1985–2019 年南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力時空變化研究分析

陸永強(qiáng)，陳正華*，余克服*，何鑫，張威，蘭思香

( 1. 廣西大學(xué) 海洋學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 廣西大學(xué) 廣西南海珊瑚礁研究重點實驗室，廣西 南寧 530004；3. 廣西大學(xué)珊瑚礁研究中心，廣西 南寧 530004)

1 引言

珊瑚礁是世界上生物多樣性最豐富的生態(tài)系統(tǒng)，被稱為海洋里的“熱帶雨林”，對人類和海洋生物有著重要的意義[1–2]。近幾十年來全球氣候變暖造成海表溫度（SST）上升[3]，導(dǎo)致大規(guī)模珊瑚礁白化和死亡[4]。SST超過夏季最高溫度1℃，珊瑚便會受到熱壓力影響排出體內(nèi)共生的藻類（或共生蟲黃藻失去體內(nèi)色素），珊瑚露出白色的碳酸鈣骨架，這種現(xiàn)象稱為白化[5–6]。若熱壓力增強(qiáng)或持續(xù)時間過長，珊瑚就會死亡[7]。珊瑚白化對珊瑚礁的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，預(yù)計21 世紀(jì)末全球暖化將導(dǎo)致珊瑚礁減少75%[8]。

我國珊瑚礁主要分布在南海諸島，面積約為30 000 km2，占世界珊瑚礁面積的5%[9–10]。研究發(fā)現(xiàn)南海諸島珊瑚礁正處于快速退化狀態(tài)[11–12]，如西沙群島2005–2006 年活珊瑚平均覆蓋度為65%～70%[13]，到2015 年西沙群島活珊瑚平均覆蓋度為16.3%[11]。南海諸島珊瑚礁是易受熱壓力影響的地區(qū)之一[14]。有研究表明南海諸島珊瑚礁的熱壓力、白化和死亡與厄爾尼諾（El Ni?o）存在緊密的聯(lián)系[15]，El Ni?o 一方面通過大氣橋理論與南海進(jìn)行大氣環(huán)流[16]，另一方面呂宋海峽海流將El Ni?o 與南海相連[17]。珊瑚白化與熱壓力有直接關(guān)系[18]，在南海諸島珊瑚礁退化的背景下，亟需對南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力及El Ni?o 對其影響展開研究。對于珊瑚礁熱壓力和白化的研究，傳統(tǒng)研究手段大多集中在部分島礁，南海諸島珊瑚礁分布零散，研究人員無法定期訪問所有珊瑚礁區(qū)域[19]。遙感具有覆蓋范圍廣、時間空間分辨率高、成本低、可實現(xiàn)連續(xù)觀測等特點，隨著遙感技術(shù)的迭代升級，大范圍的珊瑚礁區(qū)監(jiān)測可以通過遙感衛(wèi)星實現(xiàn)[20–21]。

本文將使用美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）珊瑚礁監(jiān)測中心（CRW）的1985–2019 年每日5 km分辨率SST 數(shù)據(jù)集[22–23]，對南海諸島珊瑚礁區(qū)的熱壓力進(jìn)行時空變化分析，基于熱壓力評估珊瑚礁白化和死亡的風(fēng)險。一方面可以探究珊瑚礁對大規(guī)模熱壓力的抵抗能力[24]，另一方面可以找出珊瑚礁熱脅迫最小的地點，以便找出合適珊瑚礁區(qū)避難所[25–26]。珊瑚白化與El Ni?o 顯著相關(guān)[27]，本文將對珊瑚礁區(qū)熱壓力和El Ni?o 進(jìn)行相關(guān)性分析，量化El Ni?o 對南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力變化的影響。對南海諸島珊瑚礁熱壓力的研究，有利于科學(xué)管理南海珊瑚礁，推進(jìn)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[28]。

2 數(shù)據(jù)來源和方法

2.1 研究區(qū)域

珊瑚礁數(shù)據(jù)從全球珊瑚礁分布（Global Distribution of Coral Reefs）網(wǎng)站獲取，網(wǎng)址https://data.unep-wcmc.org/datasets/1。南海諸島珊瑚礁遠(yuǎn)離陸地受到人類活動影響較小，本文將南海諸島珊瑚礁作為研究區(qū)。為了準(zhǔn)確評估珊瑚礁區(qū)的熱壓力時空變化，本文將南海珊瑚礁進(jìn)行20 km 緩沖擴(kuò)展來表示南海珊瑚礁研究區(qū)[29]。緩沖后的珊瑚礁區(qū)主要分布在東沙群島、西沙群島、中沙群島（黃巖島）和南沙群島（圖1a）共4 851個像元，因此本文便將南海珊瑚礁研究區(qū)分為東沙珊瑚礁區(qū)（20°20′～21°10′N，116°26′～117°10′E）、西沙珊瑚礁區(qū)（15°32′～17°18′N，110°59′～112°58′E）、中沙珊瑚礁區(qū)（14°53′～15°25′N，117°29′～118°03′E）和南沙珊瑚礁區(qū)（7°03′～12°13′N，109°23′～118°02′E）。

圖1 南海諸島珊瑚礁研究區(qū)Fig. 1 Location of coral reef regions in the South China Sea islands

2.2 數(shù)據(jù)來源

2.2.1 海表溫度

海表溫度數(shù)據(jù)選取自美國國家大氣與海洋中心管理局珊瑚礁觀測計劃中心( https://coralreefwatch.noaa.gov/index.php)的兩組數(shù)據(jù)集：（1）1985 年1 月1 日至2019 年12 月31 日的每日更新5 km SST 數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集是CRW 在2014 年發(fā)布的每日5 km 分辨率的海表溫度產(chǎn)品，時間跨度是1985 年至今[23]；（2）3.1 version 5 km 分辨率的最熱月平均數(shù)據(jù)（The Maximum Monthly Mean, MMM），MMM 代表1985–2012 年每個像元最熱月平均氣候SST 值[30]。

2.2.2 ONI

本文選取熱帶太平洋（5°N～5°S, 120°～170°W）海域（即Ni?o 3.4 區(qū)）的海表溫度異常（Oceanic Ni?o Index, ONI）來表征El Ni?o。ONI 來源于NOAA 氣候預(yù)測中心（Climate Prediction Center, CPC）發(fā)布的第五版數(shù)據(jù)集 (https://origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ENSOstuff/ONI_v5.php)，時間選擇1985 年3 月至2019 年12 月。當(dāng)Ni?o 3.4 區(qū)的海表溫度距平值連續(xù)5 個月超過0.5℃就可以被判定為一次El Ni?o 事件。

2.3 研究方法

2.3.1 周熱度

周熱度（Degree Heating Week, DHW）是表示熱壓力大小的一個指標(biāo)[31]，表示珊瑚礁區(qū)域連續(xù)3 個月（12 周）海表溫度超過最熱月平均溫度（MMM）1℃及以上的累積值。本文用來描述1985–2019 年南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力的時空變化。本文逐像元提取南海諸島珊瑚礁區(qū)的SST 數(shù)據(jù)集和MMM 數(shù)據(jù)，基于CRW 開發(fā)的熱壓力計算方法算出白化熱點（HotSpot,HS）和DHW。其中，HS 是海表溫度超過最大月平均SST 時，表示某個時間點的珊瑚礁受到熱脅迫程度[32]。DHW 表示最近84 d HS 的累計值，在此期間只有HS超過1℃，珊瑚礁區(qū)才會受到熱脅迫累積[33]。DHW 可根據(jù)Liu 等[34]提出的計算公式求得：

式中， SSTdaily為每天5 km 分辨率的海表溫度；當(dāng) HS為負(fù)值時，珊瑚礁不受熱脅迫作用，HS 記為0，單位：℃；一個DHW 代表一星期的HS 大于1℃，單位為℃-周。參照CRW 珊瑚白化預(yù)警判斷標(biāo)準(zhǔn)[23,35]：當(dāng)DHW≥4℃-周時，珊瑚礁受到的熱脅迫使得珊瑚有白化風(fēng)險；隨著珊瑚礁受到熱脅迫的強(qiáng)度提升，當(dāng)DHW≥8℃-周時，珊瑚礁區(qū)的珊瑚存在死亡風(fēng)險。

2.3.2 熱壓力統(tǒng)計分析

熱壓力脅迫作用可能致使珊瑚礁白化，可用最大周熱度（Maximum DHW）來量化[36]。本文計算35 a 南海諸島珊瑚礁區(qū)時間序列（每天）逐像元（共4 851 個像元）DHW 值，逐像元提取每年最大周熱度（Annual Maximum DHW）的值。年最大DHW 可以表征當(dāng)年度最大的熱壓力強(qiáng)度，可用來評估南海諸島珊瑚礁受到熱壓力脅迫的程度及其可能的白化和死亡風(fēng)險[37]。基于NOAA CRW 的SST 數(shù)據(jù)集和MMM 數(shù)據(jù)集，計算得到35 a 4 851 個像元的年最大DHW 值。珊瑚礁區(qū)所受的熱壓力時空變化可以通過以下指標(biāo)來量化：（1）珊瑚礁區(qū)逐像元的最大DHW；（2）基于最小二乘法原理的線性趨勢擬合方法[38]來評估1985–2019 年珊瑚礁區(qū)年最大DHW 的變化趨勢；（3）珊瑚礁區(qū)最大DHW 發(fā)生的時間；（4）35 a 珊瑚礁區(qū)熱壓力造成珊瑚礁白化風(fēng)險（年最大DHW ≥ 4℃-周）和死亡風(fēng)險（年最大DHW ≥ 8℃-周）的頻數(shù)。

2.3.3 南海珊瑚礁分區(qū)

南海諸島珊瑚礁分布在不同緯度上。南沙珊瑚礁面積過大、經(jīng)緯度跨越范圍大，不利于南海諸島珊瑚礁空間異質(zhì)性體現(xiàn)。因此本文對南沙珊瑚礁區(qū)進(jìn)行分區(qū)，參照Mu?iz-Castillo 等[39]在加勒比海珊瑚礁的分區(qū)方法，將南沙珊瑚礁區(qū)35 a 的年最大DHW 進(jìn)行K-means 聚類分析。為了評估K-means 聚類模型的聚類能力與數(shù)據(jù)的分類效果，引入CH（Calinski–Harabaz）指數(shù)（K）[40]，指數(shù)值越高表明該聚類模型對數(shù)據(jù)的聚類效果越好。當(dāng)K=3 時CH 系數(shù)最大，聚類效果最好，南沙群島珊瑚礁可分為3 個研究區(qū)：南沙–1珊瑚礁區(qū)、南沙–2 珊瑚礁區(qū)和南沙–3 珊瑚礁區(qū)。因此南海珊瑚礁區(qū)（圖1b）為：東沙珊瑚礁區(qū)、西沙珊瑚礁區(qū)、中沙珊瑚礁區(qū)、南沙–1 珊瑚礁區(qū)、南沙–2 珊瑚礁區(qū)和南沙–3 珊瑚礁區(qū)。

2.3.4 DHW 與ONI 相關(guān)關(guān)系分析

El Ni?o 事件造成的熱通量變化是南海海域SST上升的主要原因[41]，本文將對珊瑚礁區(qū)的熱壓力與ONI 進(jìn)行相關(guān)性分析。首先對珊瑚礁區(qū)每日周熱度（Daily DHW）的值進(jìn)行月平均獲得6 個珊瑚礁區(qū)月均時間序列，提取每個珊瑚礁區(qū)DHW 的中位數(shù)代表其熱壓力，同時進(jìn)行pettie 非參數(shù)檢驗[42]，以確定6 個珊瑚礁區(qū)月均熱壓力顯著變化時間點。其次，本文對熱壓力和El Ni?o 進(jìn)行交叉小波分析（XWT），分析后者對前者的影響。交叉小波分析可以揭示南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力與El Ni?o 在時頻中高能量區(qū)的能量共振和協(xié)方差分布規(guī)律，呈現(xiàn)兩者的周期相似性和相位關(guān)系[43]，計算過程參考文獻(xiàn)[44]；El Ni?o 事件對南海的影響具有滯后性，為了量化南海諸島珊瑚礁區(qū)對El Ni?o 響應(yīng)的時滯效應(yīng)，最后本文對月均熱壓力和El Ni?o 時間序列進(jìn)行時滯相關(guān)分析[45]。

3 結(jié)果與討論

3.1 南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力特征分析

3.1.1 南海諸島珊瑚礁區(qū)最大DHW 的空間變化規(guī)律

本文逐像元提取1985–2019 年南海諸島珊瑚礁區(qū)最大DHW 的值。南海諸島珊瑚礁區(qū)最大DHW 空間變化如圖2 所示，最大DHW 的大小范圍為0～12.9℃–周，最大DHW 在空間上呈現(xiàn)西北往東南逐漸減少的變化：東沙珊瑚礁區(qū)受到熱脅迫最嚴(yán)重，熱脅迫最小的是在南沙–1 珊瑚礁區(qū)。約93.9%的珊瑚礁區(qū)DHW≥4℃–周，即熱壓力可能造成珊瑚礁白化的風(fēng)險，約19.6%的珊瑚礁區(qū)（東沙和部分西沙珊瑚礁區(qū)）DHW≥8℃–周，此時存在熱壓力造成珊瑚礁死亡的風(fēng)險。由圖3a 可以看出，南海諸島珊瑚礁區(qū)最大DHW 取值在5～6℃–周的像元數(shù)量最多（31.5%），主要分布在南沙和中沙珊瑚礁區(qū)。東沙珊瑚礁區(qū)最易受到熱壓力及其造成白化和死亡風(fēng)險的影響，因為最大熱壓力都大于11℃–周；西沙珊瑚礁區(qū)熱壓力都大于5℃–周；中沙珊瑚礁區(qū)熱壓力強(qiáng)度為4～7℃–周；南沙–1 珊瑚礁區(qū)熱壓力強(qiáng)度為2～7℃–周；南沙–2 珊瑚礁區(qū)熱壓力強(qiáng)度在4～8℃–周；南沙–3 珊瑚礁區(qū)熱壓力在4～11℃–周。

圖2 南海諸島珊瑚礁區(qū)年最大周熱度小提琴圖Fig. 2 The violin plots of the annual maximum degree heating week in the coral reef regions of the South China Sea islands

圖3 1985–2019 年南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力異質(zhì)性變化Fig. 3 Heat stress heterogeneity changes in the coral reef regions of the South China Sea islands from 1985 to 2019

本文結(jié)果顯示最大DHW 在緯度上呈現(xiàn)由北向南減小的變化規(guī)律（圖2，圖3a）。南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力和同緯度的印度洋珊瑚礁區(qū)熱壓力幾乎相同，印度洋珊瑚礁區(qū)最大DHW 為0～13℃-周[46]，明顯低于同緯度加勒比珊瑚礁區(qū)最大DHW 的0～25.6℃-周[29]。南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力最強(qiáng)區(qū)域在高緯度地區(qū)，加勒比珊瑚礁區(qū)最強(qiáng)區(qū)域在低緯度地區(qū)。出現(xiàn)緯度變化原因：一方面是南海SST 較低[47]，1988–2015 年南海珊瑚礁區(qū)年平均SST 未超過30℃，最高值在南沙珊瑚礁區(qū)，最低位于東沙珊瑚礁區(qū)；另一方面是該區(qū)域最熱月平均的值（MMM）較小，其在東沙珊瑚礁區(qū)最小，南沙珊瑚礁區(qū)最大，造成了熱壓力在東沙珊瑚礁區(qū)最大，南沙珊瑚礁區(qū)最小。

3.1.2 珊瑚礁區(qū)年最大DHW 變化趨勢

南海諸島珊瑚礁區(qū)的熱壓力在1985–2019 年呈上升趨勢，如圖3b 所示，研究區(qū)熱壓力上升趨勢的值在0.013～0.174（℃-周）/a 之間。在緯度上呈現(xiàn)由北向南逐漸變小：珊瑚礁區(qū)年DHW 變化趨勢最強(qiáng)的區(qū)域是東沙珊瑚礁區(qū)，都大于0.12（℃-周）/a；西沙珊瑚礁區(qū)年最大DHW 變化趨勢大于0.04（℃-周）/a；中沙珊瑚礁區(qū)年最大DHW 變化趨勢在0.06～0.12（℃-周）/a 的區(qū)間；南沙–1 珊瑚礁區(qū)年最大DHW 變化趨勢為0.02～0.08（℃-周）/a；南沙–2 珊瑚礁區(qū)年最大DHW 變化趨勢為0～0.08（℃-周）/a，在南海諸島珊瑚礁區(qū)中變化趨勢最小；南沙–3 珊瑚礁區(qū)年最大DHW變化趨勢是0.04～0.12（℃-周）/a。

本文研究結(jié)果顯示1985–2019 年南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力持續(xù)增強(qiáng)，與前人研究南海東沙、西沙和南沙珊瑚礁區(qū)的急性和慢性熱壓力都呈現(xiàn)升高趨勢一致[48]。枝狀珊瑚熱脅迫適應(yīng)性小于塊狀珊瑚，南海珊瑚優(yōu)勢屬從枝狀珊瑚屬逐漸轉(zhuǎn)化為塊狀珊瑚屬[47]，熱壓力增強(qiáng)是重要原因。東沙珊瑚礁區(qū)升溫最劇烈，增溫速率的值最大[49]。造成熱壓力上升最主要的因素可能是El Ni?o 事件對海水的增溫效果[50]，疊加人類氣溶膠排放增加導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)減弱[51]，云量減少使得太陽有效輻射增加和海氣交換的熱量損失降低等[52]。以上因素共同作用加強(qiáng)了熱壓力的增強(qiáng)趨勢，緯度上呈現(xiàn)由北向南遞減的現(xiàn)象。

3.1.3 珊瑚礁年最大DHW 發(fā)生的時間

南海諸島珊瑚礁區(qū)最大DHW 主要集中在特定的年份。如圖3c 顯示，南海珊瑚礁區(qū)最大DHW 出現(xiàn)的時間按像元比例由高到低分別為2010 年、2014 年、1998 年、2016 年、2019 年和其他年份，與El Ni?o 事件時間匹配[53]。約78.4%南海諸島珊瑚礁年最大DHW發(fā)生在2010 年，主要分布在南沙珊瑚礁區(qū)和中沙珊瑚礁區(qū)；其次是2014 年，占南海諸島珊瑚礁區(qū)像元比例約為17.6%，主要分布在西沙珊瑚礁區(qū)和南沙北部少許區(qū)域。第3 個最大年份DHW 發(fā)生在1998 年，占南海諸島珊瑚礁區(qū)像元比例約為2.2%，分布在東沙珊瑚礁區(qū)。約1.7%南海諸島珊瑚礁年最大DHW發(fā)生在2015 年、2016 年和2019 年。東沙珊瑚礁區(qū)年最大DHW 發(fā)生在1998 年和2007 年；西沙珊瑚礁區(qū)年最大DHW 發(fā)生在2014 年和2019 年；中沙珊瑚礁區(qū)年最大DHW 發(fā)生在2010 年、2014 年和2016 年；南沙–1 珊瑚礁區(qū)年最大DHW 發(fā)生在2010 年、2014 年和2015 年；南沙–2和南沙–3 珊瑚礁區(qū)年最大DHW 基本都發(fā)生在2010 年。

西沙珊瑚礁生態(tài)監(jiān)控區(qū)的監(jiān)測站（永興島及七連嶼）2007–2015 年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示[54]：平均活珊瑚覆蓋度由53.80%下降到5.44%。2011 年之前活珊瑚覆蓋度急速下降，2011 年之后基本平穩(wěn)；2012–2014 年活珊瑚覆蓋度有少許恢復(fù)，珊瑚補(bǔ)充量增多、珊瑚種類增多；2014 年之后活珊瑚平均覆蓋率與補(bǔ)充量降低。2007–2014 年，熱壓力不會造成珊瑚礁白化（圖2），人類活動、長棘海星暴發(fā)以及海洋pH 偏低等因素與SST 升高疊加是珊瑚覆蓋度降低的重要原因[55]。2014–2015 年熱壓力可能有造成西沙珊瑚礁發(fā)生白化的風(fēng)險（圖2），這可能是珊瑚礁再次退化的重要原因。2007 年5–6 月生態(tài)調(diào)查發(fā)現(xiàn)異常高溫和過度捕撈的威脅造成南沙群島渚碧礁和美濟(jì)礁至少35 種珊瑚發(fā)生白化[12]。本文結(jié)果顯示2007 年最大DHW 不會造成珊瑚礁白化的發(fā)生（圖2），說明南沙渚碧礁和美濟(jì)礁的珊瑚白化閾值可能小于4℃-周。珊瑚礁白化是多種因素共同作用，彼此相互影響的結(jié)果[13,56]，基于DHW 評估珊瑚礁白化可能存在低估的情況。

3.1.4 珊瑚礁區(qū)熱壓力造成白化和死亡風(fēng)險的頻數(shù)

本文逐像元提取南海珊瑚礁區(qū)1985–2019 年共35 個年最大DHW，頻數(shù)表示35 年的年最大周熱度可能造成珊瑚礁白化和死亡風(fēng)險的次數(shù)[4]。當(dāng)DHW≥4℃-周，熱壓力可能有造成珊瑚礁發(fā)生白化的風(fēng)險；DHW≥8℃-周，熱壓力可能有造成珊瑚礁發(fā)生死亡的風(fēng)險[37,57]。如圖3d 和圖3e顯示，1985–2019 年南海諸島珊瑚礁區(qū)DHW≥4℃-周的頻數(shù)為0～13 次，約93.9%的珊瑚礁可能有超過1 次白化的風(fēng)險；南海諸島珊瑚礁區(qū)DHW≥8℃-周的頻數(shù)為0～4 次，約19.6%的珊瑚礁可能有超過1 次死亡的風(fēng)險。DHW≥4℃-周和DHW≥8℃-周發(fā)生頻數(shù)在緯度上總體呈現(xiàn)由北向南遞減：東沙珊瑚礁區(qū)最容易受到白化和死亡風(fēng)險的影響，熱壓力可能造成該區(qū)全部珊瑚礁超過6 次白化風(fēng)險和2 次死亡風(fēng)險；西沙珊瑚礁區(qū)熱壓力可能造成該區(qū)全部珊瑚礁超過2 次白化風(fēng)險，約84.6%的珊瑚礁存在1 次死亡風(fēng)險；中沙珊瑚礁區(qū)熱壓力可能造成該區(qū)全部珊瑚礁超過3 次白化風(fēng)險；熱壓力可能造成南沙–1 珊瑚礁區(qū)約80%的珊瑚礁，南沙–2 和南沙–3 珊瑚礁區(qū)全部珊瑚礁超過1 次白化風(fēng)險，約18%的南沙–3 珊瑚礁區(qū)可能發(fā)生1 次珊瑚死亡事件，中沙、南沙–1 和南沙–2 珊瑚礁區(qū)都沒有發(fā)生死亡風(fēng)險。

東沙珊瑚礁區(qū)受到的熱壓力最大，可能經(jīng)歷過多次海表溫度異常導(dǎo)致珊瑚白化事件。這與前人的研究結(jié)果基本一致[58]，例如1998 年嚴(yán)重的熱白化導(dǎo)致東沙珊瑚礁潟湖內(nèi)的珊瑚大量白化（超過90%），到2007 年珊瑚礁僅呈現(xiàn)初步恢復(fù)或幾乎沒有恢復(fù)的狀態(tài)，異常高溫潟湖珊瑚礁再次發(fā)生白化[14]。然而，由于呂宋海峽潮汐產(chǎn)生了內(nèi)波，深部海水間歇上升使得東沙珊瑚礁區(qū)環(huán)礁北部和東部外礁斜坡的海表溫度驟降[59]，東沙環(huán)礁珊瑚覆蓋率仍然很高。內(nèi)波可能使東沙環(huán)礁成為一個獨特的珊瑚生態(tài)系統(tǒng)，東沙環(huán)礁未來可以作為珊瑚的熱避難所[58]。

3.2 El Ni?o 對南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力的影響

南海遠(yuǎn)岸海域SST 升高主要受到El Ni?o 事件導(dǎo)致熱通量變化影響[60]。為了研究南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力對El Ni?o 的響應(yīng)，本文逐像元對1985–2019年南海諸島6 個研究區(qū)每日DHW 進(jìn)行月平均處理，選取各礁區(qū)中位數(shù)代表其月平均DHW 值，得到如圖4所示的月平均DHW 時間序列數(shù)據(jù)：南海諸島珊瑚礁區(qū)較強(qiáng)的熱壓力主要出現(xiàn)在1998–1999 年、2010–2011 年和2014–2017 年。pettie 非參數(shù)檢驗表明南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力變化時間主要在2010–2014 年之間。東沙珊瑚礁區(qū)在1998 年，西沙珊瑚礁區(qū)在2014–2015 年，中沙和南沙3 個珊瑚礁區(qū)在2010 年觀測出最大熱壓力事件。1988 年以來南海諸島珊瑚礁區(qū)便受到熱壓力的影響，自2010 年以后，南海諸島珊瑚礁區(qū)大部分區(qū)域便受到持續(xù)的熱壓力作用。同時，本文發(fā)現(xiàn)El Ni?o 事件發(fā)生后南海諸島熱壓力存在一定時間的滯后增強(qiáng)的現(xiàn)象。

圖4 1985–2019 年珊瑚礁區(qū)月平均周熱度（DHW）和ONI 時間序列Fig. 4 Time series of monthly mean degree heating week (DHW) of coral reef area and oceanic Ni?o index (ONI) from 1985 to 2019

時間序列顯示南海諸島珊瑚礁熱壓力受到El Ni?o 影響（圖4），兩者間的相關(guān)特征及周期有待進(jìn)一步深入研究。交叉小波分析可以確定熱壓力與El Ni?o顯著共振周期性，相互影響的時延相關(guān)特征和時頻位相關(guān)系。圖5 為南海諸島珊瑚礁月平均DHW 與ONI的交叉小波功率譜，呈現(xiàn)出間歇式的相位動態(tài)變化特征：6 個珊瑚礁區(qū)共同存在3 個主要16～64 個月的顯著共振周期：1998–2000 年、2010–2012 年以及2014–2017 年。1985 年之后，南海珊瑚礁的熱壓力受到El Ni?o 的影響不斷增強(qiáng)，2014–2015 年之后有所減弱。6 個珊瑚礁區(qū)的小波功率譜也有不同，東沙珊瑚礁區(qū)1998–1999 年受到El Ni?o 影響最強(qiáng)，兩者存在16～64 個月的顯著共振周期；西沙珊瑚礁區(qū)直到2014 年受到El Ni?o 影響弱，2014–2017 年兩者存在8～16個月的顯著共振周期；中沙、南沙–1 和南沙–3 珊瑚礁區(qū)在2010–2012 年16～64 個月的顯著共振周期；南沙–2 珊瑚礁區(qū)2010 年之前受到El Ni?o 影響最小。

圖5 東沙（a）、西沙（b）、中沙（c）、南沙–1（d）、南沙–2（e）、南沙–3（f）珊瑚礁區(qū)月平均周熱度（DHW）和ONI 的交叉小波能量譜Fig. 5 The cross wavelet transform characteristics of monthly mean degree heating week (DHW) of Dongsha (a), Xisha(b), Zhongsha (c), Nansha–1 (d), Nansha–2 (e), and Nansha–3 (f) coral reef area with oceanic Ni?o index (ONI)

6 個珊瑚礁研究區(qū)熱壓力事件最強(qiáng)時間段（1998–2000 年、2010–2012 年以及2014–2017 年）與El Ni?o 發(fā)生的時間基本吻合，總體呈現(xiàn)反相位變化，通過顯著性檢驗的粗黑線區(qū)域內(nèi)箭頭總體特征表現(xiàn)為向上，表明El Ni?o 在主要周期尺度領(lǐng)先熱壓力不少于π/2 個相位。DHW 對ONI 的響應(yīng)具有滯后性，ONI 值越大，南海諸島珊瑚礁熱壓力越大，造成珊瑚白化和死亡的可能性越大。

交叉小波分析已確認(rèn)南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力與El Ni?o 具有多時段顯著滯后共振周期，但是滯后時間不明確。因此本文使用時滯相關(guān)分析研究熱壓力與El Ni?o 的時滯關(guān)系。結(jié)果如圖6 所示：El Ni?o與南海諸島熱壓力之間存在較弱的正相關(guān)（r＞0），存在7～9 個月的滯后時間，與賈丹丹等[49]分析南海SSTA 滯后于El Ni?o 3.4 區(qū)7～8 個月時間基本一致。其中，東沙和西沙珊瑚礁區(qū)滯后El Ni?o 9 個月時間（圖6a，圖6b），中沙珊瑚礁區(qū)滯后El Ni?o 8 個月時間（圖6c），南沙3 個珊瑚礁區(qū)均滯后El Ni?o 7 個月時間（圖6d 至圖6f）。總之，El Ni?o 事件發(fā)生后產(chǎn)生的延遲效應(yīng)致使7～9 個月后南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力增強(qiáng)，ONI 越高DHW 越強(qiáng)，珊瑚受到的熱脅迫越嚴(yán)重。

圖6 東沙（a）、西沙（b）、中沙（c）、南沙–1（d）、南沙–2（e）、南沙–3（f）珊瑚礁區(qū)月平均周熱度（DHW）與ONI 時滯分析Fig. 6 Time lag analysis between monthly mean degree heating week (DHW) of Dongsha (a), Xisha (b), Zhongsha (c), Nansha-1 (d),Nansha-2 (e), and Nansha-3 (f) coral reef area with oceanic Ni?o index (ONI)

4 結(jié)論

本文首先提取南海諸島6 個珊瑚礁區(qū)年最大DHW 來研究其熱壓力時空變化規(guī)律，并基于年最大DHW 評估珊瑚礁白化和死亡風(fēng)險。其次計算南海諸島6 個珊瑚礁區(qū)月平均DHW，利用交叉小波相關(guān)分析法和時滯相關(guān)分析對月平均DHW 和ONI 進(jìn)行相關(guān)性分析。得到以下結(jié)論：1985–2019 年南海諸島珊瑚礁區(qū)中的熱壓力為0～12.9℃–周，呈上升趨勢，在緯度上由北到南呈遞減變化；南海諸島珊瑚礁區(qū)最大DHW 主要發(fā)生在2010 年、2014 年和1998 年；南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力可能造成珊瑚礁白化風(fēng)險（DHW≥4℃–周）和死亡風(fēng)險（DHW≥8℃–周）的頻數(shù)也緯度上由北到南呈遞減變化：93.9%的南海諸島珊瑚礁區(qū)可能會發(fā)生一次白化風(fēng)險，80.4%的珊瑚礁區(qū)熱壓力不會引起珊瑚死亡；東沙珊瑚礁區(qū)受到的熱壓力最強(qiáng)，熱壓力可能造成珊瑚白化和死亡的風(fēng)險頻數(shù)最大，南沙–1 珊瑚礁區(qū)受到熱壓力的影響最少。El Ni?o 事件影響了南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力（1998–1999 年、2010–2011 年和2014–2017 年）變化，El Ni?o和熱壓力之間存在16～64 個月顯著共振周期的反相位關(guān)系，南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力會隨著El Ni?o 事件發(fā)生而滯后增大，南海諸島珊瑚礁區(qū)熱壓力滯后El Ni?o 事件7～9 個月的時間。大部分區(qū)域2010 年以后熱壓力強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，珊瑚礁白化和死亡風(fēng)險增加。結(jié)合西沙珊瑚礁站點監(jiān)測和南沙（美濟(jì)礁和渚碧礁）珊瑚礁調(diào)查數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)多因素互相作用會導(dǎo)致珊瑚礁發(fā)生白化，基于熱壓力對南海諸島珊瑚礁區(qū)白化評估存在低估的可能，南海諸島珊瑚礁的白化閾值可能小于4℃–周。