2019年中國近海海洋熱浪特征研究

王愛梅，王慧，范文靜*，駱敬新，李文善，徐珊珊

(1.國家海洋信息中心，天津 300171)

1 引言

長期的海洋氣候變化對人類社會和健康產(chǎn)生了深遠影響，短期的海洋氣候極端事件也會嚴重影響海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類健康，如災害性海浪、風暴潮和海洋熱浪。隨著全球海水溫度持續(xù)上升，海洋熱浪變得更普遍且廣泛，相比已經(jīng)奪去數(shù)以萬計生命的陸地上的熱浪，海洋熱浪很少受到關注。

近年來，已發(fā)生多起影響巨大的海洋熱浪事件，持續(xù)的海洋熱浪易引發(fā)有毒海藻激增和珊瑚礁白化，威脅脆弱的海洋生態(tài)系統(tǒng)，破壞海洋生物多樣性，對水產(chǎn)養(yǎng)殖、漁業(yè)和旅游業(yè)等產(chǎn)生重大影響。2011年澳大利亞西海岸海洋熱浪事件改變了當?shù)氐暮２?藻類和珊瑚的生境，海藻數(shù)量減少，熱帶魚群落的分布范圍向南擴展[1]；2012年西北大西洋海洋熱浪事件改變了長鰭魷魚和美洲龍蝦的分布和種群結(jié)構，致使捕魚方式和捕撈模式改變，水產(chǎn)品價格暴跌[2]；2014?2016年北太平洋海溫持續(xù)升高，致使美國西海岸有害藻華暴發(fā)，海洋哺乳動物大量擱淺，藻華產(chǎn)生的毒素使?jié)O場長期關閉[3?4]；2015年澳大利亞東南部塔斯曼海海洋熱浪事件，致使養(yǎng)殖貝類疾病暴發(fā)以及野生鮑魚死亡等，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)增長速度放緩[5]；2016年受厄爾尼諾事件中創(chuàng)記錄高溫驅(qū)動，澳大利亞大堡礁發(fā)生了嚴重的白化事件，波及90%以上的珊瑚[6]。

在中國，2017年7月北黃海海洋熱浪事件持續(xù)時間達60 d，熱浪最大強度為2.93℃，此熱浪事件被認為是獐子島扇貝大量死亡的一個重要因素[7?8]；2018年8月渤海也發(fā)生了海洋熱浪事件，造成近岸大量養(yǎng)殖海參死亡[8?9]。

世界氣象組織《2019年全球氣候狀況聲明》表明，2019年全球海洋平均海洋熱浪天數(shù)為55 d，全球84%的海洋至少經(jīng)歷了1次海洋熱浪。中國近海海洋熱浪特征是怎樣的？鑒于近年來中國沿海海洋熱浪的形成機理、發(fā)生規(guī)律和時空特征等的研究欠缺，海洋熱浪對中國近海生態(tài)系統(tǒng)影響加大并對沿海經(jīng)濟社會造成嚴重影響，為滿足科學應對極端海洋氣候事件的服務需求，本文利用海洋站及遙感觀測數(shù)據(jù)研究中國近海2019年發(fā)生的海洋熱浪事件的最新監(jiān)測事實，以便積極采取有效措施減輕海洋熱浪的影響，促進沿海地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 熱浪定義

采用Hobday等[10]關于海洋熱浪的定義，即海洋熱浪是指在一定海域內(nèi)發(fā)生的日海表溫度至少連續(xù)5 d超過當?shù)丶竟?jié)閾值（即氣候基準期內(nèi)同期日海表溫度的第90百分位）的事件（圖1），其持續(xù)時間可達數(shù)月，空間范圍可延伸至數(shù)千千米。本文海洋熱浪所采用的氣候基準期為1983?2012年，計算當天氣候態(tài)值及閾值時采用氣候基準期內(nèi)同期11 d時間窗口內(nèi)的日平均海溫值并做31 d的滑動平均，海洋熱浪的統(tǒng)計指標包括發(fā)生頻次、持續(xù)時間、強度和范圍等（表1）。Hobday等[10]以Python編程語言給出海洋熱浪的計算程序，詳見http://github.com/ecjoliver/marineHeatWaves。

圖1 海洋熱浪定義簡圖Fig.1 Schematic of metrics used to define a marine heatwave

表1 海洋熱浪特征指標Table 1 Characteristic index of marine heatwave

2.2 數(shù)據(jù)

本文用到的數(shù)據(jù)包括國家海洋觀測站網(wǎng)數(shù)據(jù)（表2）、OISST V2日分辨率海溫數(shù)據(jù)以及NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集。海洋站位見圖2a。

表2 所用海洋站數(shù)據(jù)信息Table 2 Information of marine station’s data used

OISST V2數(shù)據(jù)為美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA）經(jīng)最優(yōu)插值得到的海表溫度數(shù)據(jù)集，本數(shù)據(jù)集使用了改進的高分辨率雷達（AVHRR）紅外衛(wèi)星海溫資料以及浮標和船舶等原位觀測資料[11]。日平均海溫數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25°×0.25°，時間跨度為1981年9月至2019年12月；月平均海溫數(shù)據(jù)的空間分辨率為 1°×1°，時間跨度為 1981年 12月至 2019年 12月。本文選取該數(shù)據(jù)集統(tǒng)計分析中國近海海洋熱浪特征。

NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集為來自美國國家環(huán)境預報中心（National Centers for Environmental Prediction,NCEP）和國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research,NCAR）聯(lián)合研制的全球大氣再分析數(shù)據(jù)，其利用觀測資料、預報模式和同化系統(tǒng)對全球從1948年至今的氣象資料進行再分析形成的格點資料，數(shù)據(jù)變量包括風場、海平面氣壓和位勢高度等，資料的分辨率為 2.5°×2.5°，時間跨度為 1948年 1月至2019年12月。本文進一步利用該數(shù)據(jù)集分析海洋熱浪發(fā)生時的大氣環(huán)流背景場。

本文的季節(jié)劃分是3?5月為春季，6?8月為夏季，9?11月為秋季，12月至翌年2月為冬季。

3 2019年中國近海熱浪特征

2019年，中國近海海洋熱浪事件發(fā)生頻次有明顯的區(qū)域分布差異，高頻區(qū)位于海南島周邊海域、長江口海域、江蘇外海海域和渤海海域，海洋熱浪頻次為7～12次；中國近海平均海洋熱浪天數(shù)為59 d，北部灣附近海域經(jīng)歷海洋熱浪的時間最長，約180～200 d，其次為渤海萊州灣海域，約100～120 d；海洋熱浪平均強度和最大強度分布類似，在南海北部海域、臺灣海峽附近海域和渤海海域較強，南海南部海域較弱（圖2）。

圖2 2019 年中國近海海洋熱浪事件特征Fig.2 Marine heatwave (MHW) events properties in the China offshore in 2019

由2019年海洋熱浪發(fā)生天數(shù)的四季分布可知（圖3），春季發(fā)生海洋熱浪的海域最廣，南海北部大部分海域、長江口附近海域和萊州灣均有海洋熱浪發(fā)生；夏季主要局限于渤海海域、北部灣海域和南海中北部海域；秋季主要發(fā)生在江蘇外海、廣東近海海域和北部灣海域；冬季海洋熱浪發(fā)生天數(shù)最少，主要發(fā)生在南海中西部海域和黃海中部。海南島周邊海域海洋熱浪四季均有發(fā)生，其中春季發(fā)生海洋熱浪的天數(shù)最多，冬季最少；渤海海域主要在夏季發(fā)生海洋熱浪；長江口海域主要在春季和冬季發(fā)生海洋熱浪；江蘇外海海域秋季發(fā)生海洋熱浪天數(shù)最多，夏季幾乎未發(fā)生海洋熱浪事件。浙閩沿岸海域一年四季均有上升流存在[12]，不易發(fā)生海洋熱浪事件。

圖3 2019年中國近海海洋熱浪事件發(fā)生天數(shù)的四季變化Fig.3 Days of marine heatwave events at all seasons in the China offshore in 2019

由2019年海洋熱浪平均強度的四季分布可知（圖4），海南島周邊海域和長江口附近海域海洋熱浪春季平均強度最強，冬季次之，夏季和秋季最弱；渤海海域和北黃海海域夏季海洋熱浪平均強度最強，春季和秋季次之，冬季最弱。

圖4 2019 年中國近海海洋熱浪事件平均強度四季變化Fig.4 Marine heatwave events mean intensity at all seasons in the China offshore in 2019

4 2019年北部灣典型海洋熱浪過程分析及規(guī)律研究

北部灣是位于南海西北部的一個半封閉邊緣海灣，其生物物種資源豐富，是我國四大漁場之一；同時，北部灣擁有多樣的生態(tài)環(huán)境，比如珊瑚礁、紅樹林、海草床等生態(tài)系統(tǒng)，近年來北部灣赤潮、綠潮頻發(fā)，對其生態(tài)系統(tǒng)造成了諸多影響。2019年2月初，海南陵水清水灣發(fā)生大型綠藻聚集現(xiàn)象。

由東方海洋站和潿洲海洋站的日平均海溫數(shù)據(jù)分析可知，2019年我國海南島東方海洋站附近海域發(fā)生了1980年以來持續(xù)時間最長的海洋熱浪事件，熱浪起始時間為1月31日（海溫為24.1℃），峰值時間為 2月 16日（海溫為 27.1℃），結(jié)束時間為 4月30日（海溫為 30.3℃），持續(xù)時間達 90 d，平均熱浪強度為3.7℃，最大熱浪強度為5.5℃。潿洲海洋站在此時間段內(nèi)發(fā)生了兩次海洋熱浪事件，起止時間分別為1月30日至3月23日和3月27日至4月30日。此次長時間海洋熱浪同樣在OISST V2數(shù)據(jù)中有所體現(xiàn)，只是限于OISST V2數(shù)據(jù)在沿岸海域捕獲海溫極值能力不足[13]，統(tǒng)計得出的海洋熱浪開始時間、結(jié)束時間、最大強度等特征指標會有稍許差異（圖5）。長時間的海洋熱浪可能導致海洋種群結(jié)構和物種地理分布的變化，此外，海洋熱浪期間較高的海溫可能會增加病原體和疾病的流行，從而影響海洋生物和種群的健康[14?15]。

圖5 2019 年北部灣海洋熱浪事件Fig.5 Marine heatwave events reported along the Beibu Gulf in 2019

對于特定海域海洋熱浪的發(fā)生機制，已有前人從大氣強迫、海洋層化、暖水平流以及全球氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率模態(tài)如厄爾尼諾和南方濤動（ENSO）、太平洋年代際振蕩（PDO）、印度洋偶極子（IOD）、赤道大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（MJO）和北極海冰等方面進行闡述[16–19]。海洋熱浪的發(fā)生通常是氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率和大氣外部強迫相結(jié)合導致，形成機制較為復雜。研究發(fā)現(xiàn)，在全球變暖背景下，中國近海海表溫度上升明顯[20]。1980?1999年，中國近海加速增暖與東亞冬季風減弱和西太平樣副熱帶高壓加強有關[21]。蔡榕碩等[22]指出，南海海表溫度的年際變化與經(jīng)向風異常、副熱帶高壓緯向變動和ENSO循環(huán)密切相關。厄爾尼諾事件可通過“大氣橋”和“海洋通道”影響中國近海海溫[23–24]。下面主要從大氣熱力因素初步分析北部灣發(fā)生此次長時間海洋熱浪的原因。

2018年9月至2019年6月赤道中太平洋發(fā)生了1次弱厄爾尼諾事件，峰值出現(xiàn)在2018年11月（Ni?o3.4指數(shù)為1.0℃）。ENSO作為熱帶太平洋海氣耦合系統(tǒng)年際變率的主要模態(tài)，與東亞冬季風異常關系密切。在厄爾尼諾成熟年冬季，西北太平洋異常反氣旋西北側(cè)異常西南風可減弱東亞冬季風，而在次年夏季則加強東亞夏季風[25]?！?019年海平面公報》也指出，2019年1?4月東亞冬季風較常年同期（常年為1993?2011年氣候基準期的常年平均值）偏弱[26]，盛行的冬季風減弱，南風偏強，表層暖水向北輸運增強，海南島西側(cè)冷涌減弱，導致北部灣海域異常增溫。

從熱通量各個分量的距平來看（圖6），北部灣2?4月海洋熱浪發(fā)生期間，熱通量距平以感熱通量和潛熱通量為主，海氣界面熱量交換為大氣補給海洋。其中，潛熱通量變化幅度大于感熱通量，潛熱通量決定了海洋熱浪的強度，而感熱通量對海洋熱浪長時間持續(xù)起作用。

圖6 2019 年北部灣凈熱通量異常變化（向上為正）Fig.6 Anomalous net heat flux at the Beibu Gulf in 2019(upward is positive)

西太平洋副熱帶高壓是該海域發(fā)生海洋熱浪時的主要天氣系統(tǒng)，天氣學上，通常采用500 hPa位勢高度5 880 位勢米等值線的范圍來描述西太平洋副高的位置和大小，由于再分析資料中系統(tǒng)性的偏差，多數(shù)研究中都采用 5 870 位勢米等值線[27?28]。圖 7 中黑粗線為西太平洋副高在2019年2月的平均位置，由于副熱帶高壓的北邊界明顯偏北，面積偏大、強度偏強，北部灣大部分海域在副高的控制區(qū)域內(nèi)，副高影響下多為晴朗少云天氣，太陽短波輻射增強；沃克環(huán)流減弱，下沉增溫，蒸發(fā)作用被抑制，海洋表面獲得的潛熱通量顯著增加，為海洋熱浪的暴發(fā)提供了有利氣象條件。北部灣南口處南海暖水及瓊州海峽沿岸水入侵對北部灣海域海洋熱浪的作用有待進一步研究。

圖7 2019年2月西太平洋副高 500 hPa 位勢高度Fig.7 The 500 hPa potential height of Western Pacific subtropical high in February 2019

此次海洋熱浪發(fā)生期間，北部灣海域的東方海洋站的氣溫偏高，平均偏高3.6℃；氣壓偏低，平均偏低1.1 hPa；風場U分量和V分量均為正距平，分別偏高0.7 m/s和1.3 m/s，偏南風距平風場有利于暖水流入到東方站海域，促進海洋熱浪事件的發(fā)生（圖8）。

圖8 2019年海洋熱浪事件發(fā)生時東方海洋站海洋氣象要素變化Fig.8 Properties of ocean meteorological elements observed at Dongfang marine station during marine heatwave (MHW) events in 2019

通過對北部灣東方和潿洲海洋站1980?2019年發(fā)生海洋熱浪及其氣象背景場合成分析發(fā)現(xiàn)，1980?2019年，北部灣東方海洋站和潿洲海洋站分別發(fā)生海洋熱浪129次和110次，其中春季海洋熱浪發(fā)生概率分別為11.8%和7.6%，夏季海洋熱浪發(fā)生概率分別為8.1%和7.5%，秋季海洋熱浪發(fā)生概率分別為9.8%和9.0%，冬季海洋熱浪發(fā)生概率分別為8.6%和7.3%，春季和秋季發(fā)生海洋熱浪最多。

1980?2019年，海洋熱浪發(fā)生時，東方海洋站和潿洲海洋站平均氣溫均為正異常，其中冬季異常最高，分別平均偏高3.8℃和3.9℃，夏季最低，分別平均偏高0.8℃和1.2℃；海平面氣壓春季、秋季和冬季為負異常，夏季為正異常，其中冬季偏低最明顯，分別平均偏低 2.5 hPa 和 1.9 hPa，夏季分別平均偏高 0.2 hPa 和1.6 hPa；風場V分量春季、秋季和冬季均為正距平，夏季為負距平（圖9）。

圖9 1980?2019 年海洋熱浪事件發(fā)生時海洋氣象要素變化Fig.9 Properties of ocean meteorological elements during marine heatwave events from 1980 to 2019

1980?2019年，海洋熱浪平均強度與事件期間的氣象背景場相關分析發(fā)現(xiàn)，海洋熱浪發(fā)生時，一年四季，平均氣溫越高，海洋熱浪平均強度越強（夏季東方海洋站的相關系數(shù)未通過顯著性檢驗）；春季和秋季，海平面氣壓越低，海洋熱浪平均強度越強；秋季和冬季，風場V分量正距平幅度越大，海洋熱浪平均強度越強（表 3）。

表3 1980?2019年海洋熱浪平均強度與各環(huán)境背景場的相關系數(shù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of correlation coefficient between marine heatwave mean intensity and environmental background fields during 1980?2019

5 結(jié)論和討論

本文利用海洋觀測站網(wǎng)和遙感觀測數(shù)據(jù)分析了2019年中國近海發(fā)生的海洋熱浪事件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中國近海海洋熱浪在任何時間都可能發(fā)生，春季發(fā)生天數(shù)最多，冬季最少。中國近海海洋熱浪發(fā)生高頻區(qū)位于海南島周邊海域、長江口海域、渤海海域和江蘇外海海域，海洋熱浪頻次為7～12次。北部灣附近海域海洋熱浪發(fā)生時間最長，超過150 d，東方海洋站附近海域2?4月發(fā)生了自1980年以來持續(xù)時間最長、強度最強的海洋熱浪事件，此期間北部灣海域經(jīng)歷了持續(xù)長時間氣溫偏高、南風偏強的氣候情況。同時，副熱帶高壓面積偏大、位置偏西偏北。冬季風偏弱是此海洋熱浪發(fā)生的重要原因?？傮w而言，北部灣海域海洋熱浪發(fā)生時，一年四季，平均氣溫越高，海洋熱浪平均強度越強；春季和秋季，海平面氣壓越低，海洋熱浪平均強度越強；秋季和冬季，風場V分量正距平幅度越大，海洋熱浪平均強度越強。

由于人類活動導致的全球變暖中90%以上的熱量被海洋吸收，使全球海洋平均溫度顯著上升，氣候變化增加了海洋熱浪發(fā)生的頻率和強度[29?30]。2019年海洋升溫再創(chuàng)新高，海洋變暖的速度也在加快[31]。觀測數(shù)據(jù)表明，近幾十年來，我國近海的海表溫度呈現(xiàn)快速上升趨勢，是全球海洋溫度上升最顯著的區(qū)域之一，未來氣候情景下，中國近海很可能將繼續(xù)升溫，海洋熱浪預計將持續(xù)時間更久，范圍更廣，頻次更高，強度更大，使得中國近海海洋生態(tài)系統(tǒng)的氣候暴露度不斷增大。作為氣候敏感區(qū)和脆弱區(qū)的中國近海海洋將面臨更大的風險和挑戰(zhàn)，我們應高度重視并積極應對海洋熱浪事件及其影響，盡快建立系統(tǒng)的海洋熱浪監(jiān)測和預測預警機制，從海洋熱浪的發(fā)生機理及其影響和適應方面尋求跨學科合作，以減緩極端海洋熱浪事件對我國海洋生態(tài)系統(tǒng)、漁業(yè)資源和社會經(jīng)濟服務的影響，為我國應對氣候變化和防災減災提供支撐。