影响，威胁到整个生态系统的稳定性。
3. 污染对海洋生态系统的影响海洋污染包括油污染、塑料垃圾和化学品排放等。
这些污染物会对海洋生物造成伤害，破坏其生存环境。
同时，污染还会扰乱海洋生态系统中的营养循环和物质转化过程。
二、海洋生态系统动态变化的模型1. 物理模型物理模型通过模拟海洋流体运动和海洋动力学过程，研究海洋温度、盐度、海流等的变化。
这种模型可以帮助科学家预测海洋温升、海流变动等情况，为海洋生态系统变化提供基础数据。
2. 生态模型生态模型是通过对海洋生物种群和生态过程进行建模，分析其相互作用和影响。
这种模型可以模拟物种的分布、种群数量的变化，以及生物之间的竞争和捕食关系等，为理解海洋生态系统变化提供重要参考。
3. 综合模型综合模型是将物理模型和生态模型结合起来，综合考虑海洋环境变化和生物响应之间的相互作用。
这种模型综合考虑了海洋动力学、生态学和化学等多个方面的因素，能够更细致地预测和解释海洋生态系统动态变化。
三、海洋生态系统模型的应用与挑战1. 应用领域海洋生态系统模型在许多方面有着广泛的应用。
例如，它们可以用于评估气候变化对渔业资源的影响，预测海洋污染事件的扩散范围，以及制定海洋保护区规划等。
海洋生态学的研究方法与进展海洋生态学是研究海洋生态系统及其相互作用的学科领域，涉及到生物学、地球科学、化学等多个学科。
随着人类对海洋资源的需求日益增长，海洋生态学研究变得愈发重要。
本文将探讨海洋生态学的研究方法及其进展，并展望未来的发展方向。
一、海洋生态学的研究方法1. 田野调查和观测方法田野调查是海洋生态学研究的基础，通过对目标海区域的观测和采样，以了解该海域的生态特征和生物多样性。
常用的观测方法包括潜水、摄像、捕捞等。
这些方法能够直接收集海洋生物和环境信息，为后续的实验室研究提供数据支持。
2. 实验室研究方法实验室研究方法主要通过控制变量，模拟特定条件进行实验，以深入了解特定生态过程和相互关系。
例如，通过温度、盐度和光照等环境变量的调控，可以研究生物对环境的适应性和相互关系等。
3. 数据分析和模型建立海洋生态学研究通常需要处理大量的生态数据，如物种分布数据、环境参数数据等。
数据分析方法包括统计分析、聚类分析和生态模型建立等。
生态模型可以根据不同的假设和模拟参数预测生态系统的动态演变过程，从而为生态学研究提供理论依据。
二、海洋生态学研究的进展1. 生物多样性保护与管理随着捕捞、海洋污染和气候变化等人类活动的增加，海洋生物多样性面临着严重的威胁。
因此，海洋生态学研究逐渐转向生物多样性保护与管理方向。
研究人员通过评估物种丰富度、物种组成和生态系统功能等指标，提出了一系列的保护措施，包括建立海洋保护区和采取可持续的渔业管理措施。
2. 海洋食物网研究海洋食物网是描述海洋生态系统中不同生物之间的营养关系的模型。
研究海洋食物网是了解海洋生态系统结构和功能的关键。
近年来，随着分子生物学和同位素技术的发展，研究人员能够更加准确地探究食物网中各物种的相互关系和能量流动路径。
3. 海洋污染与环境变化研究海洋污染和环境变化对海洋生态系统造成了严重威胁。
研究人员通过研究污染物对生物的毒性和累积效应，以及环境变化对海洋生态系统的影响，为制定和实施有效的保护措施提供科学依据。
海洋水文动力学的研究进展海洋，占据了地球表面约 71%的面积，是地球上最为广阔和神秘的领域之一。
海洋水文动力学作为研究海洋中各种物理过程和现象的学科，对于我们理解海洋的运行机制、气候变化、生态系统以及人类活动对海洋的影响等方面都具有至关重要的意义。
近年来，随着观测技术的不断进步、数值模拟方法的日益完善以及跨学科研究的深入开展，海洋水文动力学取得了一系列显著的研究进展。
在观测技术方面，各种先进的仪器和设备使得我们能够更加精确和全面地获取海洋中的物理参数。
卫星遥感技术的应用为我们提供了大范围、长时间序列的海洋表面信息，如海面温度、海流速度、海浪高度等。
通过卫星高度计，我们可以测量全球海平面的变化，从而深入了解海洋的热容量和环流模式。
此外，声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、温盐深测量仪（CTD）等现场观测仪器的精度和分辨率不断提高，使我们能够获取海洋内部更加详细的三维结构和动态变化。
这些观测数据为海洋水文动力学的研究提供了坚实的基础。
数值模拟是海洋水文动力学研究的重要手段之一。
随着计算机性能的不断提升，数值模式的分辨率和复杂度也在不断增加。
全球海洋环流模式（OGCM）能够模拟海洋中的大尺度环流系统，如赤道流、湾流等，以及它们与气候系统的相互作用。
区域海洋模式则可以针对特定的海域进行更加精细的模拟，例如沿海地区的上升流、河口的盐水入侵等。
同时，耦合模式的发展将海洋、大气、海冰等多个系统综合考虑，为研究气候变化背景下的海洋响应提供了更全面的视角。
在数值模拟中，参数化方案的改进也是一个关键问题。
例如，对于海洋中的混合过程、涡旋的作用等，如何更加准确地进行参数化，以提高模拟结果的可靠性，一直是研究的热点和难点。
海洋中的中尺度涡旋是近年来研究的重点之一。
中尺度涡旋是一种直径在几十到几百千米之间的海洋涡旋，它们在海洋中广泛存在，并且对海洋的物质和能量输送、生态系统等有着重要的影响。
研究发现，中尺度涡旋不仅能够改变海流的路径和速度，还能够影响海洋中的温度、盐度分布以及营养盐的输送。
第18卷第3期2003年6月地球科学进展ADVANCE I N E AR TH SCIE NCE SVol.18 No.3Jun.,2003文章编号:1001-8166(2003)03-0427-06海洋生态系统动力学模型及其研究进展刘桂梅1,2,孙 松1,王 辉3(1.中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点试验室,山东 青岛 266071;2.中国科学院大气物理研究所,I CCE S,北京 100029;3.国家自然科学基金委员会地球科学部,北京 100085)摘 要:海洋生态系统动力学研究是当前多学科交叉研究的热门领域,依据国内外研究进展,分别就人们在模型研究中所采用的过程模型、个体模型、种群模型、种间模型及生态系统模型进行了介绍,并概述了当前国际上的研究热点全球变化与海洋生态系统动力学研究,总结了我国的海洋生态系统动力学研究现状以及进一步研究中存在的问题和发展趋势。
关 键 词:海洋生态系统动力学;模型;全球变化中图分类号:P731.2 文献标识码:A 20世纪60年代后期,海洋生态系统结构、功能、食物链、生物生产力等方面的研究逐渐增多,科学家们注意到海洋生物资源的变动并非完全受捕捞的影响,环境变化对生物资源补充量有重要影响,与全球气候波动也密切相关。
一批生物、渔业海洋学家还认为,浮游动物的动态变化不仅影响许多鱼类和无脊椎动物种群的生物量,同时浮游动物在形成生态系统结构和生源要素循环中起重要作用,对全球的气候系统产生影响。
从全球变化的意义上研究海洋生态系统被提到日程上来,众多全球性的国际海洋计划应运而生:热带海洋与全球大气计划(TO-GA)、世界海洋环流实验(W OCE)、全球海洋通量联合研究(JGOFS)、海岸带陆海相互作用(LOICZ)和全球海洋观测系统(GOOS)等。
1995年全球海洋生态系统动力学研究计划(GL OBEC)被纳入国际地圈生物圈计划(I GBP)的核心计划,海洋生态系统动力学研究成为当今海洋科学跨学科研究的国际前沿领域[1～3]。
我国的诸多学者曾对浮游植物模型、近岸模型、河口模型等进行报道[4～7]。
浮游动物作为从基础生产者到高层捕食者的中间环节,在海洋生态系统中起到承上启下的作用,同时也是研究海洋生态系统必不可少的研究对象,不同种类的浮游动物在生态系统中的功能作用不同,本文主要对涉及浮游动物不同研究层次的过程模型、个体模型、种群模型、种间模型及生态系统模型进行了介绍。
1 模型分类1.1 过程模型最初广泛应用于种群动力学的模型有许多可以看作是过程模型,如用于两种相互竞争的种群增长的捕食者—被捕食者Lotka-Volterra方程、摄食率与饵料浓度的线性关系[8,9]和Michaelis-Menten关系、温度对代谢率影响的Q10法则等。
这种模型主要用来解决生物个体的生理机能或生理参数和生物功能间的关系,以回归方程、直线或曲线表示。
特点是能较好地反映数据样本的统计特征,用来确定表达率及确定性模型所需参数,但往往难以刻画生物过程的动力学规律。
收稿日期:2001-11-08;修回日期:2002-12-07.＊基金项目:国家自然科学基金项目“渤海生物—物理相互作用的过程研究”(编号:49976032);国家重点基础研究发展规划项目“东、黄海生态系统动力学与生物资源可持续利用”(编号:G1*******-02,-08);中国科学院百人计划“中国典型海区生态系统动力学模式研究———渤海”(编号:131)资助. 作者简介:刘桂梅(1973-),女,北京人,助研,主要从事海洋生态系统动力学过程研究和模型研究.E-mail:liuguimei@还有一种典型的过程模型是使用围隔实验进行生态系的模拟[10],它们的大小范围从小型的烧杯到体积超过1000m 3的大容器,这种模型的优点是能经得起受控实验的检验,胜过数值模型的优点是易于完整地保存自然系统中很多微妙的反馈,其中有很多是我们所不了解也无法输入数值到模型中去的,还可用于确定数值模型所需参数。
但用于预报工作时,模型的尺度问题是最大的难点,难以重现不同大小生物体之间固有的相互作用以及生物体和诸如光及扰动之类的物理因素之间固有的相互作用。
事实上,对系统的认识依赖于对组成该系统的诸过程的认识,因此过程模型就显得非常重要。
I GBP 的核心计划之一的全球海洋生态系统动力学计划中尤为强调过程研究的关键性和重要性[1～3]。
1.2 个体模型、种群模型和种间模型这三种模型分别以个体、个体的集合体、不同生物种类为研究对象。
个体模型通常用来计算个体能量收支和生长。
如Carlotti [11]详细介绍了雌性个体Calanus finmarchi -cus 的卵母细胞成熟过程,模型中考虑了肠道内摄取的物质向身体各个部分的转移。
并通过与实验数据比较表明对于这一物种的产卵量不仅依赖于外部条件,也与内部构成状态有着重要关系。
这种模型将生长表示为食物摄食总量与个体日常活动的新陈代谢消耗之间的差异:生长(G )=摄食(I )-排粪(Eg )-新陈代谢消耗(ML )-生殖努力(RG )-其它损失(molts ,etc .),其中新陈代谢消耗包括呼吸与排泄过程。
摄食影响的因子包括食物浓度、食物质量、温度、光强及生物体重量等,但是单独考虑某因子与综合考虑诸因子的影响是不一样的。
生物幼体经过不同发育期发育成成体最终死亡的过程是复杂的,Wroble wski [12]将A cartia clausi 种群分为四组卵、无节幼体、桡足幼体、成体,建立了一简单的生长期(SSM ,Stage Structured Population Models )种群模型:卵:d N 1d t=R -α1N 1-μ1N 1无节幼体:d N 2d t =α1N 1-α2N 2-μ2N 2桡足幼体:d N 3d t =α2N 2-α3N 3-μ3N 3成体:d N 4d t=α3N 3-μ4N 4式中,R 为补充量,α为某一期对下一期的转化率,μ为各期死亡率。
在这个模型中,某一期对下一期的转化和死亡均被表示为线性关系,转化率为常数,由于不同个体的发育期不同,该模型并不完全能模拟实际现象。
还有些种群模型是通过与种群结构相关的年龄(ASM ,Age Str uctured Population Models )、大小(SISM ,Size Structured Population Models )和重量(Weight Structured Population Models )等变量建立。
为了更好的与实际相结合,人们通常在个体模型基础上建立种群模型IB Ms (Individual -based Mod -els ):即把种群看成是个体的集合体,每个个体用它自身的变量(年龄、大小、重量等)表示,某一期的个体又受其它个体及环境影响。
如Daniel 等[13]将飞马哲水蚤分成13个状态期,生长发育过程中考虑了温度和饵料的影响,利用物理与生物耦合模型对缅因湾(Gulf of Maine )的飞马哲水蚤越冬机制进行了种群动力学研究。
Miller 等[14]建立的一简单的物理环流与IB Ms 飞马哲水蚤种群动力学耦合模型并将其应用于美国的乔治滩(George Bank ),该模型包含6个变量,分别用来确定位置(3)、个体的生存或死亡(1)、生长期(1)、某一生长期的相对年龄(1),温度在发育和成熟期都是限制因子,桡足类第5期有进入休眠期的可能,并考虑了环流对其影响。
这种模型与物理模型相耦合,计算量大,通常被用来模拟某一种类的形态、生长及发展的变化,也可以模拟在物理条件影响下的运动轨迹。
种间模型是增加了其它生物种类,用于研究不同种类之间的相互捕食等关系[15,16]。
1.3 系统模型生态系统模型近几年出现的很多,更趋向于物理、化学与生物相结合,主要研究系统内能量流动、物质循环和信息流及其稳态调节机制。
这种模型中较为突出一种的是欧洲区域海洋生态模型(ERSE M ,European Regional Sea Ec osystem Model )[17],以生态系统中的能量流和物质流为研究主线,通过综合性模型系统地分析各个生物、化学变量的演变规律,突出了系统性建模和对区域实际生态系统模拟的重要性,该模型在一定程度上模拟了欧州北海生态系统的总结构,并对各亚系统之间的相互作用以及系统中物流通量提供了新的认识。
另一种海洋生态系统动力学模型研究重在突出物理与生物相互作用机制研究对复杂的生态系统动力学的影响。
最简单的包含浮游动物的生态系统模型仅含有3个变量:营养盐(N )、浮游植物(P )、浮游动物(Z ),也称NPZ 模428 地球科学进展 第18卷型[18]。
这种模型把所有类型的浮游动物归结为一个变量(Z )来处理,模型中可以考虑物理过程驱动,如湍流、上升流等,营养盐(N )、浮游植物(P )、浮游动物(Z )三者之间的关系通常简单表示为:d Nd t=输入量-浮游植物摄取营养盐量+浮游动物新陈代谢损失量d Pd t =浮游植物摄取营养盐量-浮游动物摄食浮游植物量d Zd t=浮游动物摄食浮游植物量-浮游动物新陈代谢损失量-被捕食量在很多情况下,仅含有3个变量来描述浮游生态系统是远远不够的,尤其对于浮游动物的研究,但增加多个变量的范围很大而且可以是很多不同的类型,模型中可以含多种营养盐,浮游动物也可以由一个增加到几个[19,20]。
2 全球变化与海洋生态系统动力学的研究厄尔尼诺的发生使人们认识到大尺度的气候变动对全球生态系统的重要影响,从全球变化的意义上研究海洋生态系统被提到重要日程上来。
在过去一个世纪中,温室效应使地球平均气温升高0.5～1℃。
鱼是一种变温动物,如果其原有栖息水域水温升高,鱼类往往选择向水温较低的更高纬度或外海水域迁移,从而导致水域初级生产浮游植物和次级生产者浮游动物的时空分布和地理群落构成发生长期趋势性变化:McGo wan 等[21]利用长期观测的海表温度监测环境扰动,发现温度变化、厄尔尼诺的变动严重干扰并改变了太平洋东北部的浮游动物生物量及整个生态系统;Greene 等[22]分析了大西洋西北年代际的气候波动对浮游动物飞马哲水蚤的丰度的影响;Stenseth 等[23]总结了北大西洋波动、厄尔尼诺对生态系统的过程和分布的影响;大量的观测现象表明大尺度、低频气候变动严重影响着生态系统的结构和功能[24～26]。
尽管从这种现象分析我们了解到气候变化对生态系统的影响,但很难找出导致这种变化的最基本的动力机制,人们开始借助动力学数值模型研究寻求气候变动与生物资源之间复杂关系[27,28]。
但要做到模拟或预测全球变化对生物多样性及生态系统的影响是非常困难的,因为生物过程都对温度的改变有响应,物理过程、生物过程、化学过程等各种过程之间是非线性相互作用,个体、种群、整个生态系统及其与周围环境之间关系错综复杂。
