1974—2020 年珠江口外海海洋熱浪變化趨勢分析

唐靈, 聶宇華, 王平, 湯超蓮

1. 國家海洋局南海信息中心, 廣東 廣州 510310;

2. 自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室, 廣東 廣州 510330

近年來, 受全球氣候變暖等因素影響, 海洋熱浪(marine heatwave, MHW)研究迅速發展成為一個重要的研究前沿。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程中, 首次提出海洋熱浪概念(Pearce et al, 2011)。近30 年來, 海洋熱浪發生的次數持續增加, 其延續時間可達數月, 空間范圍可延伸至數千千米(自然資源部, 2020)。海洋熱浪可導致珊瑚白化現象, 并對魚類和海洋生態系統構成嚴重威脅(Donovan et al, 2021; Laufk?tter et al, 2020)。

海洋熱浪通常定義為一個長時間、離散的異常暖水事件。具體來說, 如果SST 連續5d(含5d)以上高于30 年氣候基準期內的第90 個百分位, 即為一次海洋熱浪事件(Hobday et al, 2016)。海洋熱浪強度等級劃分(圖1)參考Hobday 等(2018)的劃分方法,本文以1981—2010 年為氣候基準期, 以氣候基準期30 年SST 平均值作為常年氣候均值(虛線), 以氣候基準期的第90 個百分位值(綠色細線)與常年氣候均值之差的1～4 倍進行等級劃分, 把海洋熱浪分成I中度(moderate), Ⅱ強烈(strong), Ⅲ嚴重(severe)和Ⅳ極端(extreme)4 個等級。

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

MHW 強度等級分類自2019 年開始已為國內外氣象、海洋部門所廣泛采用。前人通過分析2019 年中國近海海洋熱浪事件特征, 給出了各海區的海洋熱浪發生頻次、發生日數、平均強度與最大強度(王愛梅 等, 2021)。全球海洋1982、2000 和2016 年各年MHW 強度的全球分布結果顯示, 珠江口在1982年沒有出現MHW, 但2000 年和2016 年分別出現了中度和強海洋熱浪事件(Hobday et al, 2018)。2019年度《中國海平面公報》中給出中國海域1—4 月SST 距平分布(自然資源部, 2020), 顯示2—4 月珠江口區域SST 距平偏高, 容易發生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 強烈級海域(WMO, 2020, 2021)。MHW 強度變化趨勢研究也日益引起人們關注(繆予晴 等,2021), 并對導致海洋熱浪的時空分布、物理機制及影響等開展了研究(Hu et al, 2021; Oliver et al, 2021;胡石建 等, 2022)。通過研究多年MHW 總日數、持續時間、強度與頻率等, 得出中國沿海MHW 各項指數均呈顯著上升趨勢(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、持久和強烈。研究顯示,1982—2016 年, 全球海洋熱浪事件平均發生頻率增加為每10 年0.45 次, 強度增長為每10 年0.085 ℃,持續時間增長為每10 年1.3d?，F有研究尚未充分揭示對溫度極為敏感但又與人類活動密切相關的近海海域等海洋熱浪特征及機制。研究資料主要基于衛星觀測海表面溫度及少數錨定浮標海洋溫度數據,存在衛星表層海溫數據誤差較大、時間分辨率有限、浮標站點數量較少等問題(胡石建 等, 2022)。本文采用大萬山海洋站1974—2020 年觀測的逐日SST資料, 研究了珠江口近47 年來MHW 的年際及年代際變化特征。為更準確把握MHW 變化情況, 還對該區域四季MHW 變化趨勢進行了分析, 旨在為研究SST 長期變化與赤潮、珊瑚白化等海洋生態災害的關系, 以及MHW 變化的氣候預估等提供參考。

1 資料和方法

本文所用的大萬山海洋站(21°56′N, 113°43′E)逐日平均SST 數據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/, 其氣候基準值為1981—2010 年平均)。全球海洋MHW出現率資料取自 2019 年美國氣象學會年報(https://doi.org/10.1175/2020BAMSStateoftheClimate.1)。香港月平均500hPa 高度資料(1974—2020)來自香港天文臺歷年年報(http://www.weather.gov.hk/sc/publica/pubsmo.htm)。熱帶氣旋資料取自香港天文臺熱帶氣旋年報。

中國沿海多個海洋臺站SST 資料2002 年以前存在較為嚴重的均一性問題(李琰 等, 2018), 主要原因是儀器變更、遷站或測站環境發生重大變化。大萬山站SST 測站從未搬遷過, 但測次有過變化。該站的SST 觀測在2006 年9 月前為每天3 次(8、14、20 時); 2006 年10 月以后為每天24 個整點時刻的SST 記錄。本文使用2019 年版《海濱觀測規范第2部分: 海濱觀測》(GB/T14914.2-2019)規定, 以08時記錄加權的每日4 次平均SST 為日平均SST。據2010—2019 年資料統計, 大萬山站月平均SST 的3次加權與逐時觀測的差值在±0.05℃以內。本文使用的SST 系3 次加權法則。

本文通過與附近氣象站點具有較好均一性的氣溫資料進行對比分析來評估大萬山站SST 資料的均一性。任國玉 等(2010)對全國地面氣象觀測數據質量進行了系統評估, 得出上川島站是廣東沿海氣溫均一性較好的測站。另外, 香港地區無城市熱島效應、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)。把大萬山站SST 資料與上川島、打鼓嶺站氣溫資料進行對比, 經相關分析可得出大萬山年平均 SST與上川島、打鼓嶺站年平均氣溫呈顯著相關性(圖2),表明本文所用的大萬山SST 序列具有較好的均一性。本文所采用的MHW 定義及分級標準與WMO報告相同(圖1)。

圖2 大萬山海洋站年平均SST 與鄰近氣象站年平均氣溫相關性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 結果與分析

2.1 1974—2020 年珠江口MHW 年際及年代際變化趨勢

2.1.1 MHW 年際變化趨勢

1974—2020 年珠江口大萬山站每年MHW 總日數及各級MHW 的逐年變化趨勢如圖3 所示。

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

分析圖3 中資料關系得出:

1) 珠江口每年MHW 總日數呈上升趨勢, 上升率為1.83d·a–1(n=47,R=0.67,P＜0.01);

2) 此時期珠江口各級MHW 出現日數比例為中度18.92%, 強烈53.24%, 嚴重24.06%, 極端3.77%;

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

2.1.2 MHW 年代際變化趨勢

近40 年來珠江口MHW 日數存在顯著的年代際變化, 并且與全球氣候變暖密切相關。表1 給出大萬山海洋站近40 年來MHW 總日數及各級MHW 日數的年代際變化, 同時給出全球、北半球地面溫度距平的年際變化。表1 表明, 近40 年來珠江口的MHW 日數年代際變化呈顯著上升趨勢, 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

2.2.1 冬季MHW 變化趨勢

珠江口冬季(上年12 月與當年1、2 月)各月SST月均值為20.17～17.27℃。1974—2020 年大萬山站各級MHW 日數的變化趨勢如圖4 所示。統計圖4 中資料得出: (1)各級MHW 出現日數的比例為中度18.7%, 強烈41.6%, 嚴重30.8%, 極端8.9%; (2)近47 年冬季的 MHW 日數呈上升趨勢, 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

圖4 1974—2020 逐年冬季珠江口各級MHW 日數變化趨勢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MHW 日數的變化趨勢為圖5 所示。統計圖5 中資料得出: (1)各級MHW 出現日數的比例為中度 33.7%, 強烈 56.4%, 嚴重9.9%, 極端0; (2)近47 年冬季的MHW 日數呈上升趨勢, 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MHW 日數變化趨勢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

珠江口夏季(6—8 月)各月 SST 月均值在29.12～29.86℃之間, 歷史上有過月均值為 31.46℃(2016 年6 月)。1974—2020 年大萬山站各級MHW的變化趨勢如圖6 所示。統計圖6 中資料得出: (1)各級MHW 出現日數的比例為中度13.1%, 強烈50.7%, 嚴重33.4%, 極端2.8%; (2)近47 年夏季的MHW 日數呈顯著上升趨勢, 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MHW 日數變化趨勢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

珠江口秋季(9—11 月)各月 SST 月平均值在24.82～29.28℃之間, 各級MHW 日數的變化趨勢為圖7 所示。統計圖7 中資料得出: (1)各級MHW 出現日數的比例為中度19.1%, 強烈63.2%, 嚴重11.4%,極端6.3%; (2)近47 年冬季的MHW 日數呈上升趨勢,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MHW 日數變化趨勢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 年大萬山海洋站四季海洋熱浪參數見表2。

表2 1974—2020 年大萬山海洋站四季海洋熱浪參數比較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、增強的主要影響因素

由前人有關珠江口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(廣東省氣候中心, 2016, 2020)及2019、2020 年中國海平面公報(自然資源部, 2020, 2021)可知: 近47 年來珠江口海洋熱浪增多、增強的主要原因可能是受全球氣候變暖、南海高壓增強和冬、夏季風偏弱的影響。

圖8 為1974—2020 年大萬山站每年MHW 日數與全球地面溫度變化的對應關系, 顯示二者呈顯著正相關(n=47,R=0.71,P＜0.01)。

圖8 1974—2020 每年珠江口海洋MHW 日數與全球地面溫度距平對應關系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 日數與該地區上空南海高壓變化的對應關系。珠江口上空南海高壓的強弱變化用香港天文臺實測的500hPa 位勢高度表示。圖9表明1974—2020 年每年夏季珠江口MHW 日數與500hPa 高度呈顯著正相關關系(n=47,R=0.40,P＜0.01)。

圖9 1974—2020 每年夏季珠江口MHW 日數與香港500hPa 高度的對應關系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影響時期是否有強寒潮過境, 將對冬、春月份MHW 的變化產生重大的影響,且冬季由東亞冬季風異常導致的SST 異?？沙掷m至夏季(梁巧倩 等, 2006)。通過典型暖年(2016、2020)MHW 差異分析可加深認識。

2.4 典型暖年珠江口MHW 差異原因分析

根據WMO(World Meteorological Organization)2020 年報, 2016 與2020 年為全球近百年來最暖年與第二暖年(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4個月沒有出現熱浪; 二是熱浪日數2016 年比2020年少30d(表3)。根據前人(湯超蓮 等, 2006; 程澤梅等, 2016)對珠江口SST 變化原因的分析結果, 估計造成這種差異的主要原因如下。

1) 2016 年1 月23 日開始受到百年一遇強寒潮過境影響(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 日香港天文臺地面氣壓1034.6hPa, 為近百年來最高紀錄(香港天文臺, 2016a)。大萬山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 年來最低紀錄。2—3 月仍有寒潮與強冷空氣過境, 導致香港天文臺2—3 月的平均氣溫較氣候基準值低1.3～1.6 ℃(香港天文臺, 2016b, 2016c);大萬山站月平均SST 較氣候基準值低0.6～1.2 ℃,并持續影響到5 月份, 故連續4 個月沒有MHW 出現(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MHW, 日數在7～23d 之間(僅2016 年5 月是例外); 沒有南海高壓控制的月份未出現 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“環高”(Vamco)橫過南海, 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 年為冬季風與冷空氣勢力偏弱年(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 各月沒有出現熱浪。

圖10 大萬山站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 大萬山海洋站2016 和2020 年逐月水文氣象參數比較Tab. 3 Comparison of monthly hydrometeorological parameters at DMEMS in 2016 and 2020

3 結論

本文利用珠江口大萬山海洋站觀測的1974—2020 年SST 資料、全球溫度距平資料、香港實測500hPa 資料、國際通用海洋熱浪(MHW)分級標準和相關文獻資料, 分析近47 年來珠江口MHW 變化趨勢和特征, 結果如下。

1) 珠江口全年各月均可出現 MHW, 季平均MHW 次數及持續時間以夏季最多(2.38 次·a–1)、最長(23d·次–1)。

2) 近47年來, 珠江口全年及各季的MHW日數都呈顯著上升趨勢, 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 年珠江口出現的MHW 按強度劃分,各季都以強烈(strong)級所占比例最大, 年平均占53.2%; 其次是嚴重(severe)級, 年平均占24.1%; 極端(extreme)級極少出現, 僅占3.8%。

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