中國(guó)北部近海超級(jí)赤潮與西北太平洋海氣相互作用的關(guān)聯(lián)分析

張 超,胡 俊,沈 輝,郭振海,段安民*

(1.廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院,近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361102;2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;3.浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心,浙江 杭州 310007)

赤潮被稱為“紅色幽靈”,通常指海水中藻類和菌類暴發(fā)性繁殖或聚集從而引起水體變紅色的現(xiàn)象.赤潮的暴發(fā)往往伴隨著海洋中的溶解氧快速消耗,有毒藻類釋放大量毒素,使得海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡遭受破壞甚至危害人體健康和生命安全[1-4].中國(guó)近海(以下簡(jiǎn)稱近海)面積遼闊,總面積超過(guò)470萬(wàn)km2[5].近海漁場(chǎng)超過(guò)146萬(wàn)km2,約占總近海面積的1/3,且常受到赤潮的影響[2-4,6].因此,有關(guān)近海赤潮的成因和機(jī)制越來(lái)越受到科學(xué)界和決策者的關(guān)注.

氣溶膠輸送引起的化學(xué)過(guò)程和氣候水文有關(guān)的熱動(dòng)力過(guò)程是近海赤潮發(fā)生的重要?dú)庀笠蛩豙4,6-13].例如:Tian等[7]根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果指出東海上空氣溶膠的輸送與大面積赤潮的發(fā)生呈高相關(guān);趙秀逸等[8]綜述了大氣酸化過(guò)程將不溶性鐵轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄澡F的機(jī)制,以及干沉降過(guò)程誘發(fā)赤潮發(fā)生的機(jī)制;Jing[11]的研究指出濕沉降是赤潮發(fā)生的重要過(guò)程之一;翁煥新等[12]提出夏季風(fēng)暴發(fā)為東海赤潮的大規(guī)模發(fā)生提供了重要的水汽條件;此外,竇勇等[13]認(rèn)為厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)與近海赤潮的面積存在一定的聯(lián)系.

赤潮事件,尤其是超大規(guī)模的赤潮往往造成極其嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失.據(jù)《中國(guó)海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》公開(kāi)數(shù)據(jù)(http:∥www.mnr.gov.cn/sj/sjfw/hy/gbgg/zghyzhgb/)顯示:2000年5月發(fā)生在臺(tái)州列島附近海域的赤潮,面積達(dá)5 800 km2,造成漁業(yè)損失約1.5億元;2010年6—7月發(fā)生在秦皇島至綏中沿岸海域的赤潮,面積達(dá)3 350 km2,造成直接經(jīng)濟(jì)損失約2億元.但關(guān)于上述大規(guī)模超級(jí)赤潮事件的成因,特別是海氣相互作用在其中的影響尚不明確.因此,本研究通過(guò)合成和相關(guān)分析研究晚冬北太平洋海溫異常和隨后5—6月中國(guó)北部近海超級(jí)赤潮之間的聯(lián)系,再通過(guò)波動(dòng)力診斷、合成分析等方法探索其中的可能影響機(jī)制,以期深化對(duì)海氣相互作用影響中國(guó)近海極端赤潮發(fā)生機(jī)制的認(rèn)識(shí).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

本研究使用的數(shù)據(jù)均為公開(kāi)數(shù)據(jù),包括:1) 2000—2021年共22年中國(guó)近海赤潮觀測(cè)資料,數(shù)據(jù)來(lái)源為中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)(http:∥mds.nmdis.org.cn);2) 全球逐月降水?dāng)?shù)據(jù)(Global Precipitation Climatology Project,GPCP)[14],分辨率為2.5°×2.5°的網(wǎng)格場(chǎng),時(shí)間尺度為1979年1月至今,網(wǎng)站鏈接為https:∥www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.gpcp.html;3) 美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心-能源部提供的第2套再分析數(shù)據(jù)[National Centers for Environmental Prediction-Department of Energy (NCEP-DOE) Reanalysis-2,NCEP-DOE R2][15],包括逐月的高度場(chǎng)、垂直速度、相對(duì)濕度和風(fēng)場(chǎng)等,水平分辨率為2.5°×2.5°,垂直方向17層,時(shí)間尺度為1979年1月至今,數(shù)據(jù)鏈接為ftp:∥ftp.cdc.noaa.gov/Datasets/;4) 哈德來(lái)氣象中心提供(Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature,HadISST)的逐月海表溫度資料[16],水平分辨率為1°×1°,時(shí)間尺度為1870年1月至今,網(wǎng)站鏈接為https:∥www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadisst/data/;5) 歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF)提供的多源衛(wèi)星反演的氣溶膠光學(xué)厚度(aerosal optical depth,AOD)數(shù)據(jù)集[17],時(shí)間尺度為1995年1月至今,水平分辨率為1°×1°,該數(shù)據(jù)鏈接為https:∥cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/satellite-aerosol-properties?tab=overview.

1.2 方 法

為考察大氣遙相關(guān)波列的傳播,根據(jù)高度場(chǎng)的異常場(chǎng)和相應(yīng)的氣候態(tài),可計(jì)算與能量頻散相關(guān)的波活動(dòng)通量(wave activity flux,WAF).Takaya等[18]推導(dǎo)出大氣Rossby波的波通量(W)計(jì)算公式:

W=

其中,U=(U,V)代表地轉(zhuǎn)風(fēng),φ代表流函數(shù),右下角標(biāo)則表示偏導(dǎo)數(shù).

西北太平洋偶極子(western North Pacific dipole,WNPD)指數(shù)表現(xiàn)為西北太平洋南部和北部海域海表溫度(sea surface temperature,SST)反相變化的空間分布.當(dāng)WNPD為正位相時(shí),西北太平洋南部海域?yàn)槔銼ST異常,而北部海域?yàn)榕疭ST異常.WNPD指數(shù)的計(jì)算方案采用西北太平洋北部海域(160° E～172° W, 40°～52° N)減去南部海域(125° E～178° W, 20°～32° N)SST面積加權(quán)平均,再求其標(biāo)準(zhǔn)差.

本研究使用的統(tǒng)計(jì)方法包括超前-滯后合成分析法、相關(guān)分析法,統(tǒng)計(jì)量(如降水量、SST和AOD等)服從正態(tài)分布,故選擇雙側(cè)Student’st-檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量的可信度檢驗(yàn)[19].

2 結(jié)果與分析

2.1 超級(jí)赤潮與SST之間的關(guān)聯(lián)

從2000—2021年共22年的近海赤潮數(shù)據(jù)中,選擇每年赤潮面積最大的赤潮事件作為研究對(duì)象,共22次,這些赤潮面積在500 km2以上,最大達(dá)7 000 km2,存在較大的年際變率.所有赤潮事件的持續(xù)時(shí)間均超過(guò)一星期,其中有60%赤潮面積達(dá)1 000 km2以上,且持續(xù)時(shí)間超過(guò)半個(gè)月以上,故將這些大規(guī)模且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的赤潮事件稱為近海超級(jí)赤潮.此外,從起止時(shí)間來(lái)看,近海超級(jí)赤潮集中在5—6月的有17次,占總樣本數(shù)的77%.以下研究分析每年發(fā)生在5—6月的近海超級(jí)赤潮.

中國(guó)的近海區(qū)域南北貫穿,涉及熱帶、亞熱帶和暖溫帶,氣候差異極大[3-5].為便于分析,本研究主要關(guān)注亞熱帶和暖溫帶分界線(秦嶺-淮河)以北的近海區(qū)域,即34° N以北的渤海-黃海區(qū)域(中國(guó)北部近海).中國(guó)北部近海超級(jí)赤潮(后文簡(jiǎn)稱超級(jí)赤潮)集中在2004年和2009—2015年共8年[圖1(a)];超級(jí)赤潮的發(fā)生對(duì)應(yīng)著降水負(fù)異常[圖1(b)],即超級(jí)赤潮與干沉降過(guò)程相關(guān),該結(jié)論與已有研究中一般赤潮的形成過(guò)程基本一致[8,12];其中2004年6月11日發(fā)生在渤海灣的超級(jí)赤潮[圖1(c)]面積達(dá)1 850 km2,為有毒性的球形棕囊藻(Phaeocystisglobosa).需要注意的是,本研究從海氣相互作用和與之有關(guān)的大氣環(huán)流角度探討二者的關(guān)系.海洋環(huán)境等要素對(duì)赤潮的暴發(fā)也很重要,但超出本研究范疇.

超級(jí)赤潮的發(fā)生與同期5—6月和前期3—4月的西北太平洋SST異常基本不相關(guān)[圖2(a)和(b)];但與前期1—2月的西北太平洋偶極型SST異常顯著相關(guān)[圖2(c)],相關(guān)系數(shù)達(dá)0.66,解釋方差為45%,通過(guò)99.9%的可信度檢驗(yàn),表明晚冬西北太平洋偶極型SST異常與隨后5—6月的超級(jí)赤潮顯著相關(guān).

超級(jí)赤潮年份的SST減去其氣候態(tài),得到同期5—6月(a)、前期3—4月(b)和1—2月(c)的SST異常場(chǎng).(c)中兩個(gè)框選的區(qū)域分別表示與超級(jí)赤潮有關(guān)的關(guān)鍵區(qū),紫色“×”表示SST異常超過(guò)90%的可信度檢驗(yàn)(下同).圖2 SST異常超前合成場(chǎng)Fig.2 Lead composite field of SST anomalies

2.2 SST異常影響超級(jí)赤潮的可能機(jī)制

超級(jí)赤潮緯度隨時(shí)間的演化如圖3所示.為揭示SST異常對(duì)超級(jí)赤潮的可能影響,選取WNPD指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差大于0.5定義為極端強(qiáng)SST異常年份(圖3中的點(diǎn)),共7年;同時(shí)用22年數(shù)據(jù)的平均值作為其氣候態(tài),用極端強(qiáng)SST異常年份時(shí)的物理變量減去其氣候態(tài)進(jìn)行合成分析,代表WNPD的SST異常對(duì)超級(jí)赤潮的可能影響機(jī)制.

圓點(diǎn)表示W(wǎng)NPD指數(shù)大于0.5的年份.圖3 超級(jí)赤潮緯度隨時(shí)間的演化Fig.3 Evolution of latitudes of the super red tied over time

從SST異常的演化可知(圖4):偶極型SST異常可持續(xù)到隨后的5—6月,意味著晚冬西北太平洋南部冷-北部暖SST異常時(shí),西北太平洋上空出現(xiàn)偶極型熱力強(qiáng)迫,且該熱強(qiáng)迫可持續(xù)到隨后的5—6月,對(duì)大氣環(huán)流產(chǎn)生穩(wěn)定和累加的影響.

WNPD偏強(qiáng)年份的SST減去其氣候態(tài),得到同期1—2月(a)、隨后3—4月(b)和5—6月(c)的SST異常場(chǎng).圖4 SST異常隨時(shí)間的演化Fig.4 Evolution of SST anomalies over time

晚冬,西北太平洋南冷北暖型SST異常可激發(fā)出局地的氣旋和反氣旋系統(tǒng)[圖5(a)].當(dāng)時(shí)間演化至隨后的5—6月[圖5(b)],偶極型SST異常的范圍有一定減弱,使得局地的氣旋、反氣旋異常范圍也隨之減小,同時(shí)觀測(cè)到鄂霍次克海及周邊地區(qū)出現(xiàn)異常的氣旋系統(tǒng).

WNPD偏強(qiáng)年份的物理量減去其氣候態(tài),得到同期1—2月(a)和隨后5—6月(b)的SST異常場(chǎng)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(矢量箭頭,單位m/s),以及5—6月(c) 850 hPa高度場(chǎng)和波通量(矢量箭頭,單位m2/s2).A和C分別表示反氣旋和氣旋,綠色箭頭表示能量的傳播方向,(a)和(b)中白色“×”和紫色箭頭表示異常場(chǎng)超過(guò)90%的可信度檢驗(yàn).圖5 大氣環(huán)流對(duì)SST異常的響應(yīng)Fig.5 Response of atmospheric circulation to SST anomalies

為探索鄂霍次克海氣旋系統(tǒng)的形成,計(jì)算了偶極型SST異常有關(guān)的高度場(chǎng)和波活動(dòng)通量[圖5(c)].當(dāng)SST異常時(shí),注意到有兩支從20° N附近的低壓出發(fā)向高緯度傳播的徑向波列到達(dá)鄂霍次克海地區(qū)[如圖5(c)中綠色箭頭所示],其中一支從西太平洋穿過(guò)日本地區(qū)到達(dá)鄂霍次克海西部,另一支從日界線附近傳向鄂霍次克海西部.因此,冷SST異常引發(fā)的20° N附近的低壓(氣旋)異常可通過(guò)Rossby能量頻散影響鄂霍次克海地區(qū)的低壓(氣旋)異常,是形成鄂霍次克海氣旋異常的關(guān)鍵系統(tǒng).

為揭示海氣相互作用對(duì)超級(jí)赤潮的可能影響,計(jì)算了SST異常相關(guān)的5—6月環(huán)流異常.在對(duì)流層高層[圖6(a)],偶極型SST異常引發(fā)東亞沿岸至日本地區(qū)對(duì)流層高層的反氣旋對(duì);反氣旋對(duì)中間的異常西北風(fēng)和東南風(fēng)[圖6(a)中藍(lán)色箭頭]在中國(guó)北部近海的對(duì)流層高層輻合,使得高層大氣堆積.在對(duì)流層低層[圖6(b)],位于鄂霍次克海氣旋西側(cè)觀測(cè)到西北風(fēng)異常[圖6(b)中紅色箭頭];該異常的西北風(fēng)從東西伯利亞出發(fā)到達(dá)中國(guó)北部近海的對(duì)流層低層.環(huán)流的進(jìn)一步調(diào)整有利于中國(guó)北部近海上空出現(xiàn)下沉運(yùn)動(dòng)[圖6(c)].來(lái)自陸地的干冷氣流將陸面的干冷空氣和氣溶膠輸送到中國(guó)北部近海,使得該區(qū)域上空的大氣異常干燥[圖6(d)];氣溶膠的明顯下沉運(yùn)動(dòng)則引發(fā)氣溶膠的干沉降過(guò)程[圖6(e)].可見(jiàn),晚冬西北太平洋南部冷-北部暖偶極型SST異常可持續(xù)到隨后的5—6月,并通過(guò)影響對(duì)流層高低層的環(huán)流異常,引發(fā)中國(guó)北部近海上空的干沉降過(guò)程,從而為中國(guó)北部近海的超級(jí)赤潮發(fā)生提供有利的動(dòng)熱力條件.

5—6月WNPD偏強(qiáng)年份時(shí)的物理量減去其氣候態(tài),得到200 hPa(a)和850 hPa(b)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)(矢量箭頭,單位m/s),500 hPa垂直速度(c),850 hPa相對(duì)濕度(d),以及AOD合成場(chǎng)(e).圓圈表示中國(guó)北部近海區(qū)域,(a)和(b)中藍(lán)色和紅色箭頭表示異常風(fēng)向,紫色箭頭表示風(fēng)場(chǎng)異常場(chǎng)超過(guò)90%的可信度檢驗(yàn).圖6 形成超級(jí)赤潮的可能機(jī)制Fig.6 Possible mechanism for the super red tide formation

3 結(jié)論與討論

本研究基于2000—2021年共22年的觀測(cè)資料和再分析數(shù)據(jù),使用合成分析、相關(guān)分析和波動(dòng)力學(xué)診斷等方法,研究了晚冬西北太平洋SST異常對(duì)隨后5—6月中國(guó)北部近海超級(jí)赤潮的影響.結(jié)果表明,晚冬西北太平洋的南部冷-北部暖SST異常可持續(xù)到隨后的5—6月,并激發(fā)熱帶向高緯度傳播的徑向波列.波列在對(duì)流層低層鄂霍次克海地區(qū)形成氣旋異常,該氣旋西側(cè)的西北風(fēng)攜帶了中高緯陸地的干冷空氣和氣溶膠.同時(shí),在對(duì)流層高層,東亞沿岸至日本地區(qū)的反氣旋對(duì)在中國(guó)北部近海對(duì)流層高空輻合,使得高空出現(xiàn)明顯下沉運(yùn)動(dòng).為此,與偶極型SST異常有關(guān)的干冷空氣和氣溶膠,伴隨明顯的下沉運(yùn)動(dòng)引發(fā)中國(guó)北部近海上空的干沉降過(guò)程,從而對(duì)超級(jí)赤潮的暴發(fā)產(chǎn)生可能影響.

大量研究關(guān)注赤道中東太平洋海氣相互作用,指出ENSO發(fā)生時(shí)可通過(guò)西北太平洋反氣旋對(duì)中國(guó)東部近海沿岸氣候異常造成顯著影響[20-21].本研究表明西北太平偶極型(南部冷-北部暖)SST異常引發(fā)的氣旋-反氣旋-氣旋分布對(duì)中國(guó)北部近海地區(qū)極端赤潮事件造成可能影響.需要指出的是,本研究是基于觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果,相關(guān)物理過(guò)程還需要數(shù)值模式模擬驗(yàn)證和討論.另外,本研究分析了海氣相互作用以及與之相關(guān)的大氣環(huán)流過(guò)程對(duì)超級(jí)赤潮的可能影響.然而,赤潮的暴發(fā)絕非僅受到氣象因子的單一因素影響,還涉及海洋環(huán)境、海洋生物和海洋物理等眾多過(guò)程的影響.為了更全面地理解赤潮暴發(fā)的機(jī)制,未來(lái)應(yīng)從多因子、多學(xué)科角度探討相關(guān)物理過(guò)程.