1974—2020 年珠江口外海海洋热浪变化趋势分析

2022-12-05唐灵聂宇华王平汤超莲

热带海洋学报 2022年6期

唐灵, 聂宇华, 王平, 汤超莲

1. 国家海洋局南海信息中心, 广东广州 510310;

2. 自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室, 广东广州 510330

近年来, 受全球气候变暖等因素影响, 海洋热浪(marine heatwave, MHW)研究迅速发展成为一个重要的研究前沿。前人在研究2011 年2—3 月澳大利亚西南海岸的水温变暖事件过程中, 首次提出海洋热浪概念(Pearce et al, 2011)。近30 年来, 海洋热浪发生的次数持续增加, 其延续时间可达数月, 空间范围可延伸至数千千米(自然资源部, 2020)。海洋热浪可导致珊瑚白化现象, 并对鱼类和海洋生态系统构成严重威胁(Donovan et al, 2021; Laufkötter et al, 2020)。

海洋热浪通常定义为一个长时间、离散的异常暖水事件。具体来说, 如果SST 连续5d(含5d)以上高于30 年气候基准期内的第90 个百分位, 即为一次海洋热浪事件(Hobday et al, 2016)。海洋热浪强度等级划分(图1)参考Hobday 等(2018)的划分方法,本文以1981—2010 年为气候基准期, 以气候基准期30 年SST 平均值作为常年气候均值(虚线), 以气候基准期的第90 个百分位值(绿色细线)与常年气候均值之差的1～4 倍进行等级划分, 把海洋热浪分成I中度(moderate), Ⅱ强烈(strong), Ⅲ严重(severe)和Ⅳ极端(extreme)4 个等级。

图1 海洋热浪等级划分示意图(改自Hobday et al, 2018)Fig. 1 Categorization schematic for MHW(modified from Hobday et al, 2018)

MHW 强度等级分类自2019 年开始已为国内外气象、海洋部门所广泛采用。前人通过分析2019 年中国近海海洋热浪事件特征, 给出了各海区的海洋热浪发生频次、发生日数、平均强度与最大强度(王爱梅等, 2021)。全球海洋1982、2000 和2016 年各年MHW 强度的全球分布结果显示, 珠江口在1982年没有出现MHW, 但2000 年和2016 年分别出现了中度和强海洋热浪事件(Hobday et al, 2018)。2019年度《中国海平面公报》中给出中国海域1—4 月SST 距平分布(自然资源部, 2020), 显示2—4 月珠江口区域SST 距平偏高, 容易发生MHW 事件。世界气象组织WMO(World Meteorological Organization)2019 与2020 年全球气候状况声明中给出珠江口为MHW 强烈级海域(WMO, 2020, 2021)。MHW 强度变化趋势研究也日益引起人们关注(缪予晴等,2021), 并对导致海洋热浪的时空分布、物理机制及影响等开展了研究(Hu et al, 2021; Oliver et al, 2021;胡石建等, 2022)。通过研究多年MHW 总日数、持续时间、强度与频率等, 得出中国沿海MHW 各项指数均呈显著上升趋势(Yao et al, 2020, 2021)。

在全球变暖的背景下, 海洋热浪将在全球大部分海域变得更加频繁、持久和强烈。研究显示,1982—2016 年, 全球海洋热浪事件平均发生频率增加为每10 年0.45 次, 强度增长为每10 年0.085 ℃,持续时间增长为每10 年1.3d。现有研究尚未充分揭示对温度极为敏感但又与人类活动密切相关的近海海域等海洋热浪特征及机制。研究资料主要基于卫星观测海表面温度及少数锚定浮标海洋温度数据,存在卫星表层海温数据误差较大、时间分辨率有限、浮标站点数量较少等问题(胡石建等, 2022)。本文采用大万山海洋站1974—2020 年观测的逐日SST资料, 研究了珠江口近47 年来MHW 的年际及年代际变化特征。为更准确把握MHW 变化情况, 还对该区域四季MHW 变化趋势进行了分析, 旨在为研究SST 长期变化与赤潮、珊瑚白化等海洋生态灾害的关系, 以及MHW 变化的气候预估等提供参考。

1 资料和方法

本文所用的大万山海洋站(21°56′N, 113°43′E)逐日平均SST 数据源取自自然资源部南海局档案馆。打鼓岭(22°32′N, 114°09′E)和上川岛站(21°44′N,112°46′E)气温资料分别取自香港天文台与广东省气象局。全球温度距平资料取自 HadCRUT5 系列(https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/Temperature/, 其气候基准值为1981—2010 年平均)。全球海洋MHW出现率资料取自 2019 年美国气象学会年报(https://doi.org/10.1175/2020BAMSStateoftheClimate.1)。香港月平均500hPa 高度资料(1974—2020)来自香港天文台历年年报(http://www.weather.gov.hk/sc/publica/pubsmo.htm)。热带气旋资料取自香港天文台热带气旋年报。

中国沿海多个海洋台站SST 资料2002 年以前存在较为严重的均一性问题(李琰等, 2018), 主要原因是仪器变更、迁站或测站环境发生重大变化。大万山站SST 测站从未搬迁过, 但测次有过变化。该站的SST 观测在2006 年9 月前为每天3 次(8、14、20 时); 2006 年10 月以后为每天24 个整点时刻的SST 记录。本文使用2019 年版《海滨观测规范第2部分: 海滨观测》(GB/T14914.2-2019)规定, 以08时记录加权的每日4 次平均SST 为日平均SST。据2010—2019 年资料统计, 大万山站月平均SST 的3次加权与逐时观测的差值在±0.05℃以内。本文使用的SST 系3 次加权法则。

本文通过与附近气象站点具有较好均一性的气温资料进行对比分析来评估大万山站SST 资料的均一性。任国玉等(2010)对全国地面气象观测数据质量进行了系统评估, 得出上川岛站是广东沿海气温均一性较好的测站。另外, 香港地区无城市热岛效应、气温资料均一性较好的气象站为建于1969 年的打鼓岭(TKL)站(Wang et al, 2018)。把大万山站SST 资料与上川岛、打鼓岭站气温资料进行对比, 经相关分析可得出大万山年平均 SST与上川岛、打鼓岭站年平均气温呈显著相关性(图2),表明本文所用的大万山SST 序列具有较好的均一性。本文所采用的MHW 定义及分级标准与WMO报告相同(图1)。

图2 大万山海洋站年平均SST 与邻近气象站年平均气温相关性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 结果与分析

2.1 1974—2020 年珠江口MHW 年际及年代际变化趋势

2.1.1 MHW 年际变化趋势

1974—2020 年珠江口大万山站每年MHW 总日数及各级MHW 的逐年变化趋势如图3 所示。

图3 1974—2020 年珠江口各级MHW 日数变化趋势Fig. 3 Variation trend of MHW days at all levels in the Pearl River Estuary from 1974 to 2020

分析图3 中资料关系得出:

1) 珠江口每年MHW 总日数呈上升趋势, 上升率为1.83d·a–1(n=47,R=0.67,P＜0.01);

2) 此时期珠江口各级MHW 出现日数比例为中度18.92%, 强烈53.24%, 严重24.06%, 极端3.77%;

3) 1982—2020 年珠江口平均每年MHW 发生率为22%, 高于同期全球海洋MHW 平均发生率约1 倍。

2.1.2 MHW 年代际变化趋势

近40 年来珠江口MHW 日数存在显著的年代际变化, 并且与全球气候变暖密切相关。表1 给出大万山海洋站近40 年来MHW 总日数及各级MHW 日数的年代际变化, 同时给出全球、北半球地面温度距平的年际变化。表1 表明, 近40 年来珠江口的MHW 日数年代际变化呈显著上升趋势, 由1980s 的10 年42.2d 上升至2010s 的10 年108d。

表1 珠江口海洋热浪年代际变化Tab. 1 Interdecadal variation of MHW in Pearl River Estuary

2.2 1974—2020 年珠江口四季MHW 变化趋势

2.2.1 冬季MHW 变化趋势

珠江口冬季(上年12 月与当年1、2 月)各月SST月均值为20.17～17.27℃。1974—2020 年大万山站各级MHW 日数的变化趋势如图4 所示。统计图4 中资料得出: (1)各级MHW 出现日数的比例为中度18.7%, 强烈41.6%, 严重30.8%, 极端8.9%; (2)近47 年冬季的 MHW 日数呈上升趋势, 上升率为0.53d·a–1(n=47,R=0.44,P＜0.01)。2.2.2 春季MHW 变化趋势

图4 1974—2020 逐年冬季珠江口各级MHW 日数变化趋势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℃之间, 各级MHW 日数的变化趋势为图5 所示。统计图5 中资料得出: (1)各级MHW 出现日数的比例为中度 33.7%, 强烈 56.4%, 严重9.9%, 极端0; (2)近47 年冬季的MHW 日数呈上升趋势, 上升率为0.31d·a–1(n=47,R=0.29,P＜0.01)。

图5 1974—2020 逐年春季珠江口各级MHW 日数变化趋势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 变化趋势

珠江口夏季(6—8 月)各月 SST 月均值在29.12～29.86℃之间, 历史上有过月均值为 31.46℃(2016 年6 月)。1974—2020 年大万山站各级MHW的变化趋势如图6 所示。统计图6 中资料得出: (1)各级MHW 出现日数的比例为中度13.1%, 强烈50.7%, 严重33.4%, 极端2.8%; (2)近47 年夏季的MHW 日数呈显著上升趋势, 上升率为 0.45d·a–1(n=47,R=0.46,P＜0.01)。

图6 1974—2020 逐年夏季珠江口各级MHW 日数变化趋势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 变化趋势

珠江口秋季(9—11 月)各月 SST 月平均值在24.82～29.28℃之间, 各级MHW 日数的变化趋势为图7 所示。统计图7 中资料得出: (1)各级MHW 出现日数的比例为中度19.1%, 强烈63.2%, 严重11.4%,极端6.3%; (2)近47 年冬季的MHW 日数呈上升趋势,上升率为0.57d·a–1(n=47,R=0.51,P＜0.01)。

图7 1974—2020 逐年秋季珠江口各级MHW 日数变化趋势Fig. 7 Variation trend of MHW days at all levels in the Pearl River Estuary in autumn from 1974 to 2020

综上, 1974—2020 年大万山海洋站四季海洋热浪参数见表2。

表2 1974—2020 年大万山海洋站四季海洋热浪参数比较Tab. 2 Comparison of MHW parameters at DMEMS in four seasons from 1974 to 2020

2.3 珠江口海洋热浪增多、增强的主要影响因素

由前人有关珠江口SST 变化特征分析(汤超莲等, 2004, 2007; 邓松等, 2005; 郑兆勇等, 2010;程泽梅等, 2016)、2016、2020 年广东气候公报(广东省气候中心, 2016, 2020)及2019、2020 年中国海平面公报(自然资源部, 2020, 2021)可知: 近47 年来珠江口海洋热浪增多、增强的主要原因可能是受全球气候变暖、南海高压增强和冬、夏季风偏弱的影响。

图8 为1974—2020 年大万山站每年MHW 日数与全球地面温度变化的对应关系, 显示二者呈显著正相关(n=47,R=0.71,P＜0.01)。

图8 1974—2020 每年珠江口海洋MHW 日数与全球地面温度距平对应关系Fig. 8 Correspondence between the MHW days in the Pearl River Estuary and the global surface temperature anomaly from 1974 to 2020

图9 为珠江口MHW 日数与该地区上空南海高压变化的对应关系。珠江口上空南海高压的强弱变化用香港天文台实测的500hPa 位势高度表示。图9表明1974—2020 年每年夏季珠江口MHW 日数与500hPa 高度呈显著正相关关系(n=47,R=0.40,P＜0.01)。

图9 1974—2020 每年夏季珠江口MHW 日数与香港500hPa 高度的对应关系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

值得注意的是冬季风影响时期是否有强寒潮过境, 将对冬、春月份MHW 的变化产生重大的影响,且冬季由东亚冬季风异常导致的SST 异常可持续至夏季(梁巧倩等, 2006)。通过典型暖年(2016、2020)MHW 差异分析可加深认识。

2.4 典型暖年珠江口MHW 差异原因分析

根据WMO(World Meteorological Organization)2020 年报, 2016 与2020 年为全球近百年来最暖年与第二暖年(WMO, 2021)。这两年珠江口的MHW 变化存在两处明显差异: 一是2016 年2—5 月连续4个月没有出现热浪; 二是热浪日数2016 年比2020年少30d(表3)。根据前人(汤超莲等, 2006; 程泽梅等, 2016)对珠江口SST 变化原因的分析结果, 估计造成这种差异的主要原因如下。

1) 2016 年1 月23 日开始受到百年一遇强寒潮过境影响(何俊杰等, 2016), 这次寒潮引起的降温一直影响到西沙海域(周宇, 2017)。1 月24 日香港天文台地面气压1034.6hPa, 为近百年来最高纪录(香港天文台, 2016a)。大万山1 月23—26 日各天的日平均气温低于 9 ℃, 24日最低气温 2.7 ℃,为近47 年来最低纪录。2—3 月仍有寒潮与强冷空气过境, 导致香港天文台2—3 月的平均气温较气候基准值低1.3～1.6 ℃(香港天文台, 2016b, 2016c);大万山站月平均SST 较气候基准值低0.6～1.2 ℃,并持续影响到5 月份, 故连续4 个月没有MHW 出现(表3)。

2) 南海高压影响: 表3 中5—11 月有南海高压控制的月份都出现MHW, 日数在7～23d 之间(仅2016 年5 月是例外); 没有南海高压控制的月份未出现 MHW, 仅 2020 年 11 月份例外, 原因是该月8—12 日, 热带气旋“艾陶”(Etau)及“环高”(Vamco)横过南海, 受热带气旋外围云带影响, 珠江口日均SST 下降; 16—30 日, 又受到寒潮影响, 珠江口日均SST 再次下降1℃。2020 年为冬季风与冷空气势力偏弱年(广东省气候中心, 2020), 因此, 这两年1 月下旬至4 月份的逐日SST 及MHW 变化截然不同(图10), 2016 年2—5 各月没有出现热浪。

图10 大万山站2016 和2020 年1—4 月逐日SST 变化Fig. 10 Daily SST at the Dawanshan Marine Environmental Monitoring Station (DMEMS) from January to April of 2016 and 2020