中國北部近海超級赤潮與西北太平洋海氣相互作用的關(guān)聯(lián)分析

張 超,胡 俊,沈 輝,郭振海,段安民*

(1.廈門大學海洋與地球?qū)W院,近海海洋環(huán)境科學國家重點實驗室,福建 廈門 361102;2.中國科學院大氣物理研究所,大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室,北京 100029;3.浙江省海洋監(jiān)測預(yù)報中心,浙江 杭州 310007)

赤潮被稱為“紅色幽靈”,通常指海水中藻類和菌類暴發(fā)性繁殖或聚集從而引起水體變紅色的現(xiàn)象.赤潮的暴發(fā)往往伴隨著海洋中的溶解氧快速消耗,有毒藻類釋放大量毒素,使得海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡遭受破壞甚至危害人體健康和生命安全[1-4].中國近海(以下簡稱近海)面積遼闊,總面積超過470萬km2[5].近海漁場超過146萬km2,約占總近海面積的1/3,且常受到赤潮的影響[2-4,6].因此,有關(guān)近海赤潮的成因和機制越來越受到科學界和決策者的關(guān)注.

氣溶膠輸送引起的化學過程和氣候水文有關(guān)的熱動力過程是近海赤潮發(fā)生的重要氣象因素[4,6-13].例如:Tian等[7]根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果指出東海上空氣溶膠的輸送與大面積赤潮的發(fā)生呈高相關(guān);趙秀逸等[8]綜述了大氣酸化過程將不溶性鐵轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄澡F的機制,以及干沉降過程誘發(fā)赤潮發(fā)生的機制;Jing[11]的研究指出濕沉降是赤潮發(fā)生的重要過程之一;翁煥新等[12]提出夏季風暴發(fā)為東海赤潮的大規(guī)模發(fā)生提供了重要的水汽條件;此外,竇勇等[13]認為厄爾尼諾-南方濤動(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)與近海赤潮的面積存在一定的聯(lián)系.

赤潮事件,尤其是超大規(guī)模的赤潮往往造成極其嚴重的經(jīng)濟和財產(chǎn)損失.據(jù)《中國海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報》公開數(shù)據(jù)(http:∥www.mnr.gov.cn/sj/sjfw/hy/gbgg/zghyzhgb/)顯示:2000年5月發(fā)生在臺州列島附近海域的赤潮,面積達5 800 km2,造成漁業(yè)損失約1.5億元;2010年6—7月發(fā)生在秦皇島至綏中沿岸海域的赤潮,面積達3 350 km2,造成直接經(jīng)濟損失約2億元.但關(guān)于上述大規(guī)模超級赤潮事件的成因,特別是海氣相互作用在其中的影響尚不明確.因此,本研究通過合成和相關(guān)分析研究晚冬北太平洋海溫異常和隨后5—6月中國北部近海超級赤潮之間的聯(lián)系,再通過波動力診斷、合成分析等方法探索其中的可能影響機制,以期深化對海氣相互作用影響中國近海極端赤潮發(fā)生機制的認識.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

本研究使用的數(shù)據(jù)均為公開數(shù)據(jù),包括:1) 2000—2021年共22年中國近海赤潮觀測資料,數(shù)據(jù)來源為中國海洋災(zāi)害公報(http:∥mds.nmdis.org.cn);2) 全球逐月降水數(shù)據(jù)(Global Precipitation Climatology Project,GPCP)[14],分辨率為2.5°×2.5°的網(wǎng)格場,時間尺度為1979年1月至今,網(wǎng)站鏈接為https:∥www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.gpcp.html;3) 美國國家環(huán)境預(yù)測中心-能源部提供的第2套再分析數(shù)據(jù)[National Centers for Environmental Prediction-Department of Energy (NCEP-DOE) Reanalysis-2,NCEP-DOE R2][15],包括逐月的高度場、垂直速度、相對濕度和風場等,水平分辨率為2.5°×2.5°,垂直方向17層,時間尺度為1979年1月至今,數(shù)據(jù)鏈接為ftp:∥ftp.cdc.noaa.gov/Datasets/;4) 哈德來氣象中心提供(Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature,HadISST)的逐月海表溫度資料[16],水平分辨率為1°×1°,時間尺度為1870年1月至今,網(wǎng)站鏈接為https:∥www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadisst/data/;5) 歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF)提供的多源衛(wèi)星反演的氣溶膠光學厚度(aerosal optical depth,AOD)數(shù)據(jù)集[17],時間尺度為1995年1月至今,水平分辨率為1°×1°,該數(shù)據(jù)鏈接為https:∥cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/satellite-aerosol-properties?tab=overview.

1.2 方 法

為考察大氣遙相關(guān)波列的傳播,根據(jù)高度場的異常場和相應(yīng)的氣候態(tài),可計算與能量頻散相關(guān)的波活動通量(wave activity flux,WAF).Takaya等[18]推導出大氣Rossby波的波通量(W)計算公式:

W=

其中,U=(U,V)代表地轉(zhuǎn)風,φ代表流函數(shù),右下角標則表示偏導數(shù).

西北太平洋偶極子(western North Pacific dipole,WNPD)指數(shù)表現(xiàn)為西北太平洋南部和北部海域海表溫度(sea surface temperature,SST)反相變化的空間分布.當WNPD為正位相時,西北太平洋南部海域為冷SST異常,而北部海域為暖SST異常.WNPD指數(shù)的計算方案采用西北太平洋北部海域(160° E～172° W, 40°～52° N)減去南部海域(125° E～178° W, 20°～32° N)SST面積加權(quán)平均,再求其標準差.

本研究使用的統(tǒng)計方法包括超前-滯后合成分析法、相關(guān)分析法,統(tǒng)計量(如降水量、SST和AOD等)服從正態(tài)分布,故選擇雙側(cè)Student’st-檢驗進行統(tǒng)計量的可信度檢驗[19].

2 結(jié)果與分析

2.1 超級赤潮與SST之間的關(guān)聯(lián)

從2000—2021年共22年的近海赤潮數(shù)據(jù)中,選擇每年赤潮面積最大的赤潮事件作為研究對象,共22次,這些赤潮面積在500 km2以上,最大達7 000 km2,存在較大的年際變率.所有赤潮事件的持續(xù)時間均超過一星期,其中有60%赤潮面積達1 000 km2以上,且持續(xù)時間超過半個月以上,故將這些大規(guī)模且持續(xù)時間較長的赤潮事件稱為近海超級赤潮.此外,從起止時間來看,近海超級赤潮集中在5—6月的有17次,占總樣本數(shù)的77%.以下研究分析每年發(fā)生在5—6月的近海超級赤潮.

中國的近海區(qū)域南北貫穿,涉及熱帶、亞熱帶和暖溫帶,氣候差異極大[3-5].為便于分析,本研究主要關(guān)注亞熱帶和暖溫帶分界線(秦嶺-淮河)以北的近海區(qū)域,即34° N以北的渤海-黃海區(qū)域(中國北部近海).中國北部近海超級赤潮(后文簡稱超級赤潮)集中在2004年和2009—2015年共8年[圖1(a)];超級赤潮的發(fā)生對應(yīng)著降水負異常[圖1(b)],即超級赤潮與干沉降過程相關(guān),該結(jié)論與已有研究中一般赤潮的形成過程基本一致[8,12];其中2004年6月11日發(fā)生在渤海灣的超級赤潮[圖1(c)]面積達1 850 km2,為有毒性的球形棕囊藻(Phaeocystisglobosa).需要注意的是,本研究從海氣相互作用和與之有關(guān)的大氣環(huán)流角度探討二者的關(guān)系.海洋環(huán)境等要素對赤潮的暴發(fā)也很重要,但超出本研究范疇.

超級赤潮的發(fā)生與同期5—6月和前期3—4月的西北太平洋SST異常基本不相關(guān)[圖2(a)和(b)];但與前期1—2月的西北太平洋偶極型SST異常顯著相關(guān)[圖2(c)],相關(guān)系數(shù)達0.66,解釋方差為45%,通過99.9%的可信度檢驗,表明晚冬西北太平洋偶極型SST異常與隨后5—6月的超級赤潮顯著相關(guān).

超級赤潮年份的SST減去其氣候態(tài),得到同期5—6月(a)、前期3—4月(b)和1—2月(c)的SST異常場.(c)中兩個框選的區(qū)域分別表示與超級赤潮有關(guān)的關(guān)鍵區(qū),紫色“×”表示SST異常超過90%的可信度檢驗(下同).圖2 SST異常超前合成場Fig.2 Lead composite field of SST anomalies

2.2 SST異常影響超級赤潮的可能機制

超級赤潮緯度隨時間的演化如圖3所示.為揭示SST異常對超級赤潮的可能影響,選取WNPD指數(shù)標準差大于0.5定義為極端強SST異常年份(圖3中的點),共7年;同時用22年數(shù)據(jù)的平均值作為其氣候態(tài),用極端強SST異常年份時的物理變量減去其氣候態(tài)進行合成分析,代表WNPD的SST異常對超級赤潮的可能影響機制.

圓點表示W(wǎng)NPD指數(shù)大于0.5的年份.圖3 超級赤潮緯度隨時間的演化Fig.3 Evolution of latitudes of the super red tied over time

從SST異常的演化可知(圖4):偶極型SST異?？沙掷m(xù)到隨后的5—6月,意味著晚冬西北太平洋南部冷-北部暖SST異常時,西北太平洋上空出現(xiàn)偶極型熱力強迫,且該熱強迫可持續(xù)到隨后的5—6月,對大氣環(huán)流產(chǎn)生穩(wěn)定和累加的影響.

WNPD偏強年份的SST減去其氣候態(tài),得到同期1—2月(a)、隨后3—4月(b)和5—6月(c)的SST異常場.圖4 SST異常隨時間的演化Fig.4 Evolution of SST anomalies over time

晚冬,西北太平洋南冷北暖型SST異?？杉ぐl(fā)出局地的氣旋和反氣旋系統(tǒng)[圖5(a)].當時間演化至隨后的5—6月[圖5(b)],偶極型SST異常的范圍有一定減弱,使得局地的氣旋、反氣旋異常范圍也隨之減小,同時觀測到鄂霍次克海及周邊地區(qū)出現(xiàn)異常的氣旋系統(tǒng).

WNPD偏強年份的物理量減去其氣候態(tài),得到同期1—2月(a)和隨后5—6月(b)的SST異常場和850 hPa風場(矢量箭頭,單位m/s),以及5—6月(c) 850 hPa高度場和波通量(矢量箭頭,單位m2/s2).A和C分別表示反氣旋和氣旋,綠色箭頭表示能量的傳播方向,(a)和(b)中白色“×”和紫色箭頭表示異常場超過90%的可信度檢驗.圖5 大氣環(huán)流對SST異常的響應(yīng)Fig.5 Response of atmospheric circulation to SST anomalies

為探索鄂霍次克海氣旋系統(tǒng)的形成,計算了偶極型SST異常有關(guān)的高度場和波活動通量[圖5(c)].當SST異常時,注意到有兩支從20° N附近的低壓出發(fā)向高緯度傳播的徑向波列到達鄂霍次克海地區(qū)[如圖5(c)中綠色箭頭所示],其中一支從西太平洋穿過日本地區(qū)到達鄂霍次克海西部,另一支從日界線附近傳向鄂霍次克海西部.因此,冷SST異常引發(fā)的20° N附近的低壓(氣旋)異?？赏ㄟ^Rossby能量頻散影響鄂霍次克海地區(qū)的低壓(氣旋)異常,是形成鄂霍次克海氣旋異常的關(guān)鍵系統(tǒng).

為揭示海氣相互作用對超級赤潮的可能影響,計算了SST異常相關(guān)的5—6月環(huán)流異常.在對流層高層[圖6(a)],偶極型SST異常引發(fā)東亞沿岸至日本地區(qū)對流層高層的反氣旋對;反氣旋對中間的異常西北風和東南風[圖6(a)中藍色箭頭]在中國北部近海的對流層高層輻合,使得高層大氣堆積.在對流層低層[圖6(b)],位于鄂霍次克海氣旋西側(cè)觀測到西北風異常[圖6(b)中紅色箭頭];該異常的西北風從東西伯利亞出發(fā)到達中國北部近海的對流層低層.環(huán)流的進一步調(diào)整有利于中國北部近海上空出現(xiàn)下沉運動[圖6(c)].來自陸地的干冷氣流將陸面的干冷空氣和氣溶膠輸送到中國北部近海,使得該區(qū)域上空的大氣異常干燥[圖6(d)];氣溶膠的明顯下沉運動則引發(fā)氣溶膠的干沉降過程[圖6(e)].可見,晚冬西北太平洋南部冷-北部暖偶極型SST異?？沙掷m(xù)到隨后的5—6月,并通過影響對流層高低層的環(huán)流異常,引發(fā)中國北部近海上空的干沉降過程,從而為中國北部近海的超級赤潮發(fā)生提供有利的動熱力條件.

5—6月WNPD偏強年份時的物理量減去其氣候態(tài),得到200 hPa(a)和850 hPa(b)高度場和風場(矢量箭頭,單位m/s),500 hPa垂直速度(c),850 hPa相對濕度(d),以及AOD合成場(e).圓圈表示中國北部近海區(qū)域,(a)和(b)中藍色和紅色箭頭表示異常風向,紫色箭頭表示風場異常場超過90%的可信度檢驗.圖6 形成超級赤潮的可能機制Fig.6 Possible mechanism for the super red tide formation

3 結(jié)論與討論

本研究基于2000—2021年共22年的觀測資料和再分析數(shù)據(jù),使用合成分析、相關(guān)分析和波動力學診斷等方法,研究了晚冬西北太平洋SST異常對隨后5—6月中國北部近海超級赤潮的影響.結(jié)果表明,晚冬西北太平洋的南部冷-北部暖SST異?？沙掷m(xù)到隨后的5—6月,并激發(fā)熱帶向高緯度傳播的徑向波列.波列在對流層低層鄂霍次克海地區(qū)形成氣旋異常,該氣旋西側(cè)的西北風攜帶了中高緯陸地的干冷空氣和氣溶膠.同時,在對流層高層,東亞沿岸至日本地區(qū)的反氣旋對在中國北部近海對流層高空輻合,使得高空出現(xiàn)明顯下沉運動.為此,與偶極型SST異常有關(guān)的干冷空氣和氣溶膠,伴隨明顯的下沉運動引發(fā)中國北部近海上空的干沉降過程,從而對超級赤潮的暴發(fā)產(chǎn)生可能影響.

大量研究關(guān)注赤道中東太平洋海氣相互作用,指出ENSO發(fā)生時可通過西北太平洋反氣旋對中國東部近海沿岸氣候異常造成顯著影響[20-21].本研究表明西北太平偶極型(南部冷-北部暖)SST異常引發(fā)的氣旋-反氣旋-氣旋分布對中國北部近海地區(qū)極端赤潮事件造成可能影響.需要指出的是,本研究是基于觀測資料統(tǒng)計分析的結(jié)果,相關(guān)物理過程還需要數(shù)值模式模擬驗證和討論.另外,本研究分析了海氣相互作用以及與之相關(guān)的大氣環(huán)流過程對超級赤潮的可能影響.然而,赤潮的暴發(fā)絕非僅受到氣象因子的單一因素影響,還涉及海洋環(huán)境、海洋生物和海洋物理等眾多過程的影響.為了更全面地理解赤潮暴發(fā)的機制,未來應(yīng)從多因子、多學科角度探討相關(guān)物理過程.