2020年夏秋季北部灣SST異常特征及可能成因分析

姚小娟，張海燕，李希茜

（1.國家海洋局南海預報中心，廣東 廣州 510300；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 510300）

1 引言

海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）是海洋動力與熱力過程以及海洋-大氣相互作用等多種因素共同作用的結果，是海洋-大氣運動系統中影響海面水汽交換和熱通量的一個重要變量，也是研究海洋環流、水團、上升流和海水混合等問題的重要參量，與海洋生態密切相關。國內外眾多學者對相關海域SST 的變化特征進行了大量的研究。于文泉[1]利用南海北部月平均水溫資料對南海水溫的時空結構特征進行了統計分析；樊博文等[2]基于GIS數據，從南海SST 年變化、隨緯度的變化、垂向變化和季節分布特征4個方面對南海海溫時空特征進行了全面分析，指出南海SST 高溫的持續時間較長，升溫過程比降溫過程相對短，溫度變化因緯度和季節的不同而存在差異；朱秀華等[3]采用綜合海洋-大氣數據集（Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set,COADS）和最佳內插值海表溫度（Optimum Interpo-lation Sea Surface Temperature,OISST）海洋氣象資料對南海SST 年際模態及其與季風強迫的關系進行探討，認為南海SST 存在25.6 M、36.6 M和42.7 M 的變化周期，指出南海SST 異常與厄爾尼諾（El Ni?o）密切相關，同時受經向風應力和Ekman抽吸的影響；Chen 等[4]研究認為南海海域秋季海水迅速增暖是由南海上空低層的異常反氣旋引起的，該反氣旋可以反過來增加10 月南海對太陽輻射的吸收，減少11—12月南海的蒸發降溫；曾強等[5]和梁衛等[6]分析了南海地區季風爆發前后幾周的南海多年平均SST 隨時間的演變和空間分布特征及其物理過程，指出南海夏季風爆發前后海溫變化受短波輻射、潛熱通量變化及西南氣流變化的影響；Wang等[7]研究了南海SST 年際變化與El Ni?o 的關系，結果表明南海SST 年際變化很大程度上受El Ni?o 驅動的海洋-大氣環流變化的影響，海洋-大氣環流的變化改變了南海近海層的氣溫、濕度、云量和季風環流，這些因素影響了海面熱通量和海洋環流，從而引起南海SST 變化；Tan 等[8]研究發現3 類不同El Ni?o 事件對El Ni?o 發展年南海秋季SST 存在不同影響，不同El Ni?o事件導致的潛熱通量變化差異是導致南海海溫變化差異的主要原因。

北部灣位于我國南海西北部，是一個相對封閉的海灣，東臨雷州半島、瓊州海峽和海南島，西靠越南，北臨廣西南部，南部與南海相連，也是南海的重要組成部分。北部灣位于南海季風區的西北部，其海岸帶處于海陸交接區，受特殊的地理位置和海陸兩種下墊面物理性質的差異影響。太陽輻射、季風氣候、潮汐潮流和入海河流等多種作用的影響，使灣內SST復雜多變。以往針對北部灣海域的SST研究相對較少。羅琳等[9]利用衛星遙感SST 資料對北部灣溫度鋒的季節變化與年際變化規律進行了探討；牙韓爭等[10]對北部灣冬季和夏季SST的分布、變化特征及影響因素進行了分析，認為緯向風、潛熱通量以及較強的El Ni?o 現象對北部灣SST 影響較大。2020 年夏秋季，北部灣發生了超級嚴重的珊瑚礁白化現象，這與北部灣SST異常密切相關。

本文從大氣環流形勢特征入手，重點對2020年夏秋季北部灣海域SST 異常變化特征及可能影響因素進行分析研究，采用合成分析和相關分析等方法研究大尺度環流異常對2020 年夏秋季北部灣海域SST 持續異常偏高的影響，并分析了熱帶太平洋與熱帶印度洋海溫異常對大氣環流異常的影響，以探討天氣氣候變化對局地海域高海溫的影響，為珊瑚礁白化預警預報提供氣候影響方面的參考依據。

2 資料和方法

本文所用資料主要包括：全球海洋數據同化實驗（Global Ocean Data Assimilation Experiment，GODAE）項目的多傳感器改進海表溫度（Multisensor Improved Sea Surface Temperature，MISST）資料，水平空間分辨率約為0.088°×0.088°；SST實測資料來自海南島周圍和北部灣站點月平均表層海溫實測資料；逐月大氣再分析資料為歐洲中期數值預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）全球氣候和天氣第五代再分析（the fifth generation ECMWF reanalysis for the global climate and weather，ERA5）資料，包含了全球逐月的高度場和風場，水平空間分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向從1 000～100 hPa共分12層等壓面；Ni?o3.4區指數來自美國國家氣候預測中心（Climate Prediction Center，CPC）；熱帶印度洋全區一致海溫模態（Indian Ocean Basin Warming mode，IOBW）和西太平洋副熱帶高壓（Western Pacific Subtropical High，WPSH）強度指數來自國家氣候中心。本文的MISST 數據因受資料時間長度所限，氣候平均值為2003—2020 年18 a 平均值，各站點海溫實測資料時間長度不同，平均值計算以各站點海溫實測資料時間長度為基準，其他變量計算距平值均采用基準年份（1981—2010年）。

本文利用逐月MISST 資料計算北部灣逐月SST的平均值和距平值，并作區域平均，以便分析北部灣SST 年變化和年際變化特征；利用ERA5 再分析資料分析2020 年夏秋季西北太平洋大尺度環流特征，同時與歷史同期北部灣SST 偏高年份的大尺度環流進行比較；在全球氣候變暖背景下，分別利用Ni?o3.4 區指數及IOBW 與WPSH 強度指數作相關分析，分析熱帶中、東太平洋及熱帶印度洋海溫異常對WPSH 的影響，從而分析兩者對北部灣海溫異常的影響。

3 北部灣SST異常偏高特征分析

北部灣2020 年1—9 月月平均SST 均高于常年同期（見圖1）。2020 年5 月開始SST 急劇升高，月平均SST超過28 ℃，隨后幾個月SST持續升溫，6月平均SST 達29.8 ℃，7—9 月月平均SST 高于30 ℃，尤其是9月月平均SST達到全年峰值，達30.6 ℃，也是2003 年以來MISST 資料計算得到的北部灣月平均SST 的最大值（圖略）。值得注意的是，9 月北部灣SST 月平均變化趨勢為正異常，與常年同期月平均變化呈相反趨勢，10月水溫回落至28 ℃以下。

圖1 2020年1—12月北部灣海域MISST逐月平均值Fig.1 Monthly mean MISST in Beibu Gulf from January to December 2020

圖2 為逐年6—9 月間各月以及合成的北部灣SST 距平。圖中可以看到，2020 年6—9月各月北部灣SST 均較常年同期偏高（見圖2a—d），8 月和9 月甚至達到歷史同期的峰值（見圖2c—d），尤其是9月，較常年同期偏高約1.3 ℃。2020 年6—9 月合成的平均SST 異常偏高（見圖2e），同時也達到歷史同期的峰值。海南島周邊及北部灣北部站點實測SST也可以佐證2020 年6—9 月北部灣SST 的持續異常偏高。從圖3 可以看到，除海南南側博鰲站與海南東南側烏場站外，其他各站點2020 年6—9 月平均SST 距平均達到有記錄以來的同期最大值，平均SST 均超過30 ℃（圖略），尤其是北部灣北部（潿洲站）、海南島北側（海口站）及西側（東方站和鶯歌海站），其中潿洲站在2020 年7 月更是測得32.3 ℃的高溫。

圖2 北部灣海域逐年6—9月各月和月平均MISST距平序列Fig.2 Anomalies time series of the monthly MISST and that averaged from June to September in Beibu Gulf

圖3 海南島周邊及北部灣北部站點實測逐年6—9月平均SST距平序列Fig.3 Anomalies time series of the SST averaged from June to September in the in-situ station around Hainan Province and northern Beibu Gulf

空間上，北部灣6—9 月海水異常偏暖呈現東北-西南方向階梯狀分布（見圖4），SST 距平從北部灣東北部向西南部逐漸遞減。北部灣東北角為海溫異常偏暖中心，6—9 月偏暖1 ℃以上；北部灣6—9 月各月SST 距平分布存在差異，其中7 月較6 月SST 距平超過0.5 ℃的范圍有所擴大，8 月較7 月距平超過0.5 ℃的范圍有所縮小，9月北部灣SST 距平基本超過1 ℃，海南島東北部海域SST 距平超過1.5 ℃，明顯高于6—8月。

圖4 2020年6—9月各月的北部灣海域MISST月平均距平分布（單位：℃）Fig.4 The distributions of monthly mean MISST anomalies in Beibu Gulf from June to September in 2020（unit：℃）

4 北部灣SST異常偏高可能成因分析

4.1 西北太平洋大氣環流異常

本節著重從大尺度環流的角度分析北部灣SST異常偏高的可能成因。研究表明[7，11-14]，SST 變化與海面潛熱通量和向下短波輻射通量密切相關。潛熱通量和短波輻射通量直接體現在海面風速與云量的變化上，兩者的變化主要受當地大尺度環流影響，因此，本節從分析西北太平洋大氣環流異常的角度來探討北部灣SST 異常偏高的可能原因。從圖2可以看到，從2014年起（除2018年外）6—9月北部灣SST 均異常偏高，本文選取6—9 月北部灣SST異常偏高的年份（2014 年、2015 年、2016 年、2017 年和2019 年）進行合成，分析2020 年6—9 月與歷史SST 偏高年份的大尺度環流的異同。圖5 為北部灣SST異常偏高的年份和2020年6—9月西北太平洋及南海地區上空的500 hPa高度場平均及距平、850 hPa風場距平、沿105°～110°E平均的垂直風場距平以及相對濕度距平剖面圖。從圖中可以看到，6—9 月北部灣SST 異常偏高的年份中WPSH 較氣候平均偏強、偏西，主體范圍偏大（見圖5a），850 hPa 南海-菲律賓以東洋面表現為反氣旋異常，北部灣位于反氣旋西側邊緣（見圖5c），沿105°～110°E 平均的垂直環流在北部灣海域為下沉區與上升區交界處，相對濕度偏低（見圖5e）。與歷史SST 偏高年份類似，2020 年6—9 月WPSH 更為偏強偏西（見圖5b），西北太平洋反氣旋更強并持續控制南海及西北太平洋大部海域（見圖5d），反氣旋中心除8 月沿東北向移至西北太平洋外，其余月份均位于南海北部（圖略）。對流層低層西北太平洋反氣旋持續控制南海海域，使得WPSH 異常偏強[7，14-16]，導致北部灣海域下沉氣流更明顯，相對濕度更低（見圖5f）。這表明2020年6—9月西北太平洋及南海大氣環流異常，為北部灣海域海水持續升溫提供了有利的氣候條件。從圖6 可以看出北部灣SST 持續異常偏高與WPSH密切相關。利用去掉線性趨勢的北部灣MISST 與WPSH 強度指數做相關分析，得到兩者相關系數為0.65，置信水平達到99%。WPSH 長期控制南海北部并異常偏強，一方面減弱了南海西南季風，抑制北部灣上空的對流活動，減少臺風等有著強烈海氣交換的天氣活動，從而減少北部灣海洋潛熱通量的損耗[7，10，13，17-18]和上層海洋混合[19]，另一方面使得北部灣海域下沉氣流偏強，云量明顯偏少，增加太陽對海表的短波輻射[4，7，13，18]，兩者的疊加影響最終導致北部灣SST持續異常升溫。

圖5 北部灣SST異常偏高年份與2020年6—9月平均大氣環流及距平場Fig.5 Averaged atmospheric circulation anomalies in June—September of the anomalously-high-SST years（left）and 2020（right）

圖6 2003—2020年標準化的6—9月平均北部灣MISST與WPSH強度指數時間序列Fig.6 Normalized time series of the MISST in Beibu Gulf and WPSH intensity indices in June to September from 2003 to 2020

4.2 熱帶太平洋與熱帶印度洋海溫異常的影響

Wang 等[7]研究表明，南海海溫異常主要受El Ni?o 驅動的大氣和海洋變化的影響。在El Ni?o 衰減年份，El Ni?o 引起大氣環流變化，并通過改變南海近地層的大氣溫度、濕度、云量和季風環流，從而改變南海的表層熱通量和海流，最終引起南海海溫變化。北部灣位于南海西北角，SST 異常偏高同樣受大氣環流異常的影響。

2019 年秋季赤道中、東太平洋暖海溫開始迅速發展。2019 年10 月—2020 年4 月，赤道中、東太平洋發生了一次偏弱的第一類中部型El Ni?o 事件（El Ni?o Modoki I）[20]，隨后逐漸降溫，2020 年春末恢復到ENSO中性狀態，夏季起赤道中、東太平洋海水逐漸趨冷，很快進入拉尼娜（La Ni?a）狀態。盡管此次El Ni?o事件強度不強，但太平洋海域的大尺度大氣環流對此次中部型El Ni?o 事件響應迅速，IOBW從2019年起表現出持續異常偏暖的特征。

El Ni?o 事件一般在秋、冬季達到峰值，次年春季開始衰減，到了夏季發生位相轉換，而IOBW常在冬季開始發展，第二年達到最強。El Ni?o發展年的秋、冬季，熱帶中、東太平洋暖海溫通過激發Rossby波，在西北太平洋地區激發異常反氣旋環流（西北太平洋反氣旋）。該反氣旋異常會加強WPSH，在El Ni?o 成熟階段后達到最強，并持續到El Ni?o 發展的次年夏季[14，21]，它是El Ni?o 影響南海天氣和氣候的重要因素。但在El Ni?o 衰減年的夏秋季，由于赤道中、東太平洋異常暖水已經減弱甚至趨冷，El Ni?o 通過Rossby 波對西北太平洋和東亞地區氣候的調制作用明顯減弱，此時菲律賓附近異常反氣旋環流和WPSH 偏強與同期El Ni?o 的關系并不密切，西北太平洋反氣旋被認為是由IOBW 通過赤道開爾文波遠程強迫維持[14-16，22]。眾多研究也表明，IOBW 是對El Ni?o 事件的滯后響應，在ENSO 衰減年起到了重要的“充電器”作用，延續了ENSO 對大氣環流和氣候異常的影響[13，15，21-22]。由圖7 可見，2020年5月Ni?o3.4區指數已經轉為負值，下半年負指數持續增強，赤道中、東太平洋逐漸轉為冷海溫，而IOBW 指數自2019—2020 年夏秋季一直維持較強的正位相。為去掉IOBW 年代際變化的影響，此處對IOBW 指數進行去掉線性趨勢處理，處理后的IOBW 為0.20，為1951 年來第八高值（圖略）。值得注意的是，去掉線性趨勢后IOBW 指數值最大的8 a中，除了1961 年和1962 年沒有發生El Ni?o 事件、2020 年為偏弱中部型El Ni?o 衰減年外，1972 年、1983 年、1987 年、1988 年、1998 年和2015 年均為較強或超強El Ni?o 發展或衰減年。這可能意味著較強的El Ni?o會引起IOBW 偏暖，這與以往的研究結果相一致[13-15、23-26]，但是IOBW 偏暖也有可能獨立于El Ni?o 而發生。2019/2020 年El Ni?o 事件強度偏弱，且到了2020 年夏季El Ni?o 事件基本結束，但熱帶印度洋卻異常增暖，IOBW異常偏暖通過開爾文波遠程強迫引起西北太平洋及東亞地區大氣環流異常，為北部灣SST異常升溫提供有利的大尺度環流條件。

圖7 2019年1月—2020年9月Ni?o3.4指數和IOBW指數時間序列Fig.7 Time series of Ni?o3.4 and IOBW indexes from January 2019 to September 2020

分別利用去掉線性趨勢的逐月Ni?o3.4 區指數、IOBW 指數與6—9 月逐月平均的北部灣MISST做超前滯后相關分析。從圖8 可以清楚地看出，去掉線性趨勢的IOBW 指數與6 月北部灣MISST 同期、超前1～4 M 和滯后1 M 正相關，與7 月北部灣MISST 同期和超前1～6 M 正相關，與8 月北部灣MISST超前1～2 M正相關，與9月北部灣MISST同期、超前1～2 M 和滯后1M 正相關（見圖8a）。去掉線性趨勢的Ni?o3.4 區指數與6 月北部灣MISST 同期和超前1～6 M 正相關，與7 月北部灣MISST 超前3～6 M 正相關，與8 月和9 月北部灣MISST 相關性不大（見圖8b）。由此可見，赤道中、東太平洋海溫異常通過Rossby 波對北部灣MISST 的影響是逐漸減弱的，持續不到半年，夏秋季基本無直接影響；而熱帶印度洋SST 異常對北部灣MISST 的影響時間相對較長，可持續半年左右。本文還分析了去掉線性趨勢的逐月Ni?o3.4區指數、IOBW指數和6—9月逐月平均的WPSH 強度指數的相關系數（圖略），發現其與去掉線性趨勢的逐月Ni?o3.4 區指數、IOBW 指數和6—9 月逐月平均的北部灣MISST 的相關系數變化趨勢基本一致。這也進一步證明，2020 年夏秋季北部灣SST 異常偏高在很大程度上是由持續偏暖的IOBW引起WPSH持續異常偏強導致的，而El Ni?o事件可能通過引起印度洋—西太平洋之間的海氣相互作用來延續El Ni?o 對WPSH 的影響[14、21]。此分析結果表明，El Ni?o 事件衰減和IOBW 的持續偏強共同加劇了2020 年夏秋季北部灣SST異常升溫。

圖8 2003—2020年逐月（a）IOBW指數、（b）Ni?o3.4區指數與6—9月逐月平均北部灣MISST的超前滯后相關系數（所有變量均去掉線性趨勢，短虛線和長虛線分別表示置信水平達到90%和95%）Fig.8 Lead-lag correlation coefficient of monthly MISST in Beibu Gulf from June to September with monthly（a）IOBW and（b）Ni?o3.4 indexes during 2003—2020，respectively（The long term trends of all the monthly mean variables have been removed，The short dotted line and long dotted line indicate values at 90%and 95%confidence level，respectively）

另外，還應該注意到全球變暖趨勢可能對北部灣海水增溫也有著重要影響。觀測和模式結果都表明全球變暖背景下SST 隨之升高[27-28]。黃雪松等[29]分析發現1963—2004 年潿洲島年均SST 與全球溫度距平成準同步變化趨勢，20世紀80年代后期以來，年均SST 以0.33 ℃/10 a 的速率波動上升，略大于全球上升率。1951—2020 年逐年6—9 月平均IOBW 和WPSH 強度指數均呈波動上升趨勢（見圖9），兩者變化趨勢基本一致，而Ni?o3.4 區海溫上升趨勢不明顯（圖略）。2020 年6—9 月IOBW 和WPSH 強度指數均為1951 年以來的第二高值（見圖9），兩者最高值分別出現在2015 年（超強El Ni?o年）和2010 年（El Ni?o 向La Ni?a 發展年）。而2003—2020 年逐年6—9 月北部灣平均SST 同樣存在波動上升趨勢，其變化趨勢與IOBW 和WPSH 強度指數的變化基本一致（圖略）。圖10 為6—9 月北部灣SST 與IOBW 和Ni?o3.4 區指數標準化變量的時間序列。2020 年6—9 月北部灣平均MISST 與IOBW和WPSH 強度指數的相關系數分別為0.65 和0.81，置信水平均達到99%，與Ni?o3.4 區指數的相關系數僅為-0.02，未達到置信水平。可見，在全球氣候變暖背景下IOBW 趨向更暖，WPSH 趨向更強，這對北部灣海水增溫有著重要影響。此外，全球氣候變暖趨勢更容易導致極端天氣氣候事件的發生[27]，熱相關氣候影響驅動因子將增多。北部灣SST 異常偏暖也許是熱帶海洋海溫異常影響疊加在全球氣候變暖趨勢上的最終結果，是全球氣候變暖的一個局地氣候反應。

圖9 1951—2020年6—9月平均IOBW和WPSH強度指數標準化變量時間序列Fig.9 Normalized time series of the IOBW and WPSH indexes in June-September from 1951 to 2020

圖10 2003—2020年標準化的6—9月北部灣平均MISST、IOBW指數和Ni?o3.4區指數時間序列Fig.10 Normalized time series of the MISST in Beibu Gulf，IOBW and Ni?o3.4 indexes in June-September from 2003 to 2020

4.3 其他因素對北部灣SST的影響

影響北部灣SST 的因素很多，除了大尺度大氣環流外，可能還受其他因素，如地理環境（河流、植被和地形等）和洋流等影響。根據蘇志等[30]的研究，特殊的地理位置和海陸兩種下墊面物理性質的差異形成北部灣海岸帶獨特的氣候，北部灣海岸帶地勢大體北高南低，從北至南分別為山脈、丘陵、灘涂和淺海，北部灣海岸帶自西向東分布著多條河流，如紅河等。紅河流域位于我國西南部地區，其出海口位于北部灣西側，地形復雜、嶺谷交錯，夏季同時受印度季風和東亞季風的影響，極端降水的時空分布規律比較復雜。紅河流域地勢自西北向東南傾斜，無量山、哀牢山和黃連山山脈近似南北走向，對西南季風有阻隔作用，同時朝東南向的河谷也成為東南季風溯江而上的水汽通道，造成紅河下游多雨的氣候特征[31-32]。紅河下游流域的氣候變化對北部灣的氣象水文有著重要影響。北部灣特殊的地理位置和獨特的氣候使得北部灣海岸西段迎風坡多、東段背風坡多，導致北部灣海岸帶降水量呈西多東少分布，使得海水水體交換西多東少。云雨量多的地方大氣透明度差，到達地面的太陽短波輻射減少，因此，北部灣海岸帶接收太陽輻射西少東多。此外，北部灣存在明顯的季節性洋流，夏季因西南季風推動形成順時針方向的環流，西南風將較低緯度地區的暖水沿北部灣西側吹至東北部，而西南部表層海水由于次表層冷水上翻導致海溫降低。因此，降雨西多東少、接收太陽輻射西少東多以及夏季的季節性洋流可能是導致北部灣6—9月海水異常偏暖并呈現東北-西南方向階梯狀分布的重要原因。

5 總結

本文著重從天氣和氣候的角度分析探討了北部灣SST 異常高溫的可能成因，并簡單分析了地理環境和洋流等因素對北部灣SST 分布的影響。結論如下：

（1）2020 年夏秋季北部灣海域SST 持續異常偏高，6—9月平均SST為歷史記錄最高溫。

（2）北部灣SST 異常與西北太平洋大尺度大氣環流異常密切相關，2020 年夏秋季西太平洋副熱帶高壓持續異常偏強、偏西，低層異常反氣旋環流長期維持在南海北部，北部灣下沉氣流持續偏強，導致南海夏季風持續偏弱，臺風等有著強烈海氣交換的天氣活動明顯偏少，為北部灣SST 持續異常偏高提供極為有利的大氣環流條件。大尺度大氣環流異常使得北部灣潛熱通量和上層海洋混合顯著減少，太陽短波輻射顯著增強，這些因素共同導致北部灣SST持續異常偏高。

（3）前期El Ni?o衰減與熱帶印度洋全區一致海溫模態持續異常偏暖是導致北部灣SST 異常增暖的重要外強迫因素，兩者通過遠程強迫加強了西北太平洋反氣旋，使其長時間維持并異常偏強，從而使西太平洋副熱帶高壓進一步加強，北部灣長期處于其控制下，最終導致其2020 年夏秋季持續異常高溫。

此外，北部灣SST 異常偏暖可能與全球氣候變暖趨勢也存在相關。全球氣候變暖會改變全球的大氣環流形勢，通過海洋和大氣以及陸地和大氣的相互作用影響到局地氣候。北部灣SST 異常偏暖也許是熱帶海洋SST 異常疊加在全球氣候變暖趨勢上的最終結果，是全球氣候變暖的一個局地氣候反應。

本研究有利于把握北部灣SST 偏高的大尺度大氣環流的分布形態，以及海溫外強迫通過影響大尺度大氣環流進而對北部灣海域SST 產生的影響，有助于深刻認識和理解大尺度大氣環流異常和大洋SST變化異常對局地SST變化的影響。把握北部灣SST 異常升高的氣候背景，可以提供其海域珊瑚礁白化相關的氣候背景信息，從而為珊瑚礁白化預警和預報提供科學的參考依據。