1981—2011年间东海赤潮发生与厄尔尼诺关系分析

邓邦平, 张昊飞, 何彦龙, 王腾, 袁一鸣



1981—2011年间东海赤潮发生与厄尔尼诺关系分析

邓邦平1,2,*, 张昊飞1,2, 何彦龙1,2, 王腾1,2, 袁一鸣1,2

1. 国家海洋局东海环境监测中心, 上海 201206 2. 海洋赤潮灾害立体监测技术与应用国家海洋局重点实验室, 上海 201206

分析1981—2011年东海海域赤潮发生次数、赤潮生物种类数以及与El Niño关系, 结果表明: 东海的赤潮发生以2000年为界可划分为2个阶段, 1981—2000年为第一阶段(初级阶段), 赤潮年均8次, 赤潮生物种数年均4种, 总体处于发生频次较低水平; 2001—2011年为第二阶段(高发阶段), 赤潮发生的频次是第一阶段的6.4倍, 年均引起赤潮生物种数是第一阶段的2.8倍; El Niño次年东海赤潮生物种类数相对于El Niño年平均增加6.6%, 赤潮生物种类数平均增加56.6%, 对El Niño第三年影响小于第二年。El Niño年Niño 3.4指数与次年赤潮生物的种类数变化率相关系数为0.70, 为中等相关水平, 均高于El Niño当年和第三年, 表明El Niño将显著影响次年的赤潮生物种类数量。

赤潮; 厄尔尼诺; 东海

1 引言

我国是世界上深受赤潮灾害影响的国家之一。随着气候的剧烈异常变化和经济社会的快速发展, 赤潮在我国近海的发生频率呈现出明显的逐渐增多趋势, 赤潮给海洋生态安全、水产品安全和海洋经济带来巨大的风险[1]。我国四个海区中赤潮发生以东海最为严重, 赤潮发生的缘由国内外做了很多的研究: 温度的变化是影响赤潮发生的重要物理条件, 而频繁活跃在太平洋热带海域的厄尔尼诺(El Niño)事件核心特点就是会引起海水水温发生变化, 其与全球气候异常变化存在着一定的联系, 对我国近海温度[2]、流场[3]等变化也将产生重要影响。本文通过我国东海1981-2011 年近30年里赤潮发生特点与El Niño关系进行探讨, 以期为赤潮发生规律的掌握和El Niño的环境影响研究提供科学的参考和借鉴。

2 材料和方法

2.1 数据来源

1981—2011年东海赤潮的次数和赤潮种类数的记录数据主要来源于国家海洋局东海分局环保处对赤潮的记录和统计。1981年1月—2011年12月El Niño 3.4指数数据来源于美国国家海洋与大气局气候预报中心(NOAA Climate Prediction Center) (http:// www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/)。

2.2 研究方法

2.2.1 厄尔尼诺年确定

El Niño现象是指赤道太平洋东部和中部的海水出现大范围异常偏暖现象。依据El Niño现象定义[4-5], El Niño开始的年份定义为厄尔尼诺年。El Niño事件是由两个条件来确定的, 一是El Niño 3.4 区 (5°N—5°S, 120°W—170°W)的温度距平值连续6个月超过+0.5 ℃, 二是南方涛动指数SOI(塔希提岛与澳大利亚的达尔文的气压差)在此期间小于-1.0, 则认为发生了厄尔尼诺事件。

以El Niño 3.4区的月平均海表温度距平值(SSTA)来表示El Niño 3.4指数, 对1981—2011 年Niño 3.4指数进行分析, 确定1982、1986、1991、1993、1994、1997、2002、2004、2006、2009均为厄尔尼诺年。

本研究中El Niño年的下一年称为El Niño次年, 再下一年称为El Niño第三年。

2.2.2 数据分析方法

采用点双列相关法分析El Niño与赤潮的相关关系[6]。El Niño与赤潮发生次数(或种类数)的相关系数()见公式(1):

其中,为El Niño发生次年赤潮发生次数(种类数)相对于当年的变化率(公式2);

为El Niño次年赤潮次数(种类数)增多的次数占全部次数的比值;

为El Niño次年赤潮次数(种类数)减少的次数占全部次数(种类数)的比值;

为El Niño次年赤潮次数(种类数)增多的变化率的平均值;

为El Niño次年赤潮次数(种类数)减少的变化率的平均值;

为统计年份各个变化率的标准差。

根据相关分析, 将厄尔尼诺与赤潮的相关程度分为4个等级, 见表1:

3 结果与分析

3.1 赤潮发生与温度的关系

引起赤潮发生的因素很多, 海水温度高低及其变化情况, 是诱发赤潮发生的最为关键的因素之一, 水温变化直接影响着赤潮生物的生长及其演替过程。几十年的调查监测表明, 4—9月份是东海赤潮暴发的时段, 赤潮暴发的水温一般高于12 ℃, 低温时候很少有赤潮的发生[7], 5—8月时东海区赤潮发生最为集中的时段。东海北部及其邻近海域还是夏季海陆表面温度变化的强信号区[8], 同时东海区位于温带和副热带区域, 冬季受亚洲大陆高压控制, 以偏北风为主, 夏季主要受中国东南部低压和太平洋北部高压影响, 以偏南风为主[9], 5—6月正是偏北风衰退, 偏南风逐渐强盛的转换时期, 此时沿海水温快速上升, 水温达到18—26 ℃之间, 适宜赤潮生物繁殖生长, 同时雨季开始来临, 径流为水体输送大量的营养物质, 这些因素都为5—6月赤潮开始大量发生提供了有利的条件。

表1 赤潮与厄尔尼诺相关程度分级

Tab.1 The correlation level between red tide and El Niño

为探究赤潮藻类生长的温度效应, 国内越来越多的学者对其进行了深入探究。研究表明: 在室内不同温度培养条件下, 温度对尖刺拟菱形藻、中肋骨条藻[10]、东海原甲藻[11]和小环藻[12]等生长均有着显著影响, 温度对不同藻类生长影响效应存在一定差异, 在 10℃—27 ℃温度范围内, 东海原甲藻比生长速率的最大值随温度升高而增大[11], 在30—40 ℃范围时, 温度对东海原甲藻比生长速率和叶绿素a含量影响最大; 温度对小环藻的影响也得到了类似的结论, 统计分析表明温度对小环藻的生长及藻细胞叶绿素a含量影响显著[12]。大量的研究表明, 东海的水温会受到El Niño的巨大影响: 黄、东海年平均海表温度(SST)变化较大的时间通常发生在El Niño 位相发生转变前后。在El Niño发生年, 东海沿岸海表温度受到El Niño 和PDO(太平洋年代际振荡)的影响和调制, 黄、东海沿岸海表温度偏低;在厄尔尼诺发生次年, 黄、东海沿岸海表温度偏高[13]。陈美榕等[2]研究发现El Niño发生期间长江口海域年表温呈现明显的规律性变化, 即El Niño发生的次年海水水温一般高于El Niño发生的当年和第三年。对我国近海较大尺度海域如渤海、黄海、东海北部研究也发现了类似的规律[14], 并且对东海北部海域海水温度影响比黄、渤海区域表现的更为明显。综合相关研究结果, 我们可以确定El Niño对东海的水温有着较大的影响, El Niño发生次年东海的水温将有所上升, 东海的水温上升和加快上升, 正好影响着东海的赤潮发生。

3.2 赤潮发生次数与El Niño关系

1981—2011 年东海赤潮发生的次数与Niño 3.4指数曲线表明, 东海的赤潮发生以2000年为界可划分为2个阶段, 1981—2000年为第一阶段(初级阶段), 赤潮年均8次, 总体处于发生频次较低水平, 在1990年处于一个高峰期, 达到27次; 2001—2011年为第二阶段(高发阶段), 赤潮发生的频次处于较高水平, 年均51次, 是第一阶段的6.4倍, 在2003年达到高峰期, 共发生了86次(见图1)。

从Niño 3.4指数变化与赤潮发生次数曲线波动可以看出, 1981—2000年间赤潮发生次数与Niño 3.4指数曲线拟合较差, 二者相关系数仅为0.14; 2000年之后东海海域赤潮次数呈现了明显的增加并与Nino 3.4区指数波动呈现出一定的规律, 2001—2011年Niño 3.4指数曲线与赤潮发生次数曲线拟合非常好, 相关系数为0.51, 达到中等相关水平, 远高于1981—2000年二者的相关水平。

3.3 赤潮生物种数与El Niño关系

东海赤潮发生的生物种类数与赤潮发生次数变化趋势具有很好的线性关系, 相关系数为0.82, 属于极显著相关, 表明赤潮生物种类数可以按照赤潮发生次数的年代划分进行评价。1981—2011 年间赤潮生物种年均7种, 1981—2000年间年均4种, 2001—2011年间年均引起赤潮种类11种, 是第一阶段的2.8倍。

从Niño 3.4指数变化与赤潮发生种数曲线波动可以看出(见图2), 1981—2011年间二者相关性为–0.18, 呈负微相关水平, 2001—2011年相关水平稍高于1981—2000年二者的相关性。

图1 1981—2011年东海赤潮发生的次数与Nino 3.4区指数曲线

图2 1981—2011年引起东海赤潮发生的种数与Niño 3.4指数曲线

3.4 El Niño对东海赤潮的影响

El Niño对我国近海海域赤潮的发生有着较大的影响。有研究显示, 1977—2007年发生的10次厄尔尼诺事件对El Niño年的次年赤潮发生的次数均有明显的相关性, 东海是我国4个海域赤潮发生次数与El Niño的相关程度最高的海域[15]。

对1981—2011年期间El Niño年、El Niño次年及El Niño第三年东海赤潮发生次数及赤潮生物种类数统计表明, 东海El Niño年赤潮次数年均26次, 赤潮生物种数6种, El Niño次年赤潮发生次数平均增加6.6%, 赤潮生物种类数增加56.6%; El Niño第三年相对于El Niño年赤潮次数降低15.2%, 赤潮生物种类数增加33.2%, 低于El Niño次年。表明El Niño次年赤潮发生次数和种类数均会增加, 赤潮生物种类数增加比例明显(图3)。

通过点双列相关法对1981—2011年期间El Niño年、El Niño次年及El Niño第三年的赤潮发生次数及赤潮生物种类数变化率进行分析, 结果表明: El Niño年Niño 3.4指数与当年、次年及第三年的赤潮发生次数变化率均小于0.5, 为弱相关, 次年的相关性高于El Niño年(相关系数为0.05)。El Niño年与次年赤潮生物的种类数变化率相关系数为0.70, 为中等相关水平, 均高于El Niño当年和第三年, 表明El Niño将显著影响次年的赤潮生物种类数量。

4 结论

(1)东海的赤潮发生以2000年为界可划分为2个阶段, 1981—2000年为第一阶段, 赤潮年均8次,赤潮生物种数年均4种, 总体处于发生频率较低水平; 2001—2011年为第二阶段, 赤潮发生的频次处于较高水平, 年均51次, 是第一阶段的6.4倍, 年均引起赤潮种类11种, 是第一阶段的2.8倍。

图3 1981—2011年期间东海赤潮发生次数及赤潮生物种类数均值统计

(2) 1981—2011 年间, El Niño次年东海赤潮发生次数相对于El Niño年平均增加6.6%, 赤潮生物种类数平均增加56.6%, 对El Niño第三年影响小于第二年。El Niño年与次年赤潮生物的种类数变化率相关系数为0.70, 为中等相关水平, 均高于El Niño当年和第三年, 表明El Niño将显著影响次年的赤潮生物种类数量。

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DENG Bangping,ZHANG Haofei, HE Yanlong, et al. Analysis on the relationship between the red tide events and El Nino in the East China Sea from 1981 to 2011[J]. Ecological Science, 2017, 36(6): 161-164.

Analysis on the relationship between the red tide events and El Nino in the East China Sea from 1981 to 2011

DENG Bangping1,2,*,ZHANG Haofei1,2, HE Yanlong1,2,WANG Teng1,2, YUAN Yiming1,2

1. East China Sea Environmental Monitoring Center, SOA, Shanghai 201206, China 2. Key Laboratory of Integrated Monitoring and Applied Technology for Marine Harmful Algal Blooms, SOA, Shanghai 201206, China

The relationships between water temperature, the records of red tide and red tide creatures in the East China Sea with El Nino phenomenon were analyzed from 1981 to 2011. The results show that the occurrence of red tide in the East China Sea could be divided into 2 stages. The primary stage was from 1981 to 2000. The average annual red tide occurred 8 times, and the average species of red tide creature was 4. The second phase was from 2001 to 2011. The frequency of occurrence of red tide in this phase was 6.4 times than the first stage, and the average annual number of red tide species was 2.8 times than the first stage. The records of red tide in the next year of El Nino event increased by 6.6% compared the year of El Nino event in the East China Sea, and the number of red tide species increased by 56.6%. Effect of El Nino on the species of red tide creature in the third year of El Nino event was less than second year of El Nino event. The correlation coefficient between Nino3.4 index in El Nino year and the change rate of species of red tide creature in the next year of El Nino event was 0.70. It suggested that El Nino event significantly impacted on the species of red tide creature in the next year of El Nino event.

red tide; El Niño; East China Sea

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.022

X145

A

1008-8873(2017)06-161-04

2016-10-06;

2017-10-30

海洋公益性行业科研专项经费项目(201305027,201505008), 863赤潮重点项目(2007AA0920)

邓邦平(1983—), 男, 湖北十堰人, 硕士, 从事海洋生态监测评价和海洋保护区监测管理研究, E-mail: dengbp@eastsea.gov.cn

邓邦平