王愛梅，王慧，范文靜*，駱敬新，李文善，徐珊珊

(1.國(guó)家海洋信息中心，天津 300171)

1 引言

長(zhǎng)期的海洋氣候變化對(duì)人類社會(huì)和健康產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，短期的海洋氣候極端事件也會(huì)嚴(yán)重影響海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類健康，如災(zāi)害性海浪、風(fēng)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(wàn)計(jì)生命的陸地上的熱浪，海洋熱浪很少受到關(guān)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(duì)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(dāng)?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(kuò)展[1]；2012年西北大西洋海洋熱浪事件改變了長(zhǎng)鰭魷魚和美洲龍蝦的分布和種群結(jié)構(gòu)，致使捕魚方式和捕撈模式改變，水產(chǎn)品價(jià)格暴跌[2]；2014?2016年北太平洋海溫持續(xù)升高，致使美國(guó)西海岸有害藻華暴發(fā)，海洋哺乳動(dòng)物大量擱淺，藻華產(chǎn)生的毒素使?jié)O場(chǎng)長(zhǎng)期關(guān)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(zhǎng)速度放緩[5]；2016年受厄爾尼諾事件中創(chuàng)記錄高溫驅(qū)動(dòng)，澳大利亞大堡礁發(fā)生了嚴(yán)重的白化事件，波及90%以上的珊瑚[6]。

在中國(guó)，2017年7月北黃海海洋熱浪事件持續(xù)時(shí)間達(dá)60 d，熱浪最大強(qiáng)度為2.93℃，此熱浪事件被認(rèn)為是獐子島扇貝大量死亡的一個(gè)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(guó)近海海洋熱浪特征是怎樣的？鑒于近年來中國(guó)沿海海洋熱浪的形成機(jī)理、發(fā)生規(guī)律和時(shí)空特征等的研究欠缺，海洋熱浪對(duì)中國(guó)近海生態(tài)系統(tǒng)影響加大并對(duì)沿海經(jīng)濟(jì)社會(huì)造成嚴(yán)重影響，為滿足科學(xué)應(yīng)對(duì)極端海洋氣候事件的服務(wù)需求，本文利用海洋站及遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)研究中國(guó)近海2019年發(fā)生的海洋熱浪事件的最新監(jiān)測(cè)事實(shí)，以便積極采取有效措施減輕海洋熱浪的影響，促進(jìn)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(guān)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(dāng)?shù)丶竟?jié)閾值（即氣候基準(zhǔn)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(shí)間可達(dá)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(zhǔn)期為1983?2012年，計(jì)算當(dāng)天氣候態(tài)值及閾值時(shí)采用氣候基準(zhǔn)期內(nèi)同期11 d時(shí)間窗口內(nèi)的日平均海溫值并做31 d的滑動(dòng)平均，海洋熱浪的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括發(fā)生頻次、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度和范圍等（表1）。Hobday等[10]以Python編程語(yǔ)言給出海洋熱浪的計(jì)算程序，詳見http://github.com/ecjoliver/marineHeatWaves。

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

表1 海洋熱浪特征指標(biāo)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(guó)家海洋觀測(cè)站網(wǎng)數(shù)據(jù)（表2）、OISST V2日分辨率海溫?cái)?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(guó)國(guó)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(jìn)的高分辨率雷達(dá)（AVHRR）紅外衛(wèi)星海溫資料以及浮標(biāo)和船舶等原位觀測(cè)資料[11]。日平均海溫?cái)?shù)據(jù)的空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間跨度為1981年9月至2019年12月；月平均海溫?cái)?shù)據(jù)的空間分辨率為 1°×1°，時(shí)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(jì)分析中國(guó)近海海洋熱浪特征。

NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集為來自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction,NCEP）和國(guó)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(cè)資料、預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)對(duì)全球從1948年至今的氣象資料進(jìn)行再分析形成的格點(diǎn)資料，數(shù)據(jù)變量包括風(fēng)場(chǎng)、海平面氣壓和位勢(shì)高度等，資料的分辨率為 2.5°×2.5°，時(shí)間跨度為 1948年 1月至2019年12月。本文進(jìn)一步利用該數(shù)據(jù)集分析海洋熱浪發(fā)生時(shí)的大氣環(huán)流背景場(chǎng)。

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(guó)近海熱浪特征

2019年，中國(guó)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(zhǎng)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(guó)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(shí)間最長(zhǎng)，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(qiáng)度和最大強(qiáng)度分布類似，在南海北部海域、臺(tái)灣海峽附近海域和渤海海域較強(qiáng)，南海南部海域較弱（圖2）。

圖2 2019 年中國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)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(qiáng)度的四季分布可知（圖4），海南島周邊海域和長(zhǎng)江口附近海域海洋熱浪春季平均強(qiáng)度最強(qiáng)，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(qiáng)度最強(qiáng)，春季和秋季次之，冬季最弱。

圖4 2019 年中國(guó)近海海洋熱浪事件平均強(qiáng)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(gè)半封閉邊緣海灣，其生物物種資源豐富，是我國(guó)四大漁場(chǎng)之一；同時(shí)，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(duì)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?cái)?shù)據(jù)分析可知，2019年我國(guó)海南島東方海洋站附近海域發(fā)生了1980年以來持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的海洋熱浪事件，熱浪起始時(shí)間為1月31日（海溫為24.1℃），峰值時(shí)間為 2月 16日（海溫為 27.1℃），結(jié)束時(shí)間為 4月30日（海溫為 30.3℃），持續(xù)時(shí)間達(dá) 90 d，平均熱浪強(qiáng)度為3.7℃，最大熱浪強(qiáng)度為5.5℃。潿洲海洋站在此時(shí)間段內(nèi)發(fā)生了兩次海洋熱浪事件，起止時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(jì)得出的海洋熱浪開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、最大強(qiáng)度等特征指標(biāo)會(huì)有稍許差異（圖5）。長(zhǎng)時(shí)間的海洋熱浪可能導(dǎo)致海洋種群結(jié)構(gòu)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(huì)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(duì)于特定海域海洋熱浪的發(fā)生機(jī)制，已有前人從大氣強(qiáng)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(dòng)（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(jìn)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(qiáng)迫相結(jié)合導(dǎo)致，形成機(jī)制較為復(fù)雜。研究發(fā)現(xiàn)，在全球變暖背景下，中國(guó)近海海表溫度上升明顯[20]。1980?1999年，中國(guó)近海加速增暖與東亞冬季風(fēng)減弱和西太平樣副熱帶高壓加強(qiáng)有關(guān)[21]。蔡榕碩等[22]指出，南海海表溫度的年際變化與經(jīng)向風(fēng)異常、副熱帶高壓緯向變動(dòng)和ENSO循環(huán)密切相關(guān)。厄爾尼諾事件可通過“大氣橋”和“海洋通道”影響中國(guó)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(zhǎng)時(shí)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(fēng)異常關(guān)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(fēng)可減弱東亞冬季風(fēng)，而在次年夏季則加強(qiáng)東亞夏季風(fēng)[25]?！?019年海平面公報(bào)》也指出，2019年1?4月東亞冬季風(fēng)較常年同期（常年為1993?2011年氣候基準(zhǔn)期的常年平均值）偏弱[26]，盛行的冬季風(fēng)減弱，南風(fēng)偏強(qiáng)，表層暖水向北輸運(yùn)增強(qiáng)，海南島西側(cè)冷涌減弱，導(dǎo)致北部灣海域異常增溫。

從熱通量各個(gè)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(bǔ)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(qiáng)度，而感熱通量對(duì)海洋熱浪長(zhǎng)時(shí)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(shí)的主要天氣系統(tǒng)，天氣學(xué)上，通常采用500 hPa位勢(shì)高度5 880 位勢(shì)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(shì)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(qiáng)度偏強(qiáng)，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(yáng)短波輻射增強(qiáng)；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(duì)北部灣海域海洋熱浪的作用有待進(jìn)一步研究。

圖7 2019年2月西太平洋副高 500 hPa 位勢(shì)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(fēng)場(chǎng)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(fēng)距平風(fēng)場(chǎng)有利于暖水流入到東方站海域，促進(jìn)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(shí)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(duì)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(chǎng)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(shí)，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(fù)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(fēng)場(chǎng)V分量春季、秋季和冬季均為正距平，夏季為負(fù)距平（圖9）。

圖9 1980?2019 年海洋熱浪事件發(fā)生時(shí)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(qiáng)度與事件期間的氣象背景場(chǎng)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，海洋熱浪發(fā)生時(shí)，一年四季，平均氣溫越高，海洋熱浪平均強(qiáng)度越強(qiáng)（夏季東方海洋站的相關(guān)系數(shù)未通過顯著性檢驗(yàn)）；春季和秋季，海平面氣壓越低，海洋熱浪平均強(qiáng)度越強(qiáng)；秋季和冬季，風(fēng)場(chǎng)V分量正距平幅度越大，海洋熱浪平均強(qiáng)度越強(qiáng)（表 3）。

表3 1980?2019年海洋熱浪平均強(qiáng)度與各環(huán)境背景場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)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(cè)站網(wǎng)和遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了2019年中國(guó)近海發(fā)生的海洋熱浪事件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中國(guó)近海海洋熱浪在任何時(shí)間都可能發(fā)生，春季發(fā)生天數(shù)最多，冬季最少。中國(guó)近海海洋熱浪發(fā)生高頻區(qū)位于海南島周邊海域、長(zhǎng)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(shí)間最長(zhǎng)，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(shí)間最長(zhǎng)、強(qiáng)度最強(qiáng)的海洋熱浪事件，此期間北部灣海域經(jīng)歷了持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間氣溫偏高、南風(fēng)偏強(qiáng)的氣候情況。同時(shí)，副熱帶高壓面積偏大、位置偏西偏北。冬季風(fēng)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(shí)，一年四季，平均氣溫越高，海洋熱浪平均強(qiáng)度越強(qiáng)；春季和秋季，海平面氣壓越低，海洋熱浪平均強(qiáng)度越強(qiáng)；秋季和冬季，風(fēng)場(chǎng)V分量正距平幅度越大，海洋熱浪平均強(qiáng)度越強(qiáng)。

由于人類活動(dòng)導(dǎo)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(qiáng)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(cè)數(shù)據(jù)表明，近幾十年來，我國(guó)近海的海表溫度呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，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(guó)近海很可能將繼續(xù)升溫，海洋熱浪預(yù)計(jì)將持續(xù)時(shí)間更久，范圍更廣，頻次更高，強(qiáng)度更大，使得中國(guó)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(guó)近海海洋將面臨更大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，我們應(yīng)高度重視并積極應(yīng)對(duì)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(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)警機(jī)制，從海洋熱浪的發(fā)生機(jī)理及其影響和適應(yīng)方面尋求跨學(xué)科合作，以減緩極端海洋熱浪事件對(duì)我國(guó)海洋生態(tài)系統(tǒng)、漁業(yè)資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)服務(wù)的影響，為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化和防災(zāi)減災(zāi)提供支撐。