海洋有害藻华生态建模分析与区域污染控制

Prevention and control of marine ecosystem pollution, protection of marine environment, and development of marine economy have been established to one of the national strategies. From the view point of information science, harmful algal blooms are characterized with nonlinearity and uncertainty, and involves in multiple vital processes such as allelopathy of bloom populations. Algal pollution caused by red tides of Prorocentrum donghalense and Karenia mikimotoi in the East China Sea, 'green tides' in the Yellow sea, and 'brown tides' in the Bohai sea seriously threatened the coastal marine ecosystems and environment in China during the last decades, which formed the bottleneck for the sustainable development of marine economy. Since it is a highly challenging task to address the key scientific questions and technologies involved in algal pollution, new approaches including new theories and methodologies are needed urgently. Therefore, this proposed project will study, in the theoretical framework of nonlinear distributed parameter systems and complex dynamical systems, on the theoretical population ecology and the approaches for regional control of reproduction for harmful algae. The multi-disciplinary approach will combine the investigations for the causes of harmful algal blooms, the theory of allelopathy, on-site monitoring and laboratory experimental data, and the multi-parameter, multi-population ecological modeling, and the analysis for regional pollution control. All the new theoretical approaches and models will be tested the establishment of a real-time monitoring platform and controlled laboratory experiments. We believe the proposed multidisciplinary, pioneering project, which combines modern control theory, nonlinear science, ecology, and oceanography, will be highly important not only in providing new understanding of harmful algal blooms, and novel measures for the control of marine algal pollution and in promoting the marine economy, but also in enhancing the advancement of theoretical and applied research in the relevant disciplines.

防控海洋生态污染，保护海洋环境，发展海洋经济是当前国家战略之一。从信息学科角度看，藻类污染有高度非线性、不确定性、种群化感作用等复杂性，尤其东海海域的东海原甲藻、米氏凯伦藻、黄海绿潮、渤海褐潮等有害藻类的污染，严重影响海洋生态和海洋环境，是制约海洋经济发展的瓶颈，且其优化控制所涉及的关键科学问题与关键技术极具挑战性，亟待寻求新思路新理论和新方法予以突破。本课题拟在非线性分布参数系统和复动力系统的理论框架下，研究几类有害藻类繁衍凝聚的种群生态理论与区域污染控制。综合有害藻类的成因分析、植物化感作用理论、藻类数据监测，融合了多参数、多种群生态建模分析与区域污染控制等问题；通过搭建实时测控实验平台，验证新理论方法的有效性。本课题属于现代控制理论、非线性科学、生态学、海洋学等多学科交叉的前沿方向，不仅对我国治理海洋污染，推进海洋经济发展具有重要意义，而且对于相关学科的理论研究和应用有显著促进。

作为一类海洋生态污染，有害藻华已严重影响到海洋生态环境甚至人类健康，成为制约海洋经济发展的瓶颈之一。因此，为解决海洋有害藻类的定域控制所涉及的关键科学问题提出有效的方案具有极大的挑战性。本项目以非线性分布参数系统和复动力系统理论为支撑，针对有害藻华繁衍凝聚的种群动力学规律与区域污染问题，综合研究了海洋有害藻华成因、有害藻类化感作用、毒性作用和吞噬营养及其藻华动力学特性、有害藻华的群落效应、藻类数据监测与数据分析技术，多参数多种群生态建模分析和区域污染防控等关键问题，并通过搭建海洋藻类监测云平台验证了新理论、新方法的有效性。取得的重要成果有：①得出了海洋有害藻华相关的各营养盐之间的定量关系，提出了有害藻类DNA突变类型判别算法与求解哈密尔顿路径问题的DNA计算模型。②获得了化感作用定性定量相结合且具普遍性的认识，建立了在选定模式目标藻时衡量化感作用强度的简单量化指标，发现东海原甲藻赤潮通过化感作用降低浮游生物种类的多样性，从而降低群落资源利用效率，阐明了有害藻华在群落和生态系统产生危害效应的深层次理论认识。③建立了基于美国和山东两个海域营养盐数据的预测模型，并完成了个别藻种的生长环境主因分析。④刻画了有毒-浮游植物-浮游动物系统的复杂动态演化特征，给出了图灵模和Hopf模同时分岔的条件，探讨了解毒和补充食物对浮游生物系统稳定性的共存作用，揭示了不同水温、噪音干扰下浮游生物多参数系统动力学行为的区域控制效应。⑤完成了海洋藻类云平台的初步构建，设计了多套多协议融合网关原型系统，并基于新型非易失存储器设计了海洋云平台的高性能存储架构和高性能的数据管理架构，为海洋大数据分析与挖掘提供了架构支撑。本项目通过信息科学、海洋生态学、计算机科学、数据科学等多学科交叉融合所取得的研究成果，不仅对我国治理海洋污染、促进海洋经济发展具有重要意义，也为维护海洋工程的国防安全和促进海洋装备的技术研发提供了重要的潜在的理论与技术支撑。