西太平洋副熱帶高壓的變動對我國赤潮發(fā)生的影響分析

何恩業(yè)，王丹，黃莉，劉桂梅

（國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京 100081）

1 引言

赤潮是一種復(fù)雜的生態(tài)異?，F(xiàn)象，發(fā)生的原因比較復(fù)雜，是生物、化學(xué)和物理等要素綜合作用的結(jié)果，其發(fā)生的機理至今尚無定論，因此在選擇赤潮預(yù)報因子方面尤為重要。

赤潮監(jiān)測比較隨機，無法形成完整鏈條，針對赤潮全過程的各種生物、化學(xué)要素的時間變化資料則更為缺乏，所以很難利用傳統(tǒng)的統(tǒng)計學(xué)方法提煉赤潮發(fā)生的規(guī)律。近年來，海洋環(huán)境質(zhì)量公報顯示近岸海域海水污染嚴重，同時我國的沿海致潮藻類種數(shù)繁多，且分布廣泛，海上生物、化學(xué)條件已經(jīng)基本具備。這種情況下，水文氣象條件往往是誘發(fā)赤潮的重要因素。因此轉(zhuǎn)而利用比較完整的氣象資料的變化來尋找預(yù)報赤潮的發(fā)生規(guī)律是一種切實可行的方法。王壽松等[1]通過對赤潮發(fā)生要素的結(jié)構(gòu)分析認為促使上升流和垂直混合增強的大潮流和風(fēng)速風(fēng)向是關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中最低層次的要素。齊雨藻等[2]認為風(fēng)海流和潮流的聚集作用是赤潮發(fā)生的最終一環(huán)。謝健等[3]研究發(fā)現(xiàn)赤潮發(fā)生期間，氣溫達到較高的水平，且持續(xù)時間較長；氣壓出現(xiàn)低壓現(xiàn)象；此間的天氣形勢發(fā)展比較穩(wěn)定，同時風(fēng)速較小，海面較穩(wěn)定；天氣比較潮濕悶熱，這些因素均是赤潮發(fā)生的氣象條件。周遵春等[4]認為赤潮前連續(xù)幾天陰天，突然轉(zhuǎn)晴并且持續(xù)高溫、強光照、風(fēng)速小的天氣是影響夜光藻赤潮形成的主要氣象因素。黃長江等[5]認為一個穩(wěn)定發(fā)展的天氣是赤潮形成和維持的重要因素。綜合上述研究，一次穩(wěn)定的由氣旋入海經(jīng)強度不大的冷空氣演變?yōu)楦邏嚎刂频奶鞖廪D(zhuǎn)折過程往往是赤潮從醞釀到爆發(fā)所需的天氣過程[6]。低壓系統(tǒng)造成海水涌升、Ekman風(fēng)生流，由于科氏力的原因，北半球的表層海流在風(fēng)的作用下，偏向風(fēng)的右側(cè)。在低壓系統(tǒng)前部，中國東海沿岸盛行偏南風(fēng)，造成海水表層輻散、底層輻合，導(dǎo)致海水涌升。上升流將營養(yǎng)鹽和藻種帶到海水表層，進而誘發(fā)赤潮。因此，根據(jù)低壓與近海上升流的關(guān)系，確立了通過氣旋的發(fā)生發(fā)展及其路徑和強度，預(yù)報赤潮。但是，我國對赤潮發(fā)生的研究主要以單過程為主，很少有赤潮氣候特征分析及年度科學(xué)預(yù)測，這對政府部門下一年的防災(zāi)減災(zāi)部署造成很多困難，因此加強赤潮年度趨勢預(yù)測研究也是今后的一個重要方向和內(nèi)容。

2 材料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

赤潮數(shù)據(jù)來源于與赤潮研究、監(jiān)測相關(guān)的著作、科學(xué)論文和其他文獻[7-12]。收集到1933—2012年間在中國海區(qū)發(fā)現(xiàn)的赤潮災(zāi)害事件資料，數(shù)據(jù)信息包含赤潮發(fā)生的時間、地點、面積和優(yōu)勢藻種等相關(guān)信息。

利用國家氣候中心氣候系統(tǒng)診斷預(yù)測室收集和整理的1951—2012年（共62年）74項月環(huán)流特征量指數(shù)資料作為赤潮預(yù)報因子。

2.2 研究方法

利用SPSS13.0統(tǒng)計分析軟件處理分析數(shù)據(jù)，采用Pearson相關(guān)法分析西太平洋副熱帶高壓與赤潮的相關(guān)關(guān)系。西太副高指數(shù)與赤潮發(fā)生次數(shù)(或面積)的相關(guān)系數(shù)：

顯著性檢驗：總體相關(guān)系數(shù)用ρ表示，樣本相關(guān)系數(shù)用r表示。

（2）確定顯著性水平α=0.05

如果從相關(guān)系數(shù)ρ=0的總體中取得某r值的概率P>0.05，我們就接受假設(shè)，認為此r值的很可能是從此總體中取得的。因此判斷兩變量間無顯著關(guān)系；

如果取得r值的概率P≤0.05或P≤0.01，我們就在α=0.05或α=0.01水準上拒絕檢驗假設(shè)，認為該r值不是來自ρ=0的總體，而是來自ρ≠0的另一個總體，因此就判斷兩變量間有顯著關(guān)系。根據(jù)相關(guān)分析，將赤潮和西太副高的相關(guān)程度分為5個等級（見表1）。

表1 |r|的取值與相關(guān)程度

3 結(jié)果與分析

3.1 我國赤潮時空分布特征

圖1 1980—2012年中國近海赤潮發(fā)生趨勢

我國的赤潮最早記錄于1933年，發(fā)生在浙江鎮(zhèn)海至臺州-石浦一帶的夜光藻、骨條藻赤潮。20世紀70年代以前記錄赤潮5次；70年代10次；80年代迅速增加到121次；90年代202次；到21世紀，我國逐漸建立了比較完備的赤潮監(jiān)測預(yù)警體系，赤潮監(jiān)測資料隨之較為連續(xù)，2000年監(jiān)測到赤潮發(fā)生28次，面積累計超過10×103km2；2001年77次，累計面積達13×103km2；2003年高達119次，累計面積達14.7×103km2；2004年 96次，累計面積約 26.630×103km2。此后赤潮年均發(fā)生逾70次，年均累計面積逾14×103km2。赤潮災(zāi)害的發(fā)生次數(shù)和面積均呈明顯的波動式增長趨勢（見圖1），其中兩大波峰期為80年代末至90年代初和90年代中期至現(xiàn)今。我國赤潮已由偶發(fā)性、短暫性，逐漸發(fā)展為近年來的頻發(fā)性和持續(xù)性。

由于我國海域南北跨3個氣候帶，自然地理差異大，我國近海赤潮呈現(xiàn)出鮮明的年內(nèi)季節(jié)變化特征（見表2和表3）和空間分布特征。近海赤潮由南向北依次出現(xiàn)，南海赤潮各月發(fā)生頻次較為平均，東海赤潮頻發(fā)期集中在4—9月，渤、黃海海域赤潮頻發(fā)期集中在5—10月，全海域赤潮在5—6月達到鼎盛期，其間每月累計爆發(fā)面積超過5×103km2。赤潮多發(fā)區(qū)主要集中在入海河口和工農(nóng)業(yè)較發(fā)達的沿海地區(qū)，大面積赤潮事件主要發(fā)生在渤、黃海和東海海域。其中，渤海的赤潮災(zāi)害主要發(fā)生在遼東灣的中部、西部海域和渤海灣海域；黃海的赤潮災(zāi)害主要發(fā)生在遼寧省大連市至東港市沿岸、煙臺市至威海市沿岸和膠州灣、海州灣海域；東海區(qū)的赤潮主要發(fā)生在長江口附近海域、浙江沿岸和福建中部至北部沿岸海域；南海的赤潮災(zāi)害主要集中在珠江口附近海域[11-12]。

3.2 赤潮與副熱帶高壓周期性振蕩的關(guān)系

西太平洋副熱帶高壓是向我國大陸輸送水汽的重要系統(tǒng)，對我國天氣、氣候有重要影響[13]。我國降水的水汽來源，雖然主要依靠西南氣流從印度洋輸送來，而西太平洋副高的位置、強度和活動，不僅對西南氣流的水汽輸送有關(guān)，而且還影響著它南側(cè)的東南季風(fēng)從太平洋向大陸輸送來的水汽。同時，西太平洋副高的北側(cè)是沿副高北上的暖濕空氣與中緯度南下的冷空氣相交綏的地帶，鋒面氣旋活動頻繁，往往形成大范圍的陰雨天氣，是我國大陸地區(qū)的重要降水帶。因而我國降水帶的南北移動同西太平洋副高的季節(jié)活動相一致，通常降雨帶位于副高脊線以北約5—8個緯度[13]。因此可以通過西太副高強度和位置變化預(yù)測我國近海鋒面氣旋的發(fā)生狀況，進而利用鋒面氣旋的多發(fā)區(qū)預(yù)測赤潮的高發(fā)區(qū)和發(fā)生頻次。

利用2001—2005年海洋災(zāi)害公報所使用的赤潮官方資料，取每次赤潮發(fā)生區(qū)域的中心位置（°N；°E）表示本次赤潮發(fā)生的地點，經(jīng)緯度采用四舍五入法取整數(shù)，然后統(tǒng)計2001—2005年間各月赤潮發(fā)生位置的平均緯度值作為各月赤潮多發(fā)區(qū)緯度，通過數(shù)據(jù)分析，中國近海赤潮多發(fā)區(qū)緯度變化與西太副高脊線位置、副高北緣584線具有很好的擬合性（見圖2和表4），赤潮多發(fā)區(qū)集中在西太副高北緣584線一帶海域，而西太副高北側(cè)正是地面鋒區(qū)最為活躍的地帶。6月之前，副高脊線穩(wěn)定在20°N以南，赤潮多發(fā)區(qū)也多集中在長江口以南的東海海域；6月份后副高北跳，赤潮多發(fā)區(qū)也向北移至渤、黃海海域；8—9月副高迅速南撤，赤潮多發(fā)區(qū)也隨之南退。赤潮多發(fā)區(qū)位置的變化與西太平洋副熱帶高壓年周期性振蕩的關(guān)系，溝通了利用水文氣象條件進行赤潮預(yù)報的途徑。

表2 2001—2012年中國近海赤潮月均發(fā)生次數(shù)（次/月）

表3 2001—2012年中國近海赤潮月均發(fā)生面積（km2/月）

3.3 西太平洋副熱帶高壓與我國赤潮相關(guān)性分析

由表2、表3知，渤、黃海在4—10月發(fā)生赤潮的概率較大，在其他月份發(fā)生赤潮概率很低，東海在4—9月發(fā)生赤潮的概率較大，在其他月份發(fā)生的概率大幅降低，因此本研究選擇這兩個時間段分別分析北海區(qū)和東海區(qū)赤潮與西太副高的相關(guān)性。利用SPSS13.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，結(jié)果顯示，渤、黃海赤潮發(fā)生次數(shù)與西太副高脊線、西太副高北界具有正相關(guān)關(guān)系，通過了顯著性水平0.05的檢驗（見表5）。東海赤潮發(fā)生次數(shù)與西太副高脊線、西太副高北界具有顯著相關(guān)性，均通過了顯著性水平0.01的檢驗。南海赤潮發(fā)生次數(shù)與西太副高無明顯相關(guān)性。

圖2 赤潮與西太平洋副熱帶高壓周期性振蕩關(guān)系

從2001—2012年的西太副高脊線、副高北界和赤潮月發(fā)生次數(shù)的曲線比較可知（見圖3），西太副高脊線和北界位置與赤潮發(fā)生次數(shù)曲線擬合非常好。赤潮多發(fā)生在西太副高北進過程中，當(dāng)副高南退時，我國赤潮發(fā)生頻率迅速減少。在西太副高脊線處于18°—20°N、副高北界處于19°—25°N之間時，浙江和福建沿海鋒面氣旋活動頻繁、降水充沛的時節(jié)，此時也是東海赤潮重災(zāi)期（見圖4）。赤潮這種季節(jié)性的爆發(fā)規(guī)律與我國氣候規(guī)律相吻合，即我國降水帶（或鋒面氣旋）的南北移動同西太副高的季節(jié)活動相一致。每年6月以前，副高脊線位于20°N以南，受其影響華南進入雨季；到6月中、下旬，副高脊線北跳，并穩(wěn)定在20°—25°N之間，雨帶隨之北移，長江中下游地區(qū)進入雨季，即梅雨；7月上、中旬，副高脊線再次北跳，擺動在25°—30°N，這時黃河下游地區(qū)進入雨季。長江中下游地區(qū)的梅雨結(jié)束，進入盛夏，由于處于高壓脊控制，出現(xiàn)伏旱；7月末至8月初，副高脊線跨越30°N，到達一年中最北位置，雨帶隨之北移，華北北部、東北地區(qū)進入雨季；8月底或9月初，高壓脊開始南退，雨帶隨之南移。10月以后，高壓脊退至20°N以南，大部分地區(qū)雨季結(jié)束。這就解釋了我國赤潮由南而北的爆發(fā)原因，5、6月份是東海赤潮的頻發(fā)期，7月東海赤潮迅速減少，渤、黃海海區(qū)成為赤潮的主要爆發(fā)區(qū)，這與氣旋活動區(qū)北移有密切關(guān)系。

表4 2001—2005年500 hPa各月西太平洋副熱帶高壓脊線平均位置（單位：°N）

表5 2001—2012年西太平洋副熱帶高壓與我國赤潮發(fā)生次數(shù)相關(guān)性

上述現(xiàn)象僅僅是西太平洋副高活動對我國天氣影響的一般規(guī)律。實際上，副高的南、北季節(jié)性移動經(jīng)常出現(xiàn)異常（見圖5），造成我國一些地區(qū)干旱，另外一些地區(qū)水澇的反常現(xiàn)象[13]，2001—2012年，副高脊線在2002—2003年、2009年偏南，在2001年、2004年和2011年比較偏北。與此相應(yīng)，我國各大海區(qū)每年發(fā)生赤潮的頻率和規(guī)模也呈現(xiàn)出明顯的年際差異（見圖6）。東海赤潮在2003年達到波峰，在2001年、2004年和2011年處于波谷期；渤、黃海赤潮波峰期出現(xiàn)在2004年和2011年，波谷期出現(xiàn)在2002年。因此根據(jù)每年的副高活動特征，就能預(yù)測赤潮多發(fā)區(qū)和爆發(fā)期。這為有效預(yù)防赤潮帶來的危害具有重要的意義。

3.4 西太平洋副熱帶高壓年際變化對我國赤潮發(fā)生狀況的影響分析

2003年東海赤潮發(fā)現(xiàn)次數(shù)達歷史最高86次，在赤潮高發(fā)期的4、5和6月分別為12次、33次和27次占到了東海赤潮全年的84%，赤潮發(fā)現(xiàn)次數(shù)最少的年份是2011年為23次，5、6月分別為11次、2次。2003年西太副高脊線笫二次季節(jié)性北跳異常偏晚（見圖6），維持梅雨的副高脊線位置時間異常偏長，以及副高位置異常偏西是2003年副高活動的異常特征。2003年4—6月西太副高脊線較常年位置偏南，維持在14°—19°N度之間，副高北界維持在19°—24°N之間，4—5月長江流域及華南地區(qū)氣旋活躍、降水頻繁，同時長江中下游及其以南大部出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣，這種天氣形勢容易引起赤潮頻發(fā)。2011年副高脊線笫2次季節(jié)性北跳偏早，維持梅雨的副高脊線位置時間偏短，以及副高位置異常偏北、偏東是2011年副高活動的異常特征。2011年5月之前西太副高脊線異常偏弱、偏東，氣旋活動及降水主要集中在華南沿海，致使長江中下游出現(xiàn)近60年來最重冬春連旱，5月副高北跳至北緯20°附近，但是維持時間不長，6月又迅速北跳，副高北界到達28°N附近，且副高位置異常偏東，對我國東南沿海氣旋生成以及降水造成不利影響，因此5、6月份東海赤潮爆發(fā)次數(shù)和規(guī)模均降到了近10年來最低水平。6—7月副高北界維持在28°—30°N之間，8月副高北界到達36°，副高偏北位置造成中高緯度氣旋活動階段性活躍、降水異常偏多利于北部海區(qū)赤潮頻發(fā)。

圖3 赤潮與西太平洋副熱帶高壓周期性振蕩關(guān)系

圖4 1933—2012年西太副高北界位于不同緯度時發(fā)生的赤潮次數(shù)

圖5 2001—2012西太副高脊線距平（以1971—2000年30年為平均值）和我國3大海區(qū)赤潮發(fā)生次數(shù)

圖6 2003和2011年東海赤潮發(fā)生次數(shù)距平與西太副高脊線、副高北界曲線

4 結(jié)論

（1）我國赤潮呈現(xiàn)出發(fā)生頻率大、爆發(fā)規(guī)模廣和危害加重的發(fā)展趨勢。赤潮災(zāi)害呈明顯的波動式增長年際變化趨勢，并呈現(xiàn)出赤潮高發(fā)期由南向北依次出現(xiàn)的年內(nèi)變化特征。赤潮重災(zāi)區(qū)主要集中遼東灣的中部、西部海域和渤海灣海域，黃海北部、煙臺市至威海市沿岸和膠州灣、海州灣海域，長江口附近海域、浙江沿岸和福建中部至北部沿岸海域以及珠江口海域；

（2）赤赤潮與鋒面氣旋的關(guān)系確立了通過氣旋的發(fā)生發(fā)展及其路徑和強度來預(yù)報赤潮的方法。西太平洋副高的北側(cè)是沿副高北上的暖濕空氣與中緯度南下的冷空氣相交綏的地帶，鋒面氣旋活動頻繁，往往形成大范圍的陰雨天氣，是我國大陸地區(qū)的重要降水帶。本研究通過西太副高強度和位置變化來預(yù)測我國近海鋒面氣旋的發(fā)生狀況，進而利用鋒面氣旋的多發(fā)區(qū)預(yù)測赤潮的高發(fā)區(qū)和發(fā)生頻次；

（3）赤潮多發(fā)區(qū)位置的變化與西太平洋副熱帶高壓年周期性振蕩具有較好的相關(guān)性，東海赤潮發(fā)生次數(shù)與西太副高脊線、西太副高北界的相關(guān)性>渤、黃海>南海。赤潮多發(fā)生在西太副高北進過程中，而當(dāng)副高南退時，我國赤潮發(fā)生頻率迅速減少。西太副高的南、北季節(jié)性移動經(jīng)常出現(xiàn)年際異常，與此相應(yīng)，我國各大海區(qū)每年發(fā)生赤潮的頻率和規(guī)模也呈現(xiàn)出明顯的年際差異。西太副高偏強、位置異常偏西、偏南年份東海赤潮發(fā)生次數(shù)會增多，爆發(fā)規(guī)模會擴大；副高偏弱、位置異常偏北、偏東的年份往往造成中高緯度氣旋活動階段性活躍、降水異常偏多則利于北部海區(qū)赤潮頻發(fā)。因此利用副高每年的變化規(guī)律，就能預(yù)測赤潮高發(fā)區(qū)位置以及爆發(fā)時段。

綜上所述，近年來，我國沿岸海域海水污染嚴重，致潮藻類種數(shù)繁多且分布廣泛，海上生物、化學(xué)條件已經(jīng)基本具備，水文氣象條件往往是誘發(fā)赤潮的重要因素，利用比較完整的氣象資料的變化來探討一種我國近海赤潮長期預(yù)報技術(shù)對于研究我國近海赤潮的發(fā)生規(guī)律是一條切實可行的途徑，該技術(shù)將為有效防控赤潮災(zāi)害提供重要的科學(xué)參考。

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