張文靜，鄭兆勇，張婷，陳天然

( 1. 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 中國(guó)科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3. 中國(guó)科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 510301；4. 自然資源部南海局，廣東 廣州 510300)

1 引言

氣候變暖導(dǎo)致高溫?zé)崂说谋l(fā)愈發(fā)頻繁、持久，對(duì)人類生存、區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)造成嚴(yán)重威脅[1]。海洋中出現(xiàn)的類似現(xiàn)象，即海洋熱浪（Marine Heatwaves，MHW），是指某一區(qū)域的海洋表面溫度（Sea Surface Temperature, SST）極端高的一段時(shí)期，一般是SST連續(xù)5天以上超出長(zhǎng)期（一般30年）平均溫度的90%[2]，其范圍可延伸至上千千米[3]。海洋熱浪是大氣與海水相互耦合所導(dǎo)致的極端氣候事件，可對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生重要影響[4-5]，并最終導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)變[6]。在珊瑚礁研究領(lǐng)域，海洋熱浪是用于預(yù)測(cè)珊瑚白化事件的重要指標(biāo)之一[7]。最新研究表明，1982-2016年海洋熱浪的發(fā)生頻率加倍，而未來(lái)的發(fā)生概率、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度都會(huì)急劇增加[8-9]。

北部灣東部海域（18°～21°N，108°～111°E；圖 1），包括海南島東方站以北沿海、廣東徐聞西南沿海和廣西潿洲島附近海域，發(fā)育了典型的全新世珊瑚岸礁[12]。不同于低緯度熱帶海域（如南沙群島等），北部灣SST季節(jié)變化較大（18～30 ℃）。從南海珊瑚礁分布上，北部灣的岸礁是大陸沿岸（不受暖流影響）最高緯度的珊瑚礁，被稱為“高緯度珊瑚礁”或“邊緣珊瑚礁”，是對(duì)氣候變化最敏感的區(qū)域之一[12-14]。從漁業(yè)和旅游業(yè)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)角度，該海域的珊瑚礁極具保護(hù)價(jià)值[15]。針對(duì)珊瑚礁分布區(qū)域的海洋熱浪研究目前主要集中在相對(duì)低緯度海域，如大堡礁[16-17]等，而類似北部灣的高緯度珊瑚礁區(qū)域的研究非常稀少，在國(guó)內(nèi)尚處于空白。例如，最新的《2018年中國(guó)氣候變化海洋藍(lán)皮書(shū)》主要報(bào)道中國(guó)近海關(guān)鍵海洋要素的最新監(jiān)測(cè)信息，是我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的科學(xué)支撐和決策參考，然而卻沒(méi)有海洋熱浪的相關(guān)信息。因此，本文根據(jù)北部灣珊瑚礁區(qū)實(shí)測(cè)的SST資料，通過(guò)分析海洋熱浪爆發(fā)強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間，研究其逐年增強(qiáng)的原因，并進(jìn)一步探討對(duì)珊瑚礁的影響。該工作對(duì)于填補(bǔ)區(qū)域海洋熱浪研究的空白、預(yù)測(cè)北部灣珊瑚礁未來(lái)發(fā)育趨勢(shì)、量化監(jiān)測(cè)珊瑚白化的氣候指標(biāo)等具有重要意義。

圖1 北部灣海洋站位置及潿洲島和徐聞珊瑚礁分布（據(jù)文獻(xiàn) [10-11]）Fig. 1 Location of marine stations in the Beibu Gulf and distribution of coral reefs in the Weizhoudao Station and Xuwen Station (based on reference [10-11])

2 研究海域概況

北部灣位于南海西北部，是呈南北走向的半封閉陸架淺海灣（圖1）。北部灣屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)。該海域多年平均SST約為25℃，年變化范圍為18～30℃，變幅約為12℃，季節(jié)變化明顯。4個(gè)海洋站（北海站、潿洲站、?？谡?、東方站）近58年的SST觀測(cè)資料（圖2a）顯示，SST總體上升0.5℃，夏季最高溫超過(guò)32℃的高溫事件有增加的趨勢(shì)，其對(duì)應(yīng)年份多為強(qiáng)El Ni?o年。目前，關(guān)于北部灣海域珊瑚礁氣候環(huán)境的研究成果主要集中在潿洲島[18-20]，同時(shí)潿洲島也是全國(guó)唯一每年進(jìn)行珊瑚礁調(diào)查的珊瑚礁保護(hù)區(qū)[21]，積累了豐富的調(diào)查資料，為本文對(duì)比分析海洋熱浪爆發(fā)前后潿洲島珊瑚礁生態(tài)變化提供了參考資料。

3 資料來(lái)源與統(tǒng)計(jì)方法

圖2 1960-2017年夏季北部灣海域海洋熱浪變化趨勢(shì)Fig. 2 Tendency of marine heatwaves during the summer of 1960-2017 in the Beibu Gulf

本文采用的海洋站SST資料取自臺(tái)站報(bào)表，衛(wèi)星SST資料取自日本氣象廳提供的全球海溫?cái)?shù)據(jù)（COBE-SST）（https：//www.esrl.noaa.gov/psd/data/grid-ded/tables/sst.html），網(wǎng)格點(diǎn)分辨率為 1°×1°，與其他數(shù)據(jù)相比，該數(shù)據(jù)集在中國(guó)近海融入了加強(qiáng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)；南海高壓指數(shù)取自國(guó)家氣候中心系統(tǒng)診斷預(yù)測(cè)室，包括強(qiáng)度指數(shù)、面積指數(shù)、西脊點(diǎn)3個(gè)指數(shù)，各指數(shù)采用劉蕓蕓等[22]定義；南海夏季風(fēng)風(fēng)速取自廣東省氣象局2017年廣東省氣候變化監(jiān)測(cè)公報(bào)[23]；海-氣界面凈輻射資料取自NCEP/NCAR再分析中心提供的2°×2°月平均熱通量數(shù)據(jù)（https：//www.esrl.noaa.gov/ surfaceflux.html）；海洋厄爾尼諾指數(shù)（Oceanic Ni?o Index，ONI）指數(shù)由美國(guó)國(guó)家海洋大氣局（NOAA）根據(jù)ERSSTv5數(shù)據(jù)集編制[24]，是以1950年至今Ni?o 3.4區(qū)域連續(xù)3個(gè)月SST異常變化的滑動(dòng)平均值來(lái)定義的海洋厄爾尼諾指數(shù)（https：//www.ggweather.com/enso/oni.htm）。對(duì)上述氣象資料的統(tǒng)計(jì)方法包括相關(guān)分析、高斯濾波、趨勢(shì)分析等，氣候基準(zhǔn)期為1981-2010年。

本文選取4種指標(biāo)：海表溫度異常（Sea Surface Temperature Anomaly， SSTA）、DHM（Degree Heating Mouths）、DHW（Degree Heating Weeks）與 DHD（Degree Heating Days）用于量化海洋熱浪爆發(fā)的程度。計(jì)算方法見(jiàn)表1。

表1 量化海洋熱浪4種指標(biāo)的計(jì)算方法Table 1 Four proxies for defining marine heatwaves

4 夏季SST與海洋熱浪變化趨勢(shì)

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告顯示，全球平均SST上升趨勢(shì)明顯[25]，以 0.07℃/（10 a）的速度波動(dòng)上升。在這樣的背景下，北部灣珊瑚礁區(qū)海域也出現(xiàn)SST上升的趨勢(shì)（圖2a），速率略高于全球平均，達(dá)到（0.09±0.015）℃/（10 a）。

4.1 DHM變化趨勢(shì)

DHM值可表征海洋熱浪發(fā)生的累計(jì)強(qiáng)度[26]。如圖2b所示，北海站在1979-1998年熱浪爆發(fā)強(qiáng)度最大，之后有所下降，至2016年再次爆發(fā)一場(chǎng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的海洋熱浪；潿洲站鄰近北海站，DHM值變化趨勢(shì)總體與北海站一致，但DHM值變化幅度小于北海站，且于1967年爆發(fā)過(guò)一次熱浪；?？谡就瑵拚?，1967年爆發(fā)過(guò)1次海洋熱浪，1978年后DHM值波動(dòng)頻繁，于1999年爆發(fā)了4站記錄中最強(qiáng)的一次海洋熱浪；東方站1999年后開(kāi)始頻繁爆發(fā)熱浪，強(qiáng)度為4站中最強(qiáng)。北海、潿洲、?？?站DHM值的前期變化趨勢(shì)較為一致，均對(duì)幾次超強(qiáng)El Ni?o事件有所響應(yīng)，但?？谡镜捻憫?yīng)較北海、潿洲站有1年左右的延時(shí)；而東方站前期幾乎沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)度較大的海洋熱浪。DHM值的后期變化趨勢(shì)為在2013年后大幅度上升，北海、潿洲、東方站3站的DHM波動(dòng)趨勢(shì)與此趨勢(shì)相符；而海口站卻呈下降趨勢(shì)。總體而言，北部灣東部海域1979年后發(fā)生海洋熱浪的強(qiáng)度及頻率快速增加，東方站、?？谡厩捌诨蚝笃谂c大趨勢(shì)不符的變化趨勢(shì)，應(yīng)是與當(dāng)?shù)貧庀笠蛩?、局部上升流影響有關(guān)。

4.2 DHW與DHD變化趨勢(shì)

DHD值可代表海洋熱浪發(fā)生的持續(xù)時(shí)間[15]，DHW值通常用于衡量海洋熱浪發(fā)生的最大強(qiáng)度[7]。圖2c、圖2d表明1960-2017年潿洲站、東方站DHD、DHW有上升趨勢(shì)，置信度達(dá)0.05顯著性水平。潿洲站DHD數(shù)值較低，近58年未爆發(fā)持續(xù)60 d以上的熱浪；東方站DHD值增長(zhǎng)幅度較潿洲站快，1998年爆發(fā)了一場(chǎng)持續(xù)時(shí)間98 d的長(zhǎng)時(shí)間熱浪。潿洲站DHW值在1979年后波動(dòng)幅度加大、屢見(jiàn)高值，1998年后每年夏季DHM值都超出珊瑚白化預(yù)警值（6℃·周），僅2013年一年低于此值。東方站1960-2017年DHW值高于珊瑚白化預(yù)警值或珊瑚死亡預(yù)警值（8℃·周）的年數(shù)少于潿洲站，但DHW值隨氣候變暖波動(dòng)上升的速度快于潿洲站，于2001年爆發(fā)了一次DHW值為12.1℃·周的超強(qiáng)海洋熱浪。總體而言，1979年后兩站DHW、DHD值快速波動(dòng)上升，并且東方站1998年后海洋熱浪爆發(fā)強(qiáng)度高于潿洲站。綜上所述，北部灣東部海域1960-2017年海洋熱浪變化趨勢(shì)為：1979年之后，該海域海洋熱浪爆發(fā)強(qiáng)度及頻率總體較1979年之前有所提升。海洋熱浪變化趨勢(shì)與區(qū)域SST變化趨勢(shì)一致。

5 海洋熱浪成因分析

5.1 南海高壓對(duì)熱浪的影響

1960-2017年夏季南海高壓指數(shù)距平變化序列（圖3a，圖3b）表明，南海高壓于1979年發(fā)生過(guò)一次年代際尺度的突變[27]，1979年前20年與后20年兩個(gè)時(shí)段，南海高壓指數(shù)的平均值差異顯著，與前人研究一致。1979年以前南海高壓為偏弱階段，主體較??；1979年以后南海高壓為偏強(qiáng)階段，主體較大。南海高壓的年代際變化與赤道太平洋、印度洋海表溫度的年代際變化有密切聯(lián)系，對(duì)北部灣海域的氣候產(chǎn)生了顯著影響，1979年后北部灣海洋熱浪爆發(fā)強(qiáng)度較1979年以前明顯上升（圖2b）。突變后的南海高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)、面積偏大、西脊點(diǎn)明顯西伸。南海高壓在西伸過(guò)程中，由于西側(cè)通常存在著非絕熱加熱作用[28]，下沉增溫使其控制下的地區(qū)高溫少雨，蒸發(fā)作用被抑制，海洋表面獲得的太陽(yáng)輻射熱量顯著增加，海表溫度急升。北部灣海域最熱月凈熱通量（圖3c）、南海夏季風(fēng)強(qiáng)度距平（圖3d）均呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明1979年以來(lái)南海高壓逐漸增強(qiáng)的過(guò)程中，對(duì)北部灣海域的影響也逐漸加強(qiáng)。北部灣海域夏季在南海高壓的影響下，多為少云、少風(fēng)天氣，太陽(yáng)輻射增強(qiáng)的同時(shí)海水蒸發(fā)減弱，表層海水溫度逐漸升高，為該海域海洋熱浪的爆發(fā)提供了有利氣象條件。

圖3 1960-2017年夏季南海高壓指數(shù)：強(qiáng)度、面積指數(shù)（a）；西脊點(diǎn)（b）；ONI指數(shù)、北部灣海域最熱月凈熱通量（c）；南海夏季風(fēng)強(qiáng)度距平變化[23]（d）；潿洲島海洋站 SST、NOAA 衛(wèi)星監(jiān)測(cè) SST（e）；2015 年 1 月至 2016 年 12 月 ONI指數(shù)（f）；凈熱通量、感熱、潛熱、短波輻射、長(zhǎng)波輻射（g）；南海高壓指數(shù)：強(qiáng)度、面積指數(shù)（h）；西脊點(diǎn)（i）;潿洲島海洋站 SST（j）Fig. 3 The trend of summer South China Sea subtropical high indexes in 1960-2017： intensity and area index (a), the west-extending ridge(b); ONI index and net heat flux (c); summer wind speed anomalies in the South China Sea[23] (d); SST of Weizhou Marine Station and NOAA (e); the time series from Janauary, 2015 to December, 2016 of ONI index (f); net heat flux, sensible heat, latent heat, short-wave radiation, long-wave radiation (g); intensity and area index (h); the west-extending ridge (i); SST of Weizhou Marine Station (j)

5.2 超強(qiáng)El Ni?o對(duì)海洋熱浪的驅(qū)動(dòng)作用

在1960-2017年中，爆發(fā)了3次超強(qiáng)的El Ni?o事件（圖3c），北部灣海域的大氣環(huán)流系統(tǒng)和SST對(duì)這3次E1 Ni?o事件表現(xiàn)出了顯著的響應(yīng)特征（圖3a至圖3e）。2015-2016年的超強(qiáng)El Ni?o事件是1951年以來(lái)最強(qiáng)的El Ni?o事件（表2），因此，以此次事件為例，分析超強(qiáng)El Ni?o對(duì)北部灣海洋熱浪的驅(qū)動(dòng)作用。

表2 3次超強(qiáng)E1 Ni?o事件參數(shù)與熱浪指標(biāo)Table 2 E1 Ni?o index and MHW indexes of three strong E1 Ni?o events

大氣再分析資料表明，由E1 Ni?o事件導(dǎo)致的熱通量變化是造成偏遠(yuǎn)海域海溫上升的主要原因[29]。圖3c中，ONI指數(shù)與北部灣海域最熱月凈熱通量存在一定的相關(guān)關(guān)系。2015年6月，赤道地區(qū)E1 Ni?o現(xiàn)象開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸增強(qiáng)，于同年12月發(fā)展至最盛狀態(tài)（圖3f），同期北部灣海域海氣界面熱量交換以海洋補(bǔ)給大氣為主（圖3g），SST逐月降低。在E1 Ni?o現(xiàn)象發(fā)展的秋季，南海高壓開(kāi)始形成（圖3h），并沿著西北太平洋黑潮暖流延伸的路徑進(jìn)入南海海域；同年冬季至翌年春季，南海高壓西北部盛行西南風(fēng)，東亞地區(qū)的東北冬季風(fēng)比正常年份更弱。在南海高壓的發(fā)展階段，西南風(fēng)會(huì)引起南海的溫暖平流[30-31]，從而將溫暖潮濕的空氣輸送到中國(guó)近海。強(qiáng)勁的暖濕氣流削弱了正常冬季的東北氣流，并將亞洲大陸的冷空氣排出。南海高壓的南風(fēng)或西南風(fēng)還可以降低平均地面風(fēng)速，因此，從海洋中損失的表面熱通量顯著減少，海氣熱量交換轉(zhuǎn)為由大氣向海洋補(bǔ)給熱量（圖3g，圖3h）。已有研究表明[32-33]，整個(gè)南海的海表風(fēng)場(chǎng)與Ni?o3指數(shù)均呈負(fù)相關(guān)，北部海域的相關(guān)性比南部好，加之由于南海高壓西脊點(diǎn)較往年明顯偏西（圖3i）、夏季風(fēng)減弱，會(huì)導(dǎo)致海表潛熱損失及越南東側(cè)上升流減弱，從而致使南海在El Ni?o發(fā)生年的翌年夏季出現(xiàn)增暖過(guò)程（圖3j）。2016年潿洲島夏季最熱月SST為31.1℃，較2015年同期高0.5℃，較長(zhǎng)期氣候平均值高0.6℃。由此可見(jiàn)，El Ni?o事件進(jìn)一步加強(qiáng)了海洋熱浪。表2為3次超強(qiáng)E1 Ni?o事件參數(shù)、海洋熱浪指標(biāo)。表2顯示，2015/2016的E1 Ni?o事件在持續(xù)時(shí)間、峰值強(qiáng)度等參數(shù)上超越了前兩次超強(qiáng)E1 Ni?o事件，但最強(qiáng)的E1 Ni?o事件并不一定推動(dòng)最強(qiáng)的海洋熱浪。海洋熱浪的爆發(fā)強(qiáng)度應(yīng)是局部氣象因子、水動(dòng)力條件等多種因素共同作用的結(jié)果。

6 海洋熱浪增加對(duì)北部灣珊瑚礁的影響

在全球變暖的背景下，El Ni?o事件頻發(fā)、南海高壓增強(qiáng)、近地面風(fēng)場(chǎng)減弱等自然因素將共同導(dǎo)致北部灣海域海洋熱浪頻發(fā)、爆發(fā)強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)和潿洲島歷年珊瑚礁調(diào)查資料，1960-2009年潿洲島有6個(gè)年份夏季因海洋熱浪而出現(xiàn)珊瑚熱白化事件：1963年、1998、2002年（據(jù)珊瑚礁調(diào)查報(bào)告公山海域珊瑚大面積熱白化死亡）、2003年、2005年[34]、2006年。1998年潿洲島海域水溫比往年升高2℃，有20多種珊瑚白化，至1999年2月，已基本恢復(fù)到原來(lái)的狀況，活珊瑚覆蓋率達(dá)70%[35]；徐聞燈樓角海域未見(jiàn)珊瑚白化[36]，局部海域珊瑚覆蓋率達(dá)90%以上。而到了2004年、2005年，潿洲島海域內(nèi)活珊瑚的平均覆蓋率為29%[34]，徐聞燈樓角西岸珊瑚礁活珊瑚覆蓋率只有10%，大片珊瑚在此時(shí)期的熱浪事件影響下白化死亡。2009年后，潿洲島珊瑚礁區(qū)活珊瑚覆蓋率僅為16%[37]，徐聞燈樓角珊瑚退化較潿洲島更為嚴(yán)重，鹿角珊瑚成為新的優(yōu)勢(shì)種，濱珊瑚作為優(yōu)勢(shì)種的地位逐年減弱。

海洋熱浪的爆發(fā)具有季節(jié)性，熱浪爆發(fā)后，海水溫度恢復(fù)正常，一般珊瑚礁白化可逐漸恢復(fù)。且前人研究表明[38]，高溫?zé)崂藢?dǎo)致的珊瑚白化不是新的生態(tài)現(xiàn)象，歷史時(shí)期早已有之。但在現(xiàn)代升溫幅度增大、持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)的海洋熱浪影響下，其破壞程度超出了珊瑚礁系統(tǒng)自我修復(fù)的極限，珊瑚白化已使世界珊瑚礁面積減少了19%[39]。以常規(guī)溫室氣體排放量為基礎(chǔ)的全球平均溫度變化預(yù)測(cè)模型表明[40]，到20世紀(jì)下半葉，全球超過(guò)80%的珊瑚礁將發(fā)生白化并嚴(yán)重退化。按目前的全球升溫速率，北部灣海域海洋熱浪將持續(xù)頻發(fā)，未來(lái)50年熱白化事件還會(huì)出現(xiàn)，對(duì)北部灣海域珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)生長(zhǎng)是極其不利的。

7 結(jié)論

依據(jù)北部灣東部海域4個(gè)海洋站的實(shí)測(cè)SST資料計(jì)算出該海域海洋熱浪爆發(fā)的3項(xiàng)指標(biāo)DHM、DHW、DHD，并分析其變化特征及成因機(jī)制，結(jié)論如下：（1）近58年北部灣東部海域DHM、DHW、DHD值均呈逐年波動(dòng)上升趨勢(shì)，海洋熱浪爆發(fā)的強(qiáng)度及頻率較1979年以前有明顯上升；（2）海洋熱浪是全球性、區(qū)域性及局部性三重因素在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)相互疊加所驅(qū)動(dòng)。全球變暖的大背景下疊加了El Ni?o暖事件，區(qū)域受高壓系統(tǒng)及風(fēng)場(chǎng)減弱影響進(jìn)一步增強(qiáng)了熱浪強(qiáng)度。多種驅(qū)動(dòng)因素同時(shí)發(fā)生時(shí)，就有可能爆發(fā)一場(chǎng)造成珊瑚礁大規(guī)模白化及死亡的超強(qiáng)海洋熱浪；（3）未來(lái)北部灣海域海洋熱浪將持續(xù)頻發(fā)，對(duì)北部灣海域的珊瑚生態(tài)系統(tǒng)有不利影響。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所陳特固先生在本文的修改過(guò)程中給予的指導(dǎo)。