1974—2020 年珠江口外海海洋熱浪變化趨勢(shì)分析

唐靈, 聶宇華, 王平, 湯超蓮

1. 國(guó)家海洋局南海信息中心, 廣東 廣州 510310;

2. 自然資源部海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510330

近年來(lái), 受全球氣候變暖等因素影響, 海洋熱浪(marine heatwave, MHW)研究迅速發(fā)展成為一個(gè)重要的研究前沿。前人在研究2011 年2—3 月澳大利亞西南海岸的水溫變暖事件過(guò)程中, 首次提出海洋熱浪概念(Pearce et al, 2011)。近30 年來(lái), 海洋熱浪發(fā)生的次數(shù)持續(xù)增加, 其延續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)月, 空間范圍可延伸至數(shù)千千米(自然資源部, 2020)。海洋熱浪可導(dǎo)致珊瑚白化現(xiàn)象, 并對(duì)魚類和海洋生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅(Donovan et al, 2021; Laufk?tter et al, 2020)。

海洋熱浪通常定義為一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間、離散的異常暖水事件。具體來(lái)說(shuō), 如果SST 連續(xù)5d(含5d)以上高于30 年氣候基準(zhǔn)期內(nèi)的第90 個(gè)百分位, 即為一次海洋熱浪事件(Hobday et al, 2016)。海洋熱浪強(qiáng)度等級(jí)劃分(圖1)參考Hobday 等(2018)的劃分方法,本文以1981—2010 年為氣候基準(zhǔn)期, 以氣候基準(zhǔn)期30 年SST 平均值作為常年氣候均值(虛線), 以氣候基準(zhǔn)期的第90 個(gè)百分位值(綠色細(xì)線)與常年氣候均值之差的1～4 倍進(jìn)行等級(jí)劃分, 把海洋熱浪分成I中度(moderate), Ⅱ強(qiáng)烈(strong), Ⅲ嚴(yán)重(severe)和Ⅳ極端(extreme)4 個(gè)等級(jí)。

圖1 海洋熱浪等級(jí)劃分示意圖(改自Hobday et al, 2018)Fig. 1 Categorization schematic for MHW(modified from Hobday et al, 2018)

MHW 強(qiáng)度等級(jí)分類自2019 年開(kāi)始已為國(guó)內(nèi)外氣象、海洋部門所廣泛采用。前人通過(guò)分析2019 年中國(guó)近海海洋熱浪事件特征, 給出了各海區(qū)的海洋熱浪發(fā)生頻次、發(fā)生日數(shù)、平均強(qiáng)度與最大強(qiáng)度(王愛(ài)梅 等, 2021)。全球海洋1982、2000 和2016 年各年MHW 強(qiáng)度的全球分布結(jié)果顯示, 珠江口在1982年沒(méi)有出現(xiàn)MHW, 但2000 年和2016 年分別出現(xiàn)了中度和強(qiáng)海洋熱浪事件(Hobday et al, 2018)。2019年度《中國(guó)海平面公報(bào)》中給出中國(guó)海域1—4 月SST 距平分布(自然資源部, 2020), 顯示2—4 月珠江口區(qū)域SST 距平偏高, 容易發(fā)生MHW 事件。世界氣象組織WMO(World Meteorological Organization)2019 與2020 年全球氣候狀況聲明中給出珠江口為MHW 強(qiáng)烈級(jí)海域(WMO, 2020, 2021)。MHW 強(qiáng)度變化趨勢(shì)研究也日益引起人們關(guān)注(繆予晴 等,2021), 并對(duì)導(dǎo)致海洋熱浪的時(shí)空分布、物理機(jī)制及影響等開(kāi)展了研究(Hu et al, 2021; Oliver et al, 2021;胡石建 等, 2022)。通過(guò)研究多年MHW 總?cè)諗?shù)、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度與頻率等, 得出中國(guó)沿海MHW 各項(xiàng)指數(shù)均呈顯著上升趨勢(shì)(Yao et al, 2020, 2021)。

在全球變暖的背景下, 海洋熱浪將在全球大部分海域變得更加頻繁、持久和強(qiáng)烈。研究顯示,1982—2016 年, 全球海洋熱浪事件平均發(fā)生頻率增加為每10 年0.45 次, 強(qiáng)度增長(zhǎng)為每10 年0.085 ℃,持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)為每10 年1.3d?，F(xiàn)有研究尚未充分揭示對(duì)溫度極為敏感但又與人類活動(dòng)密切相關(guān)的近海海域等海洋熱浪特征及機(jī)制。研究資料主要基于衛(wèi)星觀測(cè)海表面溫度及少數(shù)錨定浮標(biāo)海洋溫度數(shù)據(jù),存在衛(wèi)星表層海溫?cái)?shù)據(jù)誤差較大、時(shí)間分辨率有限、浮標(biāo)站點(diǎn)數(shù)量較少等問(wèn)題(胡石建 等, 2022)。本文采用大萬(wàn)山海洋站1974—2020 年觀測(cè)的逐日SST資料, 研究了珠江口近47 年來(lái)MHW 的年際及年代際變化特征。為更準(zhǔn)確把握MHW 變化情況, 還對(duì)該區(qū)域四季MHW 變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析, 旨在為研究SST 長(zhǎng)期變化與赤潮、珊瑚白化等海洋生態(tài)災(zāi)害的關(guān)系, 以及MHW 變化的氣候預(yù)估等提供參考。

1 資料和方法

本文所用的大萬(wàn)山海洋站(21°56′N, 113°43′E)逐日平均SST 數(shù)據(jù)源取自自然資源部南海局檔案館。打鼓嶺(22°32′N, 114°09′E)和上川島站(21°44′N,112°46′E)氣溫資料分別取自香港天文臺(tái)與廣東省氣象局。全球溫度距平資料取自 HadCRUT5 系列(https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/Temperature/, 其氣候基準(zhǔn)值為1981—2010 年平均)。全球海洋MHW出現(xiàn)率資料取自 2019 年美國(guó)氣象學(xué)會(huì)年報(bào)(https://doi.org/10.1175/2020BAMSStateoftheClimate.1)。香港月平均500hPa 高度資料(1974—2020)來(lái)自香港天文臺(tái)歷年年報(bào)(http://www.weather.gov.hk/sc/publica/pubsmo.htm)。熱帶氣旋資料取自香港天文臺(tái)熱帶氣旋年報(bào)。

中國(guó)沿海多個(gè)海洋臺(tái)站SST 資料2002 年以前存在較為嚴(yán)重的均一性問(wèn)題(李琰 等, 2018), 主要原因是儀器變更、遷站或測(cè)站環(huán)境發(fā)生重大變化。大萬(wàn)山站SST 測(cè)站從未搬遷過(guò), 但測(cè)次有過(guò)變化。該站的SST 觀測(cè)在2006 年9 月前為每天3 次(8、14、20 時(shí)); 2006 年10 月以后為每天24 個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻的SST 記錄。本文使用2019 年版《海濱觀測(cè)規(guī)范第2部分: 海濱觀測(cè)》(GB/T14914.2-2019)規(guī)定, 以08時(shí)記錄加權(quán)的每日4 次平均SST 為日平均SST。據(jù)2010—2019 年資料統(tǒng)計(jì), 大萬(wàn)山站月平均SST 的3次加權(quán)與逐時(shí)觀測(cè)的差值在±0.05℃以內(nèi)。本文使用的SST 系3 次加權(quán)法則。

本文通過(guò)與附近氣象站點(diǎn)具有較好均一性的氣溫資料進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)評(píng)估大萬(wàn)山站SST 資料的均一性。任國(guó)玉 等(2010)對(duì)全國(guó)地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估, 得出上川島站是廣東沿海氣溫均一性較好的測(cè)站。另外, 香港地區(qū)無(wú)城市熱島效應(yīng)、氣溫資料均一性較好的氣象站為建于1969 年的打鼓嶺(TKL)站(Wang et al, 2018)。把大萬(wàn)山站SST 資料與上川島、打鼓嶺站氣溫資料進(jìn)行對(duì)比, 經(jīng)相關(guān)分析可得出大萬(wàn)山年平均 SST與上川島、打鼓嶺站年平均氣溫呈顯著相關(guān)性(圖2),表明本文所用的大萬(wàn)山SST 序列具有較好的均一性。本文所采用的MHW 定義及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與WMO報(bào)告相同(圖1)。

圖2 大萬(wàn)山海洋站年平均SST 與鄰近氣象站年平均氣溫相關(guān)性Fig. 2 Correlation between the annual mean SST at the Dawanshan Marine Environmental Monitoring Station(DMEMS) and the annual mean temperature of adjacent meteorological stations

2 結(jié)果與分析

2.1 1974—2020 年珠江口MHW 年際及年代際變化趨勢(shì)

2.1.1 MHW 年際變化趨勢(shì)

1974—2020 年珠江口大萬(wàn)山站每年MHW 總?cè)諗?shù)及各級(jí)MHW 的逐年變化趨勢(shì)如圖3 所示。

圖3 1974—2020 年珠江口各級(jí)MHW 日數(shù)變化趨勢(shì)Fig. 3 Variation trend of MHW days at all levels in the Pearl River Estuary from 1974 to 2020

分析圖3 中資料關(guān)系得出:

1) 珠江口每年MHW 總?cè)諗?shù)呈上升趨勢(shì), 上升率為1.83d·a–1(n=47,R=0.67,P＜0.01);

2) 此時(shí)期珠江口各級(jí)MHW 出現(xiàn)日數(shù)比例為中度18.92%, 強(qiáng)烈53.24%, 嚴(yán)重24.06%, 極端3.77%;

3) 1982—2020 年珠江口平均每年MHW 發(fā)生率為22%, 高于同期全球海洋MHW 平均發(fā)生率約1 倍。

2.1.2 MHW 年代際變化趨勢(shì)

近40 年來(lái)珠江口MHW 日數(shù)存在顯著的年代際變化, 并且與全球氣候變暖密切相關(guān)。表1 給出大萬(wàn)山海洋站近40 年來(lái)MHW 總?cè)諗?shù)及各級(jí)MHW 日數(shù)的年代際變化, 同時(shí)給出全球、北半球地面溫度距平的年際變化。表1 表明, 近40 年來(lái)珠江口的MHW 日數(shù)年代際變化呈顯著上升趨勢(shì), 由1980s 的10 年42.2d 上升至2010s 的10 年108d。

表1 珠江口海洋熱浪年代際變化Tab. 1 Interdecadal variation of MHW in Pearl River Estuary

2.2 1974—2020 年珠江口四季MHW 變化趨勢(shì)

2.2.1 冬季MHW 變化趨勢(shì)

珠江口冬季(上年12 月與當(dāng)年1、2 月)各月SST月均值為20.17～17.27℃。1974—2020 年大萬(wàn)山站各級(jí)MHW 日數(shù)的變化趨勢(shì)如圖4 所示。統(tǒng)計(jì)圖4 中資料得出: (1)各級(jí)MHW 出現(xiàn)日數(shù)的比例為中度18.7%, 強(qiáng)烈41.6%, 嚴(yán)重30.8%, 極端8.9%; (2)近47 年冬季的 MHW 日數(shù)呈上升趨勢(shì), 上升率為0.53d·a–1(n=47,R=0.44,P＜0.01)。2.2.2 春季MHW 變化趨勢(shì)

圖4 1974—2020 逐年冬季珠江口各級(jí)MHW 日數(shù)變化趨勢(shì)Fig. 4 Variation trend of MHW days at all levels in Pearl River Estuary in winter from 1974 to 2020

珠江口春季(3—5 月)各月 SST 月均值在20.36～27.46℃之間, 各級(jí)MHW 日數(shù)的變化趨勢(shì)為圖5 所示。統(tǒng)計(jì)圖5 中資料得出: (1)各級(jí)MHW 出現(xiàn)日數(shù)的比例為中度 33.7%, 強(qiáng)烈 56.4%, 嚴(yán)重9.9%, 極端0; (2)近47 年冬季的MHW 日數(shù)呈上升趨勢(shì), 上升率為0.31d·a–1(n=47,R=0.29,P＜0.01)。

圖5 1974—2020 逐年春季珠江口各級(jí)MHW 日數(shù)變化趨勢(shì)Fig. 5 Variation trend of MHW days at all levels in the Pearl River Estuary in spring from 1974 to 2020

2.2.3 夏季MHW 變化趨勢(shì)

珠江口夏季(6—8 月)各月 SST 月均值在29.12～29.86℃之間, 歷史上有過(guò)月均值為 31.46℃(2016 年6 月)。1974—2020 年大萬(wàn)山站各級(jí)MHW的變化趨勢(shì)如圖6 所示。統(tǒng)計(jì)圖6 中資料得出: (1)各級(jí)MHW 出現(xiàn)日數(shù)的比例為中度13.1%, 強(qiáng)烈50.7%, 嚴(yán)重33.4%, 極端2.8%; (2)近47 年夏季的MHW 日數(shù)呈顯著上升趨勢(shì), 上升率為 0.45d·a–1(n=47,R=0.46,P＜0.01)。

圖6 1974—2020 逐年夏季珠江口各級(jí)MHW 日數(shù)變化趨勢(shì)Fig. 6 Variation trend of MHW days at all levels in the Pearl River Estuary in summer from 1974 to 2020

2.2.4 秋季MHW 變化趨勢(shì)

珠江口秋季(9—11 月)各月 SST 月平均值在24.82～29.28℃之間, 各級(jí)MHW 日數(shù)的變化趨勢(shì)為圖7 所示。統(tǒng)計(jì)圖7 中資料得出: (1)各級(jí)MHW 出現(xiàn)日數(shù)的比例為中度19.1%, 強(qiáng)烈63.2%, 嚴(yán)重11.4%,極端6.3%; (2)近47 年冬季的MHW 日數(shù)呈上升趨勢(shì),上升率為0.57d·a–1(n=47,R=0.51,P＜0.01)。

圖7 1974—2020 逐年秋季珠江口各級(jí)MHW 日數(shù)變化趨勢(shì)Fig. 7 Variation trend of MHW days at all levels in the Pearl River Estuary in autumn from 1974 to 2020

綜上, 1974—2020 年大萬(wàn)山海洋站四季海洋熱浪參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 1974—2020 年大萬(wàn)山海洋站四季海洋熱浪參數(shù)比較Tab. 2 Comparison of MHW parameters at DMEMS in four seasons from 1974 to 2020

2.3 珠江口海洋熱浪增多、增強(qiáng)的主要影響因素

由前人有關(guān)珠江口SST 變化特征分析(湯超蓮等, 2004, 2007; 鄧松 等, 2005; 鄭兆勇 等, 2010;程澤梅 等, 2016)、2016、2020 年廣東氣候公報(bào)(廣東省氣候中心, 2016, 2020)及2019、2020 年中國(guó)海平面公報(bào)(自然資源部, 2020, 2021)可知: 近47 年來(lái)珠江口海洋熱浪增多、增強(qiáng)的主要原因可能是受全球氣候變暖、南海高壓增強(qiáng)和冬、夏季風(fēng)偏弱的影響。

圖8 為1974—2020 年大萬(wàn)山站每年MHW 日數(shù)與全球地面溫度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 顯示二者呈顯著正相關(guān)(n=47,R=0.71,P＜0.01)。

圖8 1974—2020 每年珠江口海洋MHW 日數(shù)與全球地面溫度距平對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig. 8 Correspondence between the MHW days in the Pearl River Estuary and the global surface temperature anomaly from 1974 to 2020

圖9 為珠江口MHW 日數(shù)與該地區(qū)上空南海高壓變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。珠江口上空南海高壓的強(qiáng)弱變化用香港天文臺(tái)實(shí)測(cè)的500hPa 位勢(shì)高度表示。圖9表明1974—2020 年每年夏季珠江口MHW 日數(shù)與500hPa 高度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(n=47,R=0.40,P＜0.01)。

圖9 1974—2020 每年夏季珠江口MHW 日數(shù)與香港500hPa 高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig. 9 Correspondence between MHW days in the Pearl River Estuary and the geopotential height of 500hPa in Hong Kong during the summer from 1974 to 2020

值得注意的是冬季風(fēng)影響時(shí)期是否有強(qiáng)寒潮過(guò)境, 將對(duì)冬、春月份MHW 的變化產(chǎn)生重大的影響,且冬季由東亞冬季風(fēng)異常導(dǎo)致的SST 異?？沙掷m(xù)至夏季(梁巧倩 等, 2006)。通過(guò)典型暖年(2016、2020)MHW 差異分析可加深認(rèn)識(shí)。

2.4 典型暖年珠江口MHW 差異原因分析

根據(jù)WMO(World Meteorological Organization)2020 年報(bào), 2016 與2020 年為全球近百年來(lái)最暖年與第二暖年(WMO, 2021)。這兩年珠江口的MHW 變化存在兩處明顯差異: 一是2016 年2—5 月連續(xù)4個(gè)月沒(méi)有出現(xiàn)熱浪; 二是熱浪日數(shù)2016 年比2020年少30d(表3)。根據(jù)前人(湯超蓮 等, 2006; 程澤梅等, 2016)對(duì)珠江口SST 變化原因的分析結(jié)果, 估計(jì)造成這種差異的主要原因如下。

1) 2016 年1 月23 日開(kāi)始受到百年一遇強(qiáng)寒潮過(guò)境影響(何俊杰 等, 2016), 這次寒潮引起的降溫一直影響到西沙海域(周宇, 2017)。1 月24 日香港天文臺(tái)地面氣壓1034.6hPa, 為近百年來(lái)最高紀(jì)錄(香港天文臺(tái), 2016a)。大萬(wàn)山1 月23—26 日各天的日平均氣溫低于 9 ℃, 24日最低氣溫 2.7 ℃,為近47 年來(lái)最低紀(jì)錄。2—3 月仍有寒潮與強(qiáng)冷空氣過(guò)境, 導(dǎo)致香港天文臺(tái)2—3 月的平均氣溫較氣候基準(zhǔn)值低1.3～1.6 ℃(香港天文臺(tái), 2016b, 2016c);大萬(wàn)山站月平均SST 較氣候基準(zhǔn)值低0.6～1.2 ℃,并持續(xù)影響到5 月份, 故連續(xù)4 個(gè)月沒(méi)有MHW 出現(xiàn)(表3)。

2) 南海高壓影響: 表3 中5—11 月有南海高壓控制的月份都出現(xiàn)MHW, 日數(shù)在7～23d 之間(僅2016 年5 月是例外); 沒(méi)有南海高壓控制的月份未出現(xiàn) MHW, 僅 2020 年 11 月份例外, 原因是該月8—12 日, 熱帶氣旋“艾陶”(Etau)及“環(huán)高”(Vamco)橫過(guò)南海, 受熱帶氣旋外圍云帶影響, 珠江口日均SST 下降; 16—30 日, 又受到寒潮影響, 珠江口日均SST 再次下降1℃。2020 年為冬季風(fēng)與冷空氣勢(shì)力偏弱年(廣東省氣候中心, 2020), 因此, 這兩年1 月下旬至4 月份的逐日SST 及MHW 變化截然不同(圖10), 2016 年2—5 各月沒(méi)有出現(xiàn)熱浪。

圖10 大萬(wàn)山站2016 和2020 年1—4 月逐日SST 變化Fig. 10 Daily SST at the Dawanshan Marine Environmental Monitoring Station (DMEMS) from January to April of 2016 and 2020

表3 大萬(wàn)山海洋站2016 和2020 年逐月水文氣象參數(shù)比較Tab. 3 Comparison of monthly hydrometeorological parameters at DMEMS in 2016 and 2020

3 結(jié)論

本文利用珠江口大萬(wàn)山海洋站觀測(cè)的1974—2020 年SST 資料、全球溫度距平資料、香港實(shí)測(cè)500hPa 資料、國(guó)際通用海洋熱浪(MHW)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料, 分析近47 年來(lái)珠江口MHW 變化趨勢(shì)和特征, 結(jié)果如下。

1) 珠江口全年各月均可出現(xiàn) MHW, 季平均MHW 次數(shù)及持續(xù)時(shí)間以夏季最多(2.38 次·a–1)、最長(zhǎng)(23d·次–1)。

2) 近47年來(lái), 珠江口全年及各季的MHW日數(shù)都呈顯著上升趨勢(shì), 上升率為全年1.83d·a–1,冬季0.53d·a–1,春季0.31d·a–1, 夏季0.45d·a–1, 秋季0.57d·a–1。

3) 近47 年珠江口出現(xiàn)的MHW 按強(qiáng)度劃分,各季都以強(qiáng)烈(strong)級(jí)所占比例最大, 年平均占53.2%; 其次是嚴(yán)重(severe)級(jí), 年平均占24.1%; 極端(extreme)級(jí)極少出現(xiàn), 僅占3.8%。

4) 珠江口MHW 日數(shù)增多的主要原因可能與全球氣候變暖、南海高壓增強(qiáng)與東亞季風(fēng)減弱有關(guān)。