郭世安 張海彥 魏 皓 趙 亮

2013～2019年渤海夏季高溫現(xiàn)象及機(jī)制分析*

郭世安1張海彥1①魏 皓1趙 亮2

(1. 天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 天津 300072; 2. 天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院 天津 300457)

在全球變暖背景下, 海洋上層平均溫度的上升將可能導(dǎo)致更頻繁的極端高溫事件。渤海生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)面臨更大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn), 了解海洋極端高溫事件的發(fā)生過程, 可為應(yīng)對(duì)將來氣候變化和防災(zāi)減災(zāi)提供有力支撐。通過長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)渤海8月海表溫度(sea surface temperature, SST)在2013年發(fā)生溫度躍遷, 并利用regional ocean modeling system (ROMS)物理模型分析了2013年之后渤海夏季升溫的影響因素。2013～2019年階段8月的SST, 比1994～2012年階段整體高1.37 °C。在空間分布上, 表層水體升溫較大區(qū)域主要集中在3個(gè)海灣及渤海中部淺灘。在水體溫度結(jié)構(gòu)上, 2013年之后夏季上混合層溫度整體升高, 上混合層厚度變薄, 溫躍層整體變淺; 表底溫差增大, 水體層結(jié)增強(qiáng)約17.5%。2013年之后渤海表層水體的升溫現(xiàn)象總體上存在于春季和夏季, 升溫幅度在春季呈線性增強(qiáng)趨勢(shì), 而在夏季處于穩(wěn)定的狀態(tài)。春季的熱量累積為夏季升溫提供了一個(gè)較高的溫度初始值, 是導(dǎo)致近年來渤海連續(xù)多年夏季高溫現(xiàn)象的主要因素。春季升溫受春季云量減少和短波輻射增強(qiáng)的影響。渤海春夏季水體變暖, 尤其是連續(xù)多年的溫度升高, 對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)、漁業(yè)、水母暴發(fā)以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)有重要影響。

SST; 夏季高溫; 春季熱量累積; 渤海

海表溫度(sea surface temperature, SST)是研究海洋系統(tǒng)最重要的熱力參數(shù)之一。海面作為海洋與大氣的邊界, 其在大氣、海洋及海氣相互作用的研究中也至關(guān)重要。在存在季節(jié)性躍層的區(qū)域, 夏季海面溫度的變化, 將會(huì)影響水體的層結(jié)強(qiáng)度, 進(jìn)而影響水體垂向的物質(zhì)輸運(yùn)和能量傳遞等(Deser, 2010)。

隨著全球變暖, 海洋的平均溫度也在逐漸升高, 全球上層海洋正在發(fā)生顯著增暖(IPCC, 2013)。中國近海的海表溫度在近幾十年里也存在顯著增暖, 而且因大部分海域靠近陸地, 升溫速率高于全球其他開闊大洋區(qū)域(Liu, 2013; Bao, 2014)。張秀芝等(2005)對(duì)渤海、黃海、東海以及南海選擇代表區(qū)域來研究中國近海的長(zhǎng)期變化, 發(fā)現(xiàn)近100多年來各海區(qū)SST都在逐漸升高, 20世紀(jì)80年代以后SST顯著升高, 20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初, SST最暖。馮琳等(2009)研究發(fā)現(xiàn)東中國海海表溫度在1945～2006年的60余年中一共升高了0.9 °C, 升溫速率約為0.015 °C/a。

近年來, 中國近海升溫機(jī)制已得到大量研究。Cai等(2017)通過分析1958～2018年HadISST數(shù)據(jù)認(rèn)為, 中國近海夏季SST升溫是由短波輻射增加引起的, 并與東亞夏季風(fēng)減弱和西太平洋副熱帶高壓增強(qiáng)相關(guān)。Pei等(2017)用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function, EOF)分析1870～2016年黃東海SST, 得到顯著增溫趨勢(shì)而海面凈熱通量下降, 他認(rèn)為層化加強(qiáng)、垂向混合減弱會(huì)促進(jìn)SST升高, 海面凈熱通量下降可能是SST升高、海氣溫差減小的結(jié)果。Tang等(2009)通過分析東海1957～1996年的水文觀測(cè)數(shù)據(jù), 認(rèn)為臺(tái)灣暖流和黑潮加強(qiáng)是東海夏季變暖的主要原因, 宋春陽等(2019)通過分析optimum interpolation SST (OISST)資料1982～2017年中國近海海表溫度, 也認(rèn)為黑潮的熱輸送加強(qiáng)是海表溫度偏高的重要原因。近年來中國近海海表極端高溫事件頻繁發(fā)生引起普遍關(guān)注。2017年全球平均海表溫度較常年偏高0.29～0.43 °C, 是沒有厄爾尼諾事件影響的全球海洋最熱年(Cheng, 2017), 在中國近海平均海表溫度也比常年值偏高0.64 °C (李琰等, 2018)。Tan等(2018)基于1982～2016年衛(wèi)星SST發(fā)現(xiàn)東中國海2016年8月極端高溫現(xiàn)象, 認(rèn)為極端高溫形成主要?dú)w因于平流輸運(yùn)(24%)和凈熱通量(58%)。Yan等(2020)通過衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 黃、東海夏季海表溫度在2004, 2006及2016年均異常偏高, 分別為29.08, 29.25和29.68 °C, 打破了夏季海表溫度歷史記錄, 認(rèn)為夏季太陽輻射增強(qiáng)和風(fēng)應(yīng)力減弱使得混合減弱是造成高溫的主要原因。

渤海是中國近海北部的一個(gè)半封閉陸架淺海, 僅通過渤海海峽與北黃海相連, 是我國海洋漁業(yè)生產(chǎn)的重要區(qū)域(李顯森等, 2008)。其夏季海表溫度的變化, 不僅可以對(duì)周圍的陸地氣候產(chǎn)生影響, 同時(shí)也會(huì)影響渤海生態(tài)系統(tǒng)。而以往研究中, 針對(duì)渤海夏季升溫現(xiàn)象及機(jī)制探討較少。宋春陽等(2019)在中國近海溫度分析中提到渤海近幾年的升溫現(xiàn)象, 但未作出深入分析。因此, 渤海夏季溫度升溫特征仍缺少量化, 其升溫機(jī)制需進(jìn)一步探究。本文將基于長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料、衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬分析渤海溫度變化特征, 并探究其升溫影響因素。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

本文所使用的觀測(cè)數(shù)據(jù)來自國家海洋局渤海中部斷面常規(guī)觀測(cè)。調(diào)查斷面大致呈西南-東北走向, 從黃河口延伸至遼河口, 由10個(gè)觀測(cè)站位組成(圖1), 時(shí)間跨度為1978～2018年共41 a (2013年之前垂向觀測(cè)深度為0, 5, 10, 15, 20, 25 m和底層, 之后數(shù)據(jù)間隔為0.1 m), 觀測(cè)時(shí)間為每年8月, 其中1993年數(shù)據(jù)缺失。

1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

衛(wèi)星SST數(shù)據(jù)資料來自美國國家氣象局(National Oceanic and Atmospheric Adminstration, NOAA)發(fā)射的太陽同步極軌衛(wèi)星所載的高分辨率輻射計(jì)(advanced very high resolution radiometer, AVHRR)。數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°, 時(shí)間為1982～2019年共38 a, 將其處理為渤海區(qū)域月平均數(shù)據(jù), 取8月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行夏季統(tǒng)計(jì)分析。已有研究表明, 衛(wèi)星反演SST的系統(tǒng)偏差為(0.18±1.00) °C, 空間分布及長(zhǎng)期變化趨勢(shì)與觀測(cè)較為一致, 可以用于分析海域SST長(zhǎng)期變化規(guī)律(羅曉凡等, 2012)。此外, 所用海面10 m風(fēng)速和海面短波輻射通量來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Center for Medium-Ramge Weather Forecasts, ECMWF)的ERA5數(shù)據(jù)集, 選用時(shí)間長(zhǎng)度與衛(wèi)星數(shù)據(jù)一致, 空間分辨率為0.25°×0.25°。

圖1 渤海地形及渤海中部斷面觀測(cè)站位分布

注: 灰色曲線表示10, 15, 20, 25, 30和50 m的等深線; 陸地上黑色曲線表示河流; 圓點(diǎn)表示觀測(cè)站位

1.3 ROMS模型

本研究所使用三維物理模型為regional ocean modeling system (ROMS) (Shchepetkin, 2005)。模擬區(qū)域包含渤海、黃海及部分東海區(qū)域, 模型水平分辨率2.2～4 km, 其中渤海分辨率較高。垂向采用坐標(biāo), 分為30層, 并在表底進(jìn)行加密。溫鹽初始場(chǎng)來自World Ocean Atlas (WOA13), 初始流速和水位為零。溫鹽、流、水位開邊界來自于hybrid coordinate ocean model (HYCOM)數(shù)據(jù), 邊界處潮汐從OSU tidal prediction softwear (OTPS)中提取, 包含M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1和Q1, 共8個(gè)分潮。大氣強(qiáng)迫(風(fēng)應(yīng)力、短波輻射、凈熱通量和淡水通量)來自于ECMWF (https://www.ecmwf.int/)。模型中河流包含遼河、灤河、海河、黃河、鴨綠江、漢江、淮河、長(zhǎng)江和錢塘江, 河流流量數(shù)據(jù)來源于中國河流泥沙公報(bào), 其中鴨綠江和漢江為氣候態(tài)數(shù)據(jù)。該物理模型配置已在渤海夏季潮汐鋒研究(張廣躍等, 2020)和渤海氧虧損研究(李志成等, 2021)中得到應(yīng)用。

1.4 躍遷檢驗(yàn)

本文采用基于-檢驗(yàn)的循環(huán)算法(Rodionov, 2004)進(jìn)行躍遷檢驗(yàn), 判斷渤海表層溫度是否發(fā)生躍遷及發(fā)生年份。得到的regime shift index (RSI)值是標(biāo)準(zhǔn)化所得距平的累積和, 其大小取決于位相的預(yù)設(shè)長(zhǎng)度(類似于截?cái)嚅L(zhǎng)度)和Huber權(quán)重參數(shù)(定義為平均值的一個(gè)離散范圍, 超出這個(gè)范圍即認(rèn)為是異常值), 可以反映躍遷發(fā)生的可靠性。值為預(yù)先設(shè)定的顯著性檢驗(yàn)的置信度。本文在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上分析SST的變化, 因此將預(yù)設(shè)長(zhǎng)度設(shè)為10 a, 置信度設(shè)為0.1,取為1。

1.5 水體熱收支計(jì)算

渤海水體熱收支各項(xiàng)由公式(1)和公式(2)計(jì)算:

式(1)中,為水體溫度;,和分別代表東向、北向和垂向的流速;v為垂向湍擴(kuò)散系數(shù); 等號(hào)右邊第一項(xiàng)為水平平流; 第二項(xiàng)為垂向?qū)α? 第三項(xiàng)為垂向擴(kuò)散。式(2)中, 等號(hào)左邊為水體熱含量變化項(xiàng);0為溫度初始值;p為海水比熱容;為混合層深度;為密度;net代表海面凈熱通量變化;hadv表示物理場(chǎng)的水平平流作用;vadv表示垂向?qū)α髯饔?vdiff代表垂向擴(kuò)散作用。

2 結(jié)果

2.1 2013年之后渤海SST躍遷現(xiàn)象

渤海中部斷面夏季的長(zhǎng)期觀測(cè)表明:1978年以來渤海中部斷面SST距平呈波動(dòng)變化, 變化范圍在-4～4 °C之間(圖2a), 在2013年之后基本為正異常, 呈現(xiàn)明顯的高溫現(xiàn)象, 總體高溫異常約在1～4 °C。觀測(cè)期間平均的AVHRR SST與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)變化一致, 表現(xiàn)出2013年以來渤海夏季高溫的現(xiàn)象, 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與衛(wèi)星觀測(cè)存在顯著相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為0.99 (<0.001), 均方根誤差為1.03 °C。為進(jìn)行模型結(jié)果校驗(yàn), 圖2b給出了1994～2019年整個(gè)渤海區(qū)域模型模擬與衛(wèi)星觀測(cè)的SST對(duì)比。結(jié)果表明, 模擬結(jié)果與衛(wèi)星觀測(cè)的8月平均SST具有一致的變化, 相關(guān)系數(shù)為0.96 (<0.01), 整個(gè)渤海區(qū)域的8月SST在2013年之后普遍較高。

圖2 1978～2018年渤海中部斷面夏季SST距平時(shí)間序列(a), 1994～2019年渤海8月SST時(shí)間序列(b)以及模擬的8月平均SST躍遷檢驗(yàn)(c)

注: a中底色為衛(wèi)星數(shù)據(jù), 圓點(diǎn)為觀測(cè)值; c中紅線為躍遷前后狀態(tài)的平均值; SST: sea surface temperature, 海表面溫度;表示顯著性檢驗(yàn)置信度;表示截?cái)嚅L(zhǎng)度;表示權(quán)重參數(shù);表示相關(guān)系數(shù); 躍遷指數(shù)為1.01

對(duì)1994～2019年模擬的渤海8月SST時(shí)間序列進(jìn)行躍遷檢驗(yàn)得出, 2013年前后出現(xiàn)明顯的由冷到暖的狀態(tài)躍遷, 躍變指數(shù)RSI為1.01。根據(jù)躍遷檢驗(yàn)結(jié)果, 可將1994～2019年分為2個(gè)階段, 前一個(gè)階段1994～2012年的夏季平均溫度為24.88 °C, 后一個(gè)階段2013～2019年的夏季平均溫度為26.25 °C (圖2c), 2個(gè)階段溫度相差1.37 °C?？梢娤鄬?duì)于以往發(fā)現(xiàn)的1990年代“最暖”(張秀芝等, 2005), 2013年以來則是進(jìn)入了“更暖”的時(shí)期。

2.2 水體溫度結(jié)構(gòu)變化

1994～2012年和2013～2019年2個(gè)階段多年平均的8月SST, 呈現(xiàn)出一致的空間分布特征(圖3)。萊州灣、渤海灣及遼東灣頂區(qū)域溫度較高, 渤海海峽及遼東灣東部溫度較低, 總體呈現(xiàn)灣頂高、中部低以及西部高、東部低的特征。特別是在渤海灣平均溫度達(dá)到27 °C, 渤海海峽處溫度偏低在23 °C左右。2個(gè)階段相比, 渤海8月平均SST有明顯升高, 總體升高0.5～2.5 °C之間。該增溫現(xiàn)象在空間分布上存在差異, 增溫最顯著的區(qū)域?yàn)椴澈稠敳繀^(qū)域, 最高在2 °C以上。其次為在渤海中東部區(qū)域, 增溫在1.2 °C以上。除渤海灣頂以外的渤海西部區(qū)域, 增溫幅度最小, 在1.2 °C以下。

圖3 1994～2012年(a)與2013～2019年(b)8月SST及其差異(c)的空間分布

除了表層增溫以外, 渤海溫度結(jié)構(gòu)在近幾年也發(fā)生了變化。圖4給出了觀測(cè)和模擬的渤海中部斷面海水溫度在1994～2012年和2013～2019年的分布。在這2個(gè)階段, 溫度均呈現(xiàn)出明顯的溫度梯度和溫度躍層, 以及在淺灘南北兩側(cè)洼地的冷水團(tuán)結(jié)構(gòu), 且北側(cè)洼地水深更深, 溫度更低, 與以往認(rèn)識(shí)一致(俎婷婷等, 2005; 賈瑞麗等, 2008; 周鋒等, 2009)。由于上層水體混合均勻, 在2013～2019年階段的渤海8月增溫不只發(fā)生在表層, 整個(gè)上層水體均呈現(xiàn)一致的升溫。對(duì)于躍層以下水體, 模擬的海水溫度與上層水體一致, 也呈現(xiàn)升溫現(xiàn)象。而觀測(cè)的淺灘以南的冷水區(qū)域, 其溫度出現(xiàn)了降低現(xiàn)象, 這可能與觀測(cè)時(shí)間有關(guān)。總地來說, 模型數(shù)據(jù)與觀測(cè)值的均方根誤差較小, 相關(guān)性顯著, 相關(guān)系數(shù)均在0.9左右, 且通過顯著性檢驗(yàn)。以上結(jié)果表明, ROMS模型能夠很好的再現(xiàn)渤海區(qū)域的垂向溫度結(jié)構(gòu)的變化, 可以用模型數(shù)據(jù)進(jìn)行之后的熱收支分析。

渤海水體溫度結(jié)構(gòu)的變化引起水體層結(jié)的變化, 對(duì)表底溫差、上混合層深度和躍層強(qiáng)度有明顯影響。8月渤海的層化區(qū)域主要分布在渤海中部洼地、萊州灣口及渤海海峽附近(圖5)。除黃河口附近, 渤海水體的層結(jié)主要受到溫度控制。從表底溫差來看, 水深較大的區(qū)域表底溫差較大, 最大可在10 °C以上(圖5a, 5b)。2013～2019年和1994～2012年相比, 表底溫差總體表現(xiàn)為增大(圖5c)。前一個(gè)階段的平均表底溫差為3.21 °C, 后一個(gè)階段為3.70 °C, 總體升溫約0.5 °C (表1)。以垂向最大浮力頻率平方(2)表示水體層結(jié)強(qiáng)度, 層化區(qū)域2均在10-3s-2以上, 其中渤海中部洼地層結(jié)最強(qiáng)(圖5d, 5e)。除了洼地西側(cè)的部分區(qū)域外, 2013～ 2019年階段的水體垂向最大2值總體上大于1994～ 2012年(圖5f)。前一個(gè)階段的平均躍層強(qiáng)度為4.0×10-3s-2, 后一個(gè)階段為4.7×10-3s-2, 總體增強(qiáng)17.5%。

圖4 1994～2012年(a)和2013～2018年(b)渤海中部斷面8月溫度分布

注: 小圓圈為觀測(cè)值, 背景圖為模型結(jié)果

以垂向最大2值的深度表示躍層的深度, 結(jié)果顯示, 水深較深的區(qū)域躍層深度也較深, 渤海中部洼地和渤海海峽附近躍層深度較深, 在8 m以上(圖5d, 5e)。2個(gè)階段相比較而言, 后一個(gè)階段躍層深度普遍變淺(圖5f)。平均上混合層深度在1994～2012年為7.18 m, 2013～2019年為6.48 m (表1)?？傮w上, 上混合層變淺約0.70 m。這表明, 在2013～2019年階段上層水體厚度變薄。上混合層深度的變化也影響到了上層與下層水體熱含量的變化。雖然溫度升高, 但是由于上混合層變薄, 2013～2019年階段的上混合層熱含量也有所減少, 而下層水體熱含量有所增加(表2)。

圖5 表底溫差(a, b, c)、上混合層深度(d, e, f)和躍層強(qiáng)度N2 (g, h, i)2個(gè)階段及其差值的空間分布

注: a, d, g為1994～2012年平均; b, e, h為2013～2019年平均; c, f, i為2個(gè)態(tài)的差值

表1 1994～2012年和2013～2019年8月的表底溫差、躍層強(qiáng)度及上混合層深度

Tab.1 Surface-bottom temperature difference, stratification intensity, and upper mixing layer depth in August in 1994～2012 and 2013～2019

表2 渤海夏季(6～8月)熱含量變化(×1019J)

Tab.2 Heat content changes in summer (Jun to August) in the Bohai Sea (×1019 J).

3 討論

3.1 夏季升溫影響因素

圖6a給出了1994～2019年渤海區(qū)域月均SST距平時(shí)間序列。可以發(fā)現(xiàn), 2013年之后, SST呈現(xiàn)明顯的正異常, 尤其是3～9月。這表明, 近幾年渤海升溫不只是發(fā)生在8月或者夏季, 很多年份從3月開始就存在升溫現(xiàn)象, 并且可持續(xù)到9月。將2個(gè)階段SST季節(jié)變化對(duì)比可以看出, 2個(gè)階段的月平均SST呈現(xiàn)相似變化特征, 2月溫度最低, 約2 °C, 8月溫度最高, 在25 °C左右(圖6b)。在溫度最低的2月份, 1994～2012年和2013～2019年2個(gè)階段的SST值幾乎相等, 從3月開始溫度差異開始增大, 即升溫現(xiàn)象開始增強(qiáng)。具體地, 2個(gè)階段在3月的溫差約0.4 °C, 在4月約為0.8 °C, 在5月份達(dá)到約1.2 °C (圖6c)。溫差在春季(3～5月)整體上呈線性升高趨勢(shì)。到了夏季(6～8月), 2個(gè)階段的溫差與春季相比, 較為穩(wěn)定, 在1.0～1.2 °C之間。從9月開始, 溫差開始減小, 到了11月、12月溫差在零以下。

圖6 1994～2019年渤海逐月的SST異常(a), 2個(gè)階段的渤海月平均SST變化(b)以及2個(gè)階段的渤海月平均SST差值(c)

由溫差的逐月變化可知, 2013～2019年階段的升溫現(xiàn)象總體上存在于春季和夏季, 在春季不斷加強(qiáng), 在夏季處于穩(wěn)定的狀態(tài)。這表明, 升溫過程主要發(fā)生在春季, 春季的升溫為夏季提供了較高的初始值。為探究升溫的影響因素, 下面將對(duì)春季上混合層水體進(jìn)行熱收支估算。

表3給出了渤海上混合層水體在春季(3～5月)的熱收支, 上混合層指的是海面至躍層深度的水體, 每年的上混合層由8月的躍層深度決定。3月初始值指利用3月1日水體溫度計(jì)算的熱含量, 5月末熱含量指的是利用5月31日水體溫度計(jì)算的熱含量。在3月初, 2個(gè)階段上混合層的平均熱含量基本相同, 后一階段的平均熱含量比前一階段高出0.13×106J/m3, 約占前一階段的1.8%。而到了5月末, 2個(gè)階段的熱含量差異顯著增大, 為4.3×106J/m3, 約占前一階段的7.1%。這表明春季初始值的貢獻(xiàn)僅為3%, 約有97% (4.2×106J/m3的)熱含量是由春季熱含量的變化過程引起的, 主要為海洋內(nèi)部動(dòng)力過程(垂向?qū)α?、水平平流及垂向擴(kuò)散項(xiàng))和海氣界面熱通量引起。

表3 渤海上層水體3～5月熱收支估算(單位: ×106J/m3)

Tab.3 Heat budget in the upper layer in the Bohai Sea from March to May (unit: ×106 J/m3)

注:net為凈熱通量項(xiàng);hadv為水平平流;vadv為垂向?qū)α?vdiff為垂向擴(kuò)散

在3～5月的上混合層熱含量變化中, 海面熱通量和水平平流是源項(xiàng), 體現(xiàn)了春季海洋吸熱, 以及渤海海峽出上層水體流入渤海的特征。垂向?qū)α骱痛瓜驍U(kuò)散為匯項(xiàng), 體現(xiàn)了春季上層水體向下層水體傳遞熱量的過程?？傮w上海面熱通量是主要源項(xiàng), 而垂向擴(kuò)散為主要匯項(xiàng), 表明海面吸熱之后在垂向傳遞的主要過程。垂向?qū)α?、水平平流、垂向擴(kuò)散和海面熱通量引起的熱含量變化在2個(gè)階段存在明顯差異, 且后一階段的絕對(duì)值均在增大, 其中海面熱通量和垂向擴(kuò)散是差異較大的項(xiàng)。

為探究影響海面熱通量的因素, 圖7給出了春季云量、短波輻射和風(fēng)速的長(zhǎng)期變化。云量呈現(xiàn)明顯的年際變化, 近些年的變化幅度較小。1994～2012年階段渤海春季平均云量為0.45, 在2013～2019年階段降低為0.42, 減少了0.03 (表4)。與春季云量減少相對(duì)應(yīng), 后一階段的春季短波輻射有所增加, 較前一階段增加了2.54 w/m2, 而平均風(fēng)速略有增加, 由1.53 m/s增至1.57 m/s。這表明春季短波輻射增強(qiáng)是引起海面熱通量升高進(jìn)而使得水溫升高的重要因素。而春季溫度的升高為夏季升溫提供了較高的初始值, 是夏季升溫的決定因素, 這與以往整個(gè)中國近海升溫或黃東海升溫的影響因素認(rèn)識(shí)有所不同。以往研究認(rèn)為, 夏季臺(tái)灣暖流和黑潮引起的平流熱輸運(yùn)增強(qiáng)(Tang, 2009; 宋春陽等, 2019)、太陽輻射增強(qiáng)和風(fēng)應(yīng)力減弱(Yan, 2020)及凈熱通量增大(Tan, 2018)是影響近年來夏季升溫的主要因素。近年來, 中國近海高溫現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生, 像渤海這樣連續(xù)多年的高溫現(xiàn)象在中國其他海域并不顯著。因此, 春季升溫對(duì)連續(xù)多年夏季高溫現(xiàn)象的作用在其他海域也并未發(fā)現(xiàn)。

圖7 3～5月平均的渤海區(qū)域云量(a)、短波輻射(b)和風(fēng)速(c)的時(shí)間序列

表4 渤海區(qū)域2個(gè)階段3～5月的云量、短波輻射和風(fēng)速

Tab.4 Cloud cover, short-wave radiation and wind speed during March to May in Bohai Sea in the two stages

3.2 升溫對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響

作為海洋中的關(guān)鍵熱力要素, 海表溫度不僅通過海氣相互作用影響周邊的氣候與環(huán)境, 更是維持局地海洋生物、生態(tài)系統(tǒng), 調(diào)控其變化和演替的關(guān)鍵海洋環(huán)境因子。近年來, 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(王愛梅等, 2019)。歷史記錄顯示, 升溫可導(dǎo)致魚類尺寸變小, 減弱魚類移動(dòng)能力及物種形成速度(Avaria-Llautureo, 2021)。渤海近幾年春夏季的持續(xù)升溫, 可能會(huì)對(duì)渤海經(jīng)濟(jì)魚類產(chǎn)生潛在的不利影響。溫度對(duì)水母生活史有重要影響(王彥濤, 2013; 張廣躍, 2019), 渤海春季升溫可能會(huì)使得水母橫裂過程提前, 夏季溫度升高則主要影響水母生長(zhǎng)過程, 最終影響水母暴發(fā)情況。水母豐度及生物量的分布情況, 則會(huì)影響電站附近海域水母聚集情況及電站生產(chǎn)安全(孫雪等, 2019)。

不同種類浮游植物對(duì)溫度變化的響應(yīng)存在差異。硅藻和甲藻是中國近海浮游植物的重要藻類, 而兩種藻類受溫度的影響不同。硅藻的最適溫度約為24 °C, 而甲藻的最適溫度在26 °C左右。硅藻在溫度超過24 °C時(shí)的下降幅度遠(yuǎn)比甲藻超過最適溫度時(shí)大得多, 表明甲藻對(duì)高溫具有更好的耐受性(Xiao, 2018)。對(duì)于渤海來說, 上層水體8月平均溫度由1994～2012年的24.88 °C, 升高至2013～2019年的26.25 °C, 會(huì)不利于硅藻生長(zhǎng), 而會(huì)促進(jìn)甲藻生長(zhǎng), 進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)中的浮游植物群落結(jié)構(gòu)。欒青杉等(2017, 2018)通過觀測(cè)調(diào)查發(fā)現(xiàn), 渤海區(qū)域在進(jìn)入21世紀(jì)以來甲、硅藻比的平均水平較20世紀(jì)升高了2.82倍, 群落結(jié)構(gòu)由硅藻主導(dǎo)演替到硅、甲藻共同控制, 海線藻、夜光藻和角藻開始形成絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。此外, 通過對(duì)2017年秦皇島海域現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn), 8月份過高的水體溫度與低濃度的營養(yǎng)鹽物質(zhì)等因素一起也會(huì)限制超微型真核藻中褐潮種的生長(zhǎng)(趙相偉等, 2020)。

渤海赤潮發(fā)生的空間分布也集中在3個(gè)海灣處(竇勇等, 2020; 張善發(fā)等, 2020), 而此處的海表溫度和熱浪持續(xù)時(shí)間均高于中部鄰近海域, 這將會(huì)加重甲藻類赤潮的發(fā)生。而渤海區(qū)域很大一部分的海洋牧場(chǎng)和養(yǎng)殖區(qū)也分布在這些淺海海灣和沿海地區(qū)(楊紅生, 2016), 強(qiáng)烈的海表升溫可能會(huì)對(duì)養(yǎng)殖區(qū)的生物生長(zhǎng)造成嚴(yán)重影響。

4 結(jié)論

本文通過近40 a渤海長(zhǎng)期觀測(cè)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)渤海8月SST在2013年發(fā)生高溫躍遷, 并利用ROMS物理模型分析了2013年之后渤海夏季升溫的影響因素。渤海8月SST在2013～2019年總體較高, 與1994～2012年相比, 升高幅度約在1～4 °C, 平均升高約1.37 °C; 在水體溫度結(jié)構(gòu)上, 2013年之后夏季上混合層變薄, 溫躍層整體變淺, 水體層結(jié)增強(qiáng)約17.5%。

2013年之后渤海的高溫現(xiàn)象從3～8月均存在, 在3～5月升溫幅度呈線性增加, 而在6～8月升溫幅度處于穩(wěn)定的狀態(tài)。分析表明, 春季的熱含量累積為夏季高溫提供了一個(gè)較高的溫度初始值, 這是引起2013～2019年來渤海連續(xù)多年夏季海表高溫現(xiàn)象的主要因素。春季升溫則受春季云量減少和短波輻射增強(qiáng)的影響。

渤海春夏季水體變暖, 對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)、漁業(yè)、水母暴發(fā)等有重要影響, 而連續(xù)多年的高溫對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)更是影響巨大。在未來氣候背景下, 全球持續(xù)變暖似乎是不可避免的, 海洋上層將發(fā)生更頻繁的極端高溫事件, 渤海作為我國高生產(chǎn)力海區(qū), 其海洋生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)面臨更大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn), 應(yīng)高度重視和了解海洋極端高溫事件的發(fā)生過程及可預(yù)測(cè)性, 為應(yīng)對(duì)將來氣候變化和防災(zāi)減災(zāi)提供有力支撐。

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SUMMER HIGH TEMPERATURE PHENOMENON AND ITS MECHANISMS IN THE BOHAI SEA FROM 2013 TO 2019

GUO Shi-An1, ZHANG Hai-Yan1, WEI Hao1, ZHAO Liang2

(1. School of Marine Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. College of Marine and Environmental Sciences, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

In the context of global warming, the average temperature increase in the upper ocean will likely cause more frequent extreme high temperature events. The ecosystem of the Bohai Sea will face greater risks and challenges. Understanding the progression of extreme high temperature events will provide strong support for coping with future climate change and disaster prevention and mitigation. A high temperature regime shift of August SST since 2013 was revealed based on long term observations and remotely sensed data, and factors influencing summer warming since 2013 were analyzed based on a physical model ROMS. The SST in August from 2013 to 2019 was 1.37 °C higher than that from 1994 to 2012. In terms of spatial distribution, relatively higher SST distributed mainly in the three bays and the central bank of the Bohai Sea. In terms of vertical structure, the temperature of the upper mixing layer in summer overall increases; the thickness of the upper mixing layer becomes thinner; the pycnocline becomes shallower; surface-bottom temperature difference becomes larger, and the stratification intensity increased by about 17.5% after 2013. The warming phenomenon in the Bohai Sea generally exists in spring and summer after 2013. The warming amplitude shows a linear increase trend in spring, but remains relatively stable in summer. The heat accumulation in spring provides a relatively high initial value for summer warming, which is the key factor for high temperature phenomenon in summer for years in the Bohai Sea. The temperature rise in spring is closely influenced by the decrease of cloud cover and the increase of short-wave radiation in spring. The warming in spring and summer in the Bohai Sea, especially the continuous warming for years, has important impacts on phytoplankton community structure, harmful algae blooms such as red tide and brown tide, the growth of living organisms in marine ranching and aquaculture area, and even the whole ecosystem.

sea surface temperature (SST); summer high temperature; heat accumulation in spring; the Bohai Sea

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 41806018號(hào), 41876018號(hào); 天津自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 19JCZDJC40600號(hào)。郭世安, 碩士研究生, E-mail: guoshian@tju.edu.cn

張海彥, 講師, E-mail: haiyan_zhang@tju.edu.cn

2021-10-26,

2021-11-16

P734

10.11693/hyhz20210900208