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海洋生态系统动力学

'海洋生态系统动力学'
定义 研究的意义主要 研究进展内容 动力学模型一、定义 ?中文名称:海洋生态系统动力学 ?英文名称:marine ecosystem dynamics ?定义:研究海洋生态系统在海洋动力条件驱动下 动态变化的学科。 二、海洋生态系统动力学研究的意义?到21世纪中叶,我国人口将达到16亿,耕地减少和人口增加的矛盾更加突出,满足日益增长的食物和优质动物蛋白的需求是一个十分艰巨的任务,而海洋是尚未充分开发利用的最大疆域,具有巨大的动物蛋白生产潜力。海洋作为我国现在和未来赖以生存与发展的重要基础,己引起国家和社会的高度重视。?我国海洋渔业发展过程中,产业的母体——近海生态系统的服务和产出发生了一些令人担忧的变化,明显影响了海洋产业的可持续发展,经济损失巨大。?海洋生态系统动力学研究把我国近海生态系统(如东、黄海生态系统)视为一个有机的整体,以物理过程与生物过程相互作用和耦合为核心,研究生态系统的结构、功能及其时空演变规律,定量物理、化学、生物过程对海洋生态系统的影响及生态系统的响应和反馈机制,并预测其动态变化,有望在我国近海生态系统动力学关键过程和生物资源补充机制研究上取得突破。?海洋生态系统动力学研究不仅能使集多种机制于一体的我国近海陆架生态系统动力学科学理论体系和研究队伍进入国际先进行列,推动全球海洋生态系统动力学研究发展,同时对解决我国近海海洋可持续发展过程中出现的资源和环境问题也具有典型的科学意义,为建立我国近海可持续发展的生态系统、合理的渔业管理体系和负责任的捕捞制度提供科学依据。三、生态系统动力学研究进展 国外研究进展简况 全球海洋生态系统动力学 国外研究进展简况国外研究进展简况 ?1991年在国际海洋的推动下,GLOBEC开始筹划。 ?1995年被遴选为国际地圈生物圈计划(IG-BP)的核心计 划,使海洋生态系统动力学研究成为海洋科学跨学科研究 的国际前沿领域。 ?国际IG-BP/GLOBEC科学指导委员会于1997年公布GLOBEC 科学计划。 ?1999年公布了GLOBEC实施计划。 全球海洋生态系统动力学 ?根本任务: ②确①认更具好有地代认表识性多意尺义度的的结物构理与环多境变过的程海洋 ③通过使用物理学、生物学和化学耦合模式以 系④统通之过间定对的性海关和洋系定生,量态侧反大重馈规于机模营制的养,影动确响力认;学变通化道中及其 变及化适和当营的养观质测量系在统食,物确网认中全的球作系用统的对研群究体;动 力学的的海影洋响生,态并系发统展对预全测球未系来统变的化影的响能。力;全球海洋生态系统动力学 ?研究重点: ?(1)通过重检、综合历史资料,建立发展全球 海洋系统模式的基础 ?(2)开展关键性的生物和物理过程研究。重点 认识营养动力学通道,尤其是它们的变化和食物 网营养质量的作用。全球海洋生态系统动力学 ?(3)发展多学科耦合模拟、观测系统的预测和 建模能力。 ?(4)同其它海洋、大气、陆地和社会全球变化 研究合作,评估海洋生态系统变化对全球地球系 统的反馈作用。4 个区域性研究计划 ?北大西洋的“鳕鱼与气候变化” ?北太平洋的“气候变化与容纳量” ?极地洋区的“南大洋生态系统动力学” ?全球性的“小型中上层鱼类与气候变化”国内研究进展简况 ?1994 年在国家自然科学基金委员会支持下,开展了我国 海洋生态系统动力学发展战略研究,着手制定我国海洋生 态系统动力学发展规划。 ?1996 年国家自然科学基金委员会不失时机地启动了“渤 海生态系统动力学与生物源持续利用”重大基金项目研究 ?1999 年,国家科技部正式其战启略动目了标是国:家①重确认点自基然础变化研和究人发类活展动对 我国近海生态系统的影响及其变化机制,建立 规划项目“东、黄海生态系我国统近动海力生态学系与统生基础物知资识源体系可;持②续定量利研究 用”。 我国近海生态系统动力学过程,预测其动态变 化,寻求海洋产业持续发展的调控途径;③促 成多学科交叉研究与综合观测体制,造就一支 跻身于国际先进行列的优秀中青年研究群体四、海洋生态系统动力学模型 l发展概况 l研究方法与建模原则 l结构模型特征及分类 l模型研究不足之处发展概况 ?海洋生态系统动力学模型是受了Volterra在20世纪早期 建立的生态学数学模型的启发。 ? 1949年Riley与著名的物理海洋学家Stommel联合发表的 一个关于西北大西洋浮游植物动力学模型。 ?20世纪80年代以来,在围绕大西洋北海和地中海生态研 究以及美国乔治亚海和日本若干海湾的生态研究中,提出 了几十个不同营养层次和类型的海洋生态动力学模型。 ?进入20世纪90年代,海洋生态系统研究异常活跃,并进 入了强调“动力学”,研究的时期。 ?现在,欧洲几国合作建立的北海生态系统模型ERSEM已是 第二代产品。?近年来我国在生态动力学模型的研究?吴增茂与俞光耀、崔茂常、魏皓、刘桂梅、乔方利等分别采用不同的模型对不同海域进行了研究 ?翟雪梅和张志南开发了生态建模软件,比较成功的模拟了养虾池的生态演变过程 ?吴增茂与俞光耀等对胶州湾水体中营养盐浮游植物、浮游动物DO、POC、DOC等的周年变化作了较好的模拟再现?崔茂常等对中国东海中心区域的简单的生态模型模拟了包括浮游植物、浮游动物、自养和异养细菌硝酸和DOC在内各组分垂直分布的季节特征。海洋生态系统动力学模型的研究方法及建模原则 ?建模和数值模拟研究中应遵循以下原则 包括系统中的全部的基本生物学方面及其同环境 相互作用方面的组合 合适的空间和时间分辨率,既要进行物质平衡诊 断又要进行系统演变预测分析 应避免使用纯理论的概念化的东西 最好采用显式的手法与灵活的数学技巧 生物量平衡和营养动力学的计算应以顶级捕食者 开始,可将这些顶级捕食处理为系统的强迫函数?建模的过程大体上可归为以下几个步骤 确定模型结构变量及作用力 选试生物过程的经验公式 选择生物参数 验证稳定性和参数的敏感性海洋生态系统动力学模型的结构特征及分类 ?海洋生态动力学模型都具有非常复杂的结构特征 非线性动 具有层次 力学特征 性 生态系统各层次之间及 由于生态系统中各主要子 系统内各界面间,以及 过程,如竞争、共生、捕 系统与环境间都存在着 食与被捕食等过程都具有 物质、能量和信息的交 非线性动力学的特征,因 换,所以说具有层次性 此也就决定了非线性过程 是生态动力学模型的另 是生态动力学模型中的基 一个基本特征 本的和主导过程 生态系统动力学模型(一) 一 过程模型 从涉及浮游动物不 二 个体模型、种群模型和种间模型 同研究层次来划分 有如下几种模型 三 系统模型生态系统动力学模型(二)模型举例 汉堡欧洲北海生态模型 ?汉堡欧洲北海生态模型(ECOHAM)是一个三维的 欧洲北海初级生产力模型,是由汉堡大学海洋研 究所近年来发展起来的,并已成功地进行了欧洲 北海生态系统一年的初级生产力的模拟。欧洲北海生态模型结构模型基本方程?式中:A:浮游植物含量 P:磷含量 D:底栖碎屑含量 I:水下光强 ωS 浮游植物沉降速度(Ax Ay Az)湍流扩散系数 PROD:初级生产力 RESP:呼吸作用 DEAD:死亡率 GRAZ:捕食率 UPTA:营养盐吸收 RELE:营养盐释放 REMW:再矿化作用 ?EXCR:排泄作用 QUEL:河流输入 REMB:底部再矿化作用 DETR:碎屑物质沉降 CHL:叶绿素 K:消光系数海洋生态动力学的研究处于初级阶段,是一个新兴的研究领域,会存在哪些不足呢?模型研究的不足之处(一) ?1 模型正向着结构愈来愈复杂的方向发展,即便如此, 仍不能全面地反映实际海区中发生的主要过程,尤其是生 态动力学模型的功能单位中极少包含鱼类,使得现有模型 与生态系统的真实状况存在一定差距; ?2 海洋生态动力学模型与有针对性的现场观测和模拟实 验等工作是互相促进的,由于后者数据匾乏,往往无法向 模型提供理想的参数,降低了模拟结果的准确性,突出表 现在模拟结果仅能在某一时段内与实际值有良好吻合; ?3 理想的生态动力学模型在应用范围上应具有普遍性, 但是这一要求很难与现实性、准确性同时实现;模型研究的不足之处(二) ?4 质量守恒假定不可避免地引导研究者依赖于“源”、 “汇”项,但是“源”、“汇”的使用必然会显著地剥削 动力学模型的功能,特别是它们的“自组织”能力; ?5 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 了这一学科的研究停滞不前; ?6 传统的生态动力学模型忽略了作为环境的物理场作用 而过于强调生物过程自身的完整性,虽然这类生态模型有 助于对理想条件下生物自身循环过程的了解,但由于缺少 真实的物理场背景而无法用于模拟实际海洋中三维生态场 的时空分布。海洋生态系统的进一步巩固需要我们每个人的共同努力! 定义 研究的意义主要 研究进展内容 动力学模型一、定义 ?中文名称:海洋生态系统动力学 ?英文名称:marine ecosystem dynamics ?定义:研究海洋生态系统在海洋动力条件驱动下 动态变化的学科。 二、海洋生态系统动力学研究的意义?到21世纪中叶,我国人口将达到16亿,耕地减少和人口增加的矛盾更加突出,满足日益增长的食物和优质动物蛋白的需求是一个十分艰巨的任务,而海洋是尚未充分开发利用的最大疆域,具有巨大的动物蛋白生产潜力。海洋作为我国现在和未来赖以生存与发展的重要基础,己引起国家和社会的高度重视。?我国海洋渔业发展过程中,产业的母体——近海生态系统的服务和产出发生了一些令人担忧的变化,明显影响了海洋产业的可持续发展,经济损失巨大。?海洋生态系统动力学研究把我国近海生态系统(如东、黄海生态系统)视为一个有机的整体,以物理过程与生物过程相互作用和耦合为核心,研究生态系统的结构、功能及其时空演变规律,定量物理、化学、生物过程对海洋生态系统的影响及生态系统的响应和反馈机制,并预测其动态变化,有望在我国近海生态系统动力学关键过程和生物资源补充机制研究上取得突破。?海洋生态系统动力学研究不仅能使集多种机制于一体的我国近海陆架生态系统动力学科学理论体系和研究队伍进入国际先进行列,推动全球海洋生态系统动力学研究发展,同时对解决我国近海海洋可持续发展过程中出现的资源和环境问题也具有典型的科学意义,为建立我国近海可持续发展的生态系统、合理的渔业管理体系和负责任的捕捞制度提供科学依据。三、生态系统动力学研究进展 国外研究进展简况 全球海洋生态系统动力学 国外研究进展简况国外研究进展简况 ?1991年在国际海洋的推动下,GLOBEC开始筹划。 ?1995年被遴选为国际地圈生物圈计划(IG-BP)的核心计 划,使海洋生态系统动力学研究成为海洋科学跨学科研究 的国际前沿领域。 ?国际IG-BP/GLOBEC科学指导委员会于1997年公布GLOBEC 科学计划。 ?1999年公布了GLOBEC实施计划。 全球海洋生态系统动力学 ?根本任务: ②确①认更具好有地代认表识性多意尺义度的的结物构理与环多境变过的程海洋 ③通过使用物理学、生物学和化学耦合模式以 系④统通之过间定对的性海关和洋系定生,量态侧反大重馈规于机模营制的养,影动确响力认;学变通化道中及其 变及化适和当营的养观质测量系在统食,物确网认中全的球作系用统的对研群究体;动 力学的的海影洋响生,态并系发统展对预全测球未系来统变的化影的响能。力;全球海洋生态系统动力学 ?研究重点: ?(1)通过重检、综合历史资料,建立发展全球 海洋系统模式的基础 ?(2)开展关键性的生物和物理过程研究。重点 认识营养动力学通道,尤其是它们的变化和食物 网营养质量的作用。全球海洋生态系统动力学 ?(3)发展多学科耦合模拟、观测系统的预测和 建模能力。 ?(4)同其它海洋、大气、陆地和社会全球变化 研究合作,评估海洋生态系统变化对全球地球系 统的反馈作用。4 个区域性研究计划 ?北大西洋的“鳕鱼与气候变化” ?北太平洋的“气候变化与容纳量” ?极地洋区的“南大洋生态系统动力学” ?全球性的“小型中上层鱼类与气候变化”国内研究进展简况 ?1994 年在国家自然科学基金委员会支持下,开展了我国 海洋生态系统动力学发展战略研究,着手制定我国海洋生 态系统动力学发展规划。 ?1996 年国家自然科学基金委员会不失时机地启动了“渤 海生态系统动力学与生物源持续利用”重大基金项目研究 ?1999 年,国家科技部正式其战启略动目了标是国:家①重确认点自基然础变化研和究人发类活展动对 我国近海生态系统的影响及其变化机制,建立 规划项目“东、黄海生态系我国统近动海力生态学系与统生基础物知资识源体系可;持②续定量利研究 用”。 我国近海生态系统动力学过程,预测其动态变 化,寻求海洋产业持续发展的调控途径;③促 成多学科交叉研究与综合观测体制,造就一支 跻身于国际先进行列的优秀中青年研究群体四、海洋生态系统动力学模型 l发展概况 l研究方法与建模原则 l结构模型特征及分类 l模型研究不足之处发展概况 ?海洋生态系统动力学模型是受了Volterra在20世纪早期 建立的生态学数学模型的启发。 ? 1949年Riley与著名的物理海洋学家Stommel联合发表的 一个关于西北大西洋浮游植物动力学模型。 ?20世纪80年代以来,在围绕大西洋北海和地中海生态研 究以及美国乔治亚海和日本若干海湾的生态研究中,提出 了几十个不同营养层次和类型的海洋生态动力学模型。 ?进入20世纪90年代,海洋生态系统研究异常活跃,并进 入了强调“动力学”,研究的时期。 ?现在,欧洲几国合作建立的北海生态系统模型ERSEM已是 第二代产品。?近年来我国在生态动力学模型的研究?吴增茂与俞光耀、崔茂常、魏皓、刘桂梅、乔方利等分别采用不同的模型对不同海域进行了研究 ?翟雪梅和张志南开发了生态建模软件,比较成功的模拟了养虾池的生态演变过程 ?吴增茂与俞光耀等对胶州湾水体中营养盐浮游植物、浮游动物DO、POC、DOC等的周年变化作了较好的模拟再现?崔茂常等对中国东海中心区域的简单的生态模型模拟了包括浮游植物、浮游动物、自养和异养细菌硝酸和DOC在内各组分垂直分布的季节特征。海洋生态系统动力学模型的研究方法及建模原则 ?建模和数值模拟研究中应遵循以下原则 包括系统中的全部的基本生物学方面及其同环境 相互作用方面的组合 合适的空间和时间分辨率,既要进行物质平衡诊 断又要进行系统演变预测分析 应避免使用纯理论的概念化的东西 最好采用显式的手法与灵活的数学技巧 生物量平衡和营养动力学的计算应以顶级捕食者 开始,可将这些顶级捕食处理为系统的强迫函数?建模的过程大体上可归为以下几个步骤 确定模型结构变量及作用力 选试生物过程的经验公式 选择生物参数 验证稳定性和参数的敏感性海洋生态系统动力学模型的结构特征及分类 ?海洋生态动力学模型都具有非常复杂的结构特征 非线性动 具有层次 力学特征 性 生态系统各层次之间及 由于生态系统中各主要子 系统内各界面间,以及 过程,如竞争、共生、捕 系统与环境间都存在着 食与被捕食等过程都具有 物质、能量和信息的交 非线性动力学的特征,因 换,所以说具有层次性 此也就决定了非线性过程 是生态动力学模型的另 是生态动力学模型中的基 一个基本特征 本的和主导过程 生态系统动力学模型(一) 一 过程模型 从涉及浮游动物不 二 个体模型、种群模型和种间模型 同研究层次来划分 有如下几种模型 三 系统模型生态系统动力学模型(二)模型举例 汉堡欧洲北海生态模型 ?汉堡欧洲北海生态模型(ECOHAM)是一个三维的 欧洲北海初级生产力模型,是由汉堡大学海洋研 究所近年来发展起来的,并已成功地进行了欧洲 北海生态系统一年的初级生产力的模拟。欧洲北海生态模型结构模型基本方程?式中:A:浮游植物含量 P:磷含量 D:底栖碎屑含量 I:水下光强 ωS 浮游植物沉降速度(Ax Ay Az)湍流扩散系数 PROD:初级生产力 RESP:呼吸作用 DEAD:死亡率 GRAZ:捕食率 UPTA:营养盐吸收 RELE:营养盐释放 REMW:再矿化作用 ?EXCR:排泄作用 QUEL:河流输入 REMB:底部再矿化作用 DETR:碎屑物质沉降 CHL:叶绿素 K:消光系数海洋生态动力学的研究处于初级阶段,是一个新兴的研究领域,会存在哪些不足呢?模型研究的不足之处(一) ?1 模型正向着结构愈来愈复杂的方向发展,即便如此, 仍不能全面地反映实际海区中发生的主要过程,尤其是生 态动力学模型的功能单位中极少包含鱼类,使得现有模型 与生态系统的真实状况存在一定差距; ?2 海洋生态动力学模型与有针对性的现场观测和模拟实 验等工作是互相促进的,由于后者数据匾乏,往往无法向 模型提供理想的参数,降低了模拟结果的准确性,突出表 现在模拟结果仅能在某一时段内与实际值有良好吻合; ?3 理想的生态动力学模型在应用范围上应具有普遍性, 但是这一要求很难与现实性、准确性同时实现;模型研究的不足之处(二) ?4 质量守恒假定不可避免地引导研究者依赖于“源”、 “汇”项,但是“源”、“汇”的使用必然会显著地剥削 动力学模型的功能,特别是它们的“自组织”能力; ?5 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 了这一学科的研究停滞不前; ?6 传统的生态动力学模型忽略了作为环境的物理场作用 而过于强调生物过程自身的完整性,虽然这类生态模型有 助于对理想条件下生物自身循环过程的了解,但由于缺少 真实的物理场背景而无法用于模拟实际海洋中三维生态场 的时空分布。海洋生态系统的进一步巩固需要我们每个人的共同努力! 定义 研究的意义主要 研究进展内容 动力学模型一、定义 ?中文名称:海洋生态系统动力学 ?英文名称:marine ecosystem dynamics ?定义:研究海洋生态系统在海洋动力条件驱动下 动态变化的学科。 二、海洋生态系统动力学研究的意义?到21世纪中叶,我国人口将达到16亿,耕地减少和人口增加的矛盾更加突出,满足日益增长的食物和优质动物蛋白的需求是一个十分艰巨的任务,而海洋是尚未充分开发利用的最大疆域,具有巨大的动物蛋白生产潜力。海洋作为我国现在和未来赖以生存与发展的重要基础,己引起国家和社会的高度重视。?我国海洋渔业发展过程中,产业的母体——近海生态系统的服务和产出发生了一些令人担忧的变化,明显影响了海洋产业的可持续发展,经济损失巨大。?海洋生态系统动力学研究把我国近海生态系统(如东、黄海生态系统)视为一个有机的整体,以物理过程与生物过程相互作用和耦合为核心,研究生态系统的结构、功能及其时空演变规律,定量物理、化学、生物过程对海洋生态系统的影响及生态系统的响应和反馈机制,并预测其动态变化,有望在我国近海生态系统动力学关键过程和生物资源补充机制研究上取得突破。?海洋生态系统动力学研究不仅能使集多种机制于一体的我国近海陆架生态系统动力学科学理论体系和研究队伍进入国际先进行列,推动全球海洋生态系统动力学研究发展,同时对解决我国近海海洋可持续发展过程中出现的资源和环境问题也具有典型的科学意义,为建立我国近海可持续发展的生态系统、合理的渔业管理体系和负责任的捕捞制度提供科学依据。三、生态系统动力学研究进展 国外研究进展简况 全球海洋生态系统动力学 国外研究进展简况国外研究进展简况 ?1991年在国际海洋的推动下,GLOBEC开始筹划。 ?1995年被遴选为国际地圈生物圈计划(IG-BP)的核心计 划,使海洋生态系统动力学研究成为海洋科学跨学科研究 的国际前沿领域。 ?国际IG-BP/GLOBEC科学指导委员会于1997年公布GLOBEC 科学计划。 ?1999年公布了GLOBEC实施计划。 全球海洋生态系统动力学 ?根本任务: ②确①认更具好有地代认表识性多意尺义度的的结物构理与环多境变过的程海洋 ③通过使用物理学、生物学和化学耦合模式以 系④统通之过间定对的性海关和洋系定生,量态侧反大重馈规于机模营制的养,影动确响力认;学变通化道中及其 变及化适和当营的养观质测量系在统食,物确网认中全的球作系用统的对研群究体;动 力学的的海影洋响生,态并系发统展对预全测球未系来统变的化影的响能。力;全球海洋生态系统动力学 ?研究重点: ?(1)通过重检、综合历史资料,建立发展全球 海洋系统模式的基础 ?(2)开展关键性的生物和物理过程研究。重点 认识营养动力学通道,尤其是它们的变化和食物 网营养质量的作用。全球海洋生态系统动力学 ?(3)发展多学科耦合模拟、观测系统的预测和 建模能力。 ?(4)同其它海洋、大气、陆地和社会全球变化 研究合作,评估海洋生态系统变化对全球地球系 统的反馈作用。4 个区域性研究计划 ?北大西洋的“鳕鱼与气候变化” ?北太平洋的“气候变化与容纳量” ?极地洋区的“南大洋生态系统动力学” ?全球性的“小型中上层鱼类与气候变化”国内研究进展简况 ?1994 年在国家自然科学基金委员会支持下,开展了我国 海洋生态系统动力学发展战略研究,着手制定我国海洋生 态系统动力学发展规划。 ?1996 年国家自然科学基金委员会不失时机地启动了“渤 海生态系统动力学与生物源持续利用”重大基金项目研究 ?1999 年,国家科技部正式其战启略动目了标是国:家①重确认点自基然础变化研和究人发类活展动对 我国近海生态系统的影响及其变化机制,建立 规划项目“东、黄海生态系我国统近动海力生态学系与统生基础物知资识源体系可;持②续定量利研究 用”。 我国近海生态系统动力学过程,预测其动态变 化,寻求海洋产业持续发展的调控途径;③促 成多学科交叉研究与综合观测体制,造就一支 跻身于国际先进行列的优秀中青年研究群体四、海洋生态系统动力学模型 l发展概况 l研究方法与建模原则 l结构模型特征及分类 l模型研究不足之处发展概况 ?海洋生态系统动力学模型是受了Volterra在20世纪早期 建立的生态学数学模型的启发。 ? 1949年Riley与著名的物理海洋学家Stommel联合发表的 一个关于西北大西洋浮游植物动力学模型。 ?20世纪80年代以来,在围绕大西洋北海和地中海生态研 究以及美国乔治亚海和日本若干海湾的生态研究中,提出 了几十个不同营养层次和类型的海洋生态动力学模型。 ?进入20世纪90年代,海洋生态系统研究异常活跃,并进 入了强调“动力学”,研究的时期。 ?现在,欧洲几国合作建立的北海生态系统模型ERSEM已是 第二代产品。?近年来我国在生态动力学模型的研究?吴增茂与俞光耀、崔茂常、魏皓、刘桂梅、乔方利等分别采用不同的模型对不同海域进行了研究 ?翟雪梅和张志南开发了生态建模软件,比较成功的模拟了养虾池的生态演变过程 ?吴增茂与俞光耀等对胶州湾水体中营养盐浮游植物、浮游动物DO、POC、DOC等的周年变化作了较好的模拟再现?崔茂常等对中国东海中心区域的简单的生态模型模拟了包括浮游植物、浮游动物、自养和异养细菌硝酸和DOC在内各组分垂直分布的季节特征。海洋生态系统动力学模型的研究方法及建模原则 ?建模和数值模拟研究中应遵循以下原则 包括系统中的全部的基本生物学方面及其同环境 相互作用方面的组合 合适的空间和时间分辨率,既要进行物质平衡诊 断又要进行系统演变预测分析 应避免使用纯理论的概念化的东西 最好采用显式的手法与灵活的数学技巧 生物量平衡和营养动力学的计算应以顶级捕食者 开始,可将这些顶级捕食处理为系统的强迫函数?建模的过程大体上可归为以下几个步骤 确定模型结构变量及作用力 选试生物过程的经验公式 选择生物参数 验证稳定性和参数的敏感性海洋生态系统动力学模型的结构特征及分类 ?海洋生态动力学模型都具有非常复杂的结构特征 非线性动 具有层次 力学特征 性 生态系统各层次之间及 由于生态系统中各主要子 系统内各界面间,以及 过程,如竞争、共生、捕 系统与环境间都存在着 食与被捕食等过程都具有 物质、能量和信息的交 非线性动力学的特征,因 换,所以说具有层次性 此也就决定了非线性过程 是生态动力学模型的另 是生态动力学模型中的基 一个基本特征 本的和主导过程 生态系统动力学模型(一) 一 过程模型 从涉及浮游动物不 二 个体模型、种群模型和种间模型 同研究层次来划分 有如下几种模型 三 系统模型生态系统动力学模型(二)模型举例 汉堡欧洲北海生态模型 ?汉堡欧洲北海生态模型(ECOHAM)是一个三维的 欧洲北海初级生产力模型,是由汉堡大学海洋研 究所近年来发展起来的,并已成功地进行了欧洲 北海生态系统一年的初级生产力的模拟。欧洲北海生态模型结构模型基本方程?式中:A:浮游植物含量 P:磷含量 D:底栖碎屑含量 I:水下光强 ωS 浮游植物沉降速度(Ax Ay Az)湍流扩散系数 PROD:初级生产力 RESP:呼吸作用 DEAD:死亡率 GRAZ:捕食率 UPTA:营养盐吸收 RELE:营养盐释放 REMW:再矿化作用 ?EXCR:排泄作用 QUEL:河流输入 REMB:底部再矿化作用 DETR:碎屑物质沉降 CHL:叶绿素 K:消光系数海洋生态动力学的研究处于初级阶段,是一个新兴的研究领域,会存在哪些不足呢?模型研究的不足之处(一) ?1 模型正向着结构愈来愈复杂的方向发展,即便如此, 仍不能全面地反映实际海区中发生的主要过程,尤其是生 态动力学模型的功能单位中极少包含鱼类,使得现有模型 与生态系统的真实状况存在一定差距; ?2 海洋生态动力学模型与有针对性的现场观测和模拟实 验等工作是互相促进的,由于后者数据匾乏,往往无法向 模型提供理想的参数,降低了模拟结果的准确性,突出表 现在模拟结果仅能在某一时段内与实际值有良好吻合; ?3 理想的生态动力学模型在应用范围上应具有普遍性, 但是这一要求很难与现实性、准确性同时实现;模型研究的不足之处(二) ?4 质量守恒假定不可避免地引导研究者依赖于“源”、 “汇”项,但是“源”、“汇”的使用必然会显著地剥削 动力学模型的功能,特别是它们的“自组织”能力; ?5 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 了这一学科的研究停滞不前; ?6 传统的生态动力学模型忽略了作为环境的物理场作用 而过于强调生物过程自身的完整性,虽然这类生态模型有 助于对理想条件下生物自身循环过程的了解,但由于缺少 真实的物理场背景而无法用于模拟实际海洋中三维生态场 的时空分布。海洋生态系统的进一步巩固需要我们每个人的共同努力! 定义 研究的意义主要 研究进展内容 动力学模型一、定义 ?中文名称:海洋生态系统动力学 ?英文名称:marine ecosystem dynamics ?定义:研究海洋生态系统在海洋动力条件驱动下 动态变化的学科。 二、海洋生态系统动力学研究的意义?到21世纪中叶,我国人口将达到16亿,耕地减少和人口增加的矛盾更加突出,满足日益增长的食物和优质动物蛋白的需求是一个十分艰巨的任务,而海洋是尚未充分开发利用的最大疆域,具有巨大的动物蛋白生产潜力。海洋作为我国现在和未来赖以生存与发展的重要基础,己引起国家和社会的高度重视。?我国海洋渔业发展过程中,产业的母体——近海生态系统的服务和产出发生了一些令人担忧的变化,明显影响了海洋产业的可持续发展,经济损失巨大。?海洋生态系统动力学研究把我国近海生态系统(如东、黄海生态系统)视为一个有机的整体,以物理过程与生物过程相互作用和耦
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