1960-2017年北部湾珊瑚礁区海洋热浪增强原因分析

张文静，郑兆勇，张婷，陈天然

( 1. 中国科学院南海海洋研究所 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室，广东 广州 510301；2. 中国科学院大学，北京100049；3. 中国科学院南海生态环境工程创新研究院，广东 广州 510301；4. 自然资源部南海局，广东 广州 510300)

1 引言

气候变暖导致高温热浪的爆发愈发频繁、持久，对人类生存、区域经济和生态系统已经造成严重威胁[1]。海洋中出现的类似现象，即海洋热浪（Marine Heatwaves，MHW），是指某一区域的海洋表面温度（Sea Surface Temperature, SST）极端高的一段时期，一般是SST连续5天以上超出长期（一般30年）平均温度的90%[2]，其范围可延伸至上千千米[3]。海洋热浪是大气与海水相互耦合所导致的极端气候事件，可对海洋生态系统的结构稳定产生重要影响[4-5]，并最终导致不可逆转的转变[6]。在珊瑚礁研究领域，海洋热浪是用于预测珊瑚白化事件的重要指标之一[7]。最新研究表明，1982-2016年海洋热浪的发生频率加倍，而未来的发生概率、持续时间和强度都会急剧增加[8-9]。

北部湾东部海域（18°～21°N，108°～111°E；图 1），包括海南岛东方站以北沿海、广东徐闻西南沿海和广西涠洲岛附近海域，发育了典型的全新世珊瑚岸礁[12]。不同于低纬度热带海域（如南沙群岛等），北部湾SST季节变化较大（18～30 ℃）。从南海珊瑚礁分布上，北部湾的岸礁是大陆沿岸（不受暖流影响）最高纬度的珊瑚礁，被称为“高纬度珊瑚礁”或“边缘珊瑚礁”，是对气候变化最敏感的区域之一[12-14]。从渔业和旅游业等社会经济角度，该海域的珊瑚礁极具保护价值[15]。针对珊瑚礁分布区域的海洋热浪研究目前主要集中在相对低纬度海域，如大堡礁[16-17]等，而类似北部湾的高纬度珊瑚礁区域的研究非常稀少，在国内尚处于空白。例如，最新的《2018年中国气候变化海洋蓝皮书》主要报道中国近海关键海洋要素的最新监测信息，是我国海洋经济发展重要的科学支撑和决策参考，然而却没有海洋热浪的相关信息。因此，本文根据北部湾珊瑚礁区实测的SST资料，通过分析海洋热浪爆发强度及持续时间，研究其逐年增强的原因，并进一步探讨对珊瑚礁的影响。该工作对于填补区域海洋热浪研究的空白、预测北部湾珊瑚礁未来发育趋势、量化监测珊瑚白化的气候指标等具有重要意义。

图1 北部湾海洋站位置及涠洲岛和徐闻珊瑚礁分布（据文献 [10-11]）Fig. 1 Location of marine stations in the Beibu Gulf and distribution of coral reefs in the Weizhoudao Station and Xuwen Station (based on reference [10-11])

2 研究海域概况

北部湾位于南海西北部，是呈南北走向的半封闭陆架浅海湾（图1）。北部湾属热带海洋性季风气候区。该海域多年平均SST约为25℃，年变化范围为18～30℃，变幅约为12℃，季节变化明显。4个海洋站（北海站、涠洲站、海口站、东方站）近58年的SST观测资料（图2a）显示，SST总体上升0.5℃，夏季最高温超过32℃的高温事件有增加的趋势，其对应年份多为强El Niño年。目前，关于北部湾海域珊瑚礁气候环境的研究成果主要集中在涠洲岛[18-20]，同时涠洲岛也是全国唯一每年进行珊瑚礁调查的珊瑚礁保护区[21]，积累了丰富的调查资料，为本文对比分析海洋热浪爆发前后涠洲岛珊瑚礁生态变化提供了参考资料。

3 资料来源与统计方法

图2 1960-2017年夏季北部湾海域海洋热浪变化趋势Fig. 2 Tendency of marine heatwaves during the summer of 1960-2017 in the Beibu Gulf

本文采用的海洋站SST资料取自台站报表，卫星SST资料取自日本气象厅提供的全球海温数据（COBE-SST）（https：//www.esrl.noaa.gov/psd/data/grid-ded/tables/sst.html），网格点分辨率为 1°×1°，与其他数据相比，该数据集在中国近海融入了加强的观测数据；南海高压指数取自国家气候中心系统诊断预测室，包括强度指数、面积指数、西脊点3个指数，各指数采用刘芸芸等[22]定义；南海夏季风风速取自广东省气象局2017年广东省气候变化监测公报[23]；海-气界面净辐射资料取自NCEP/NCAR再分析中心提供的2°×2°月平均热通量数据（https：//www.esrl.noaa.gov/ surfaceflux.html）；海洋厄尔尼诺指数（Oceanic Niño Index，ONI）指数由美国国家海洋大气局（NOAA）根据ERSSTv5数据集编制[24]，是以1950年至今Niño 3.4区域连续3个月SST异常变化的滑动平均值来定义的海洋厄尔尼诺指数（https：//www.ggweather.com/enso/oni.htm）。对上述气象资料的统计方法包括相关分析、高斯滤波、趋势分析等，气候基准期为1981-2010年。

本文选取4种指标：海表温度异常（Sea Surface Temperature Anomaly， SSTA）、DHM（Degree Heating Mouths）、DHW（Degree Heating Weeks）与 DHD（Degree Heating Days）用于量化海洋热浪爆发的程度。计算方法见表1。

表1 量化海洋热浪4种指标的计算方法Table 1 Four proxies for defining marine heatwaves

4 夏季SST与海洋热浪变化趋势

IPCC第五次评估报告显示，全球平均SST上升趋势明显[25]，以 0.07℃/（10 a）的速度波动上升。在这样的背景下，北部湾珊瑚礁区海域也出现SST上升的趋势（图2a），速率略高于全球平均，达到（0.09±0.015）℃/（10 a）。

4.1 DHM变化趋势

DHM值可表征海洋热浪发生的累计强度[26]。如图2b所示，北海站在1979-1998年热浪爆发强度最大，之后有所下降，至2016年再次爆发一场持续时间较长的海洋热浪；涠洲站邻近北海站，DHM值变化趋势总体与北海站一致，但DHM值变化幅度小于北海站，且于1967年爆发过一次热浪；海口站同涠洲站，1967年爆发过1次海洋热浪，1978年后DHM值波动频繁，于1999年爆发了4站记录中最强的一次海洋热浪；东方站1999年后开始频繁爆发热浪，强度为4站中最强。北海、涠洲、海口3站DHM值的前期变化趋势较为一致，均对几次超强El Niño事件有所响应，但海口站的响应较北海、涠洲站有1年左右的延时；而东方站前期几乎没有发生强度较大的海洋热浪。DHM值的后期变化趋势为在2013年后大幅度上升，北海、涠洲、东方站3站的DHM波动趋势与此趋势相符；而海口站却呈下降趋势。总体而言，北部湾东部海域1979年后发生海洋热浪的强度及频率快速增加，东方站、海口站前期或后期与大趋势不符的变化趋势，应是与当地气象因素、局部上升流影响有关。

4.2 DHW与DHD变化趋势

DHD值可代表海洋热浪发生的持续时间[15]，DHW值通常用于衡量海洋热浪发生的最大强度[7]。图2c、图2d表明1960-2017年涠洲站、东方站DHD、DHW有上升趋势，置信度达0.05显著性水平。涠洲站DHD数值较低，近58年未爆发持续60 d以上的热浪；东方站DHD值增长幅度较涠洲站快，1998年爆发了一场持续时间98 d的长时间热浪。涠洲站DHW值在1979年后波动幅度加大、屡见高值，1998年后每年夏季DHM值都超出珊瑚白化预警值（6℃·周），仅2013年一年低于此值。东方站1960-2017年DHW值高于珊瑚白化预警值或珊瑚死亡预警值（8℃·周）的年数少于涠洲站，但DHW值随气候变暖波动上升的速度快于涠洲站，于2001年爆发了一次DHW值为12.1℃·周的超强海洋热浪。总体而言，1979年后两站DHW、DHD值快速波动上升，并且东方站1998年后海洋热浪爆发强度高于涠洲站。综上所述，北部湾东部海域1960-2017年海洋热浪变化趋势为：1979年之后，该海域海洋热浪爆发强度及频率总体较1979年之前有所提升。海洋热浪变化趋势与区域SST变化趋势一致。

5 海洋热浪成因分析

5.1 南海高压对热浪的影响

1960-2017年夏季南海高压指数距平变化序列（图3a，图3b）表明，南海高压于1979年发生过一次年代际尺度的突变[27]，1979年前20年与后20年两个时段，南海高压指数的平均值差异显著，与前人研究一致。1979年以前南海高压为偏弱阶段，主体较小；1979年以后南海高压为偏强阶段，主体较大。南海高压的年代际变化与赤道太平洋、印度洋海表温度的年代际变化有密切联系，对北部湾海域的气候产生了显著影响，1979年后北部湾海洋热浪爆发强度较1979年以前明显上升（图2b）。突变后的南海高压强度偏强、面积偏大、西脊点明显西伸。南海高压在西伸过程中，由于西侧通常存在着非绝热加热作用[28]，下沉增温使其控制下的地区高温少雨，蒸发作用被抑制，海洋表面获得的太阳辐射热量显著增加，海表温度急升。北部湾海域最热月净热通量（图3c）、南海夏季风强度距平（图3d）均呈下降趋势，说明1979年以来南海高压逐渐增强的过程中，对北部湾海域的影响也逐渐加强。北部湾海域夏季在南海高压的影响下，多为少云、少风天气，太阳辐射增强的同时海水蒸发减弱，表层海水温度逐渐升高，为该海域海洋热浪的爆发提供了有利气象条件。

图3 1960-2017年夏季南海高压指数：强度、面积指数（a）；西脊点（b）；ONI指数、北部湾海域最热月净热通量（c）；南海夏季风强度距平变化[23]（d）；涠洲岛海洋站 SST、NOAA 卫星监测 SST（e）；2015 年 1 月至 2016 年 12 月 ONI指数（f）；净热通量、感热、潜热、短波辐射、长波辐射（g）；南海高压指数：强度、面积指数（h）；西脊点（i）;涠洲岛海洋站 SST（j）Fig. 3 The trend of summer South China Sea subtropical high indexes in 1960-2017： intensity and area index (a), the west-extending ridge(b); ONI index and net heat flux (c); summer wind speed anomalies in the South China Sea[23] (d); SST of Weizhou Marine Station and NOAA (e); the time series from Janauary, 2015 to December, 2016 of ONI index (f); net heat flux, sensible heat, latent heat, short-wave radiation, long-wave radiation (g); intensity and area index (h); the west-extending ridge (i); SST of Weizhou Marine Station (j)

5.2 超强El Niño对海洋热浪的驱动作用

在1960-2017年中，爆发了3次超强的El Niño事件（图3c），北部湾海域的大气环流系统和SST对这3次E1 Niño事件表现出了显著的响应特征（图3a至图3e）。2015-2016年的超强El Niño事件是1951年以来最强的El Niño事件（表2），因此，以此次事件为例，分析超强El Niño对北部湾海洋热浪的驱动作用。

表2 3次超强E1 Niño事件参数与热浪指标Table 2 E1 Niño index and MHW indexes of three strong E1 Niño events

大气再分析资料表明，由E1 Niño事件导致的热通量变化是造成偏远海域海温上升的主要原因[29]。图3c中，ONI指数与北部湾海域最热月净热通量存在一定的相关关系。2015年6月，赤道地区E1 Niño现象开始出现并逐渐增强，于同年12月发展至最盛状态（图3f），同期北部湾海域海气界面热量交换以海洋补给大气为主（图3g），SST逐月降低。在E1 Niño现象发展的秋季，南海高压开始形成（图3h），并沿着西北太平洋黑潮暖流延伸的路径进入南海海域；同年冬季至翌年春季，南海高压西北部盛行西南风，东亚地区的东北冬季风比正常年份更弱。在南海高压的发展阶段，西南风会引起南海的温暖平流[30-31]，从而将温暖潮湿的空气输送到中国近海。强劲的暖湿气流削弱了正常冬季的东北气流，并将亚洲大陆的冷空气排出。南海高压的南风或西南风还可以降低平均地面风速，因此，从海洋中损失的表面热通量显著减少，海气热量交换转为由大气向海洋补给热量（图3g，图3h）。已有研究表明[32-33]，整个南海的海表风场与Niño3指数均呈负相关，北部海域的相关性比南部好，加之由于南海高压西脊点较往年明显偏西（图3i）、夏季风减弱，会导致海表潜热损失及越南东侧上升流减弱，从而致使南海在El Niño发生年的翌年夏季出现增暖过程（图3j）。2016年涠洲岛夏季最热月SST为31.1℃，较2015年同期高0.5℃，较长期气候平均值高0.6℃。由此可见，El Niño事件进一步加强了海洋热浪。表2为3次超强E1 Niño事件参数、海洋热浪指标。表2显示，2015/2016的E1 Niño事件在持续时间、峰值强度等参数上超越了前两次超强E1 Niño事件，但最强的E1 Niño事件并不一定推动最强的海洋热浪。海洋热浪的爆发强度应是局部气象因子、水动力条件等多种因素共同作用的结果。

6 海洋热浪增加对北部湾珊瑚礁的影响

在全球变暖的背景下，El Niño事件频发、南海高压增强、近地面风场减弱等自然因素将共同导致北部湾海域海洋热浪频发、爆发强度进一步增强。

据有关文献和涠洲岛历年珊瑚礁调查资料，1960-2009年涠洲岛有6个年份夏季因海洋热浪而出现珊瑚热白化事件：1963年、1998、2002年（据珊瑚礁调查报告公山海域珊瑚大面积热白化死亡）、2003年、2005年[34]、2006年。1998年涠洲岛海域水温比往年升高2℃，有20多种珊瑚白化，至1999年2月，已基本恢复到原来的状况，活珊瑚覆盖率达70%[35]；徐闻灯楼角海域未见珊瑚白化[36]，局部海域珊瑚覆盖率达90%以上。而到了2004年、2005年，涠洲岛海域内活珊瑚的平均覆盖率为29%[34]，徐闻灯楼角西岸珊瑚礁活珊瑚覆盖率只有10%，大片珊瑚在此时期的热浪事件影响下白化死亡。2009年后，涠洲岛珊瑚礁区活珊瑚覆盖率仅为16%[37]，徐闻灯楼角珊瑚退化较涠洲岛更为严重，鹿角珊瑚成为新的优势种，滨珊瑚作为优势种的地位逐年减弱。

海洋热浪的爆发具有季节性，热浪爆发后，海水温度恢复正常，一般珊瑚礁白化可逐渐恢复。且前人研究表明[38]，高温热浪导致的珊瑚白化不是新的生态现象，历史时期早已有之。但在现代升温幅度增大、持续时间延长的海洋热浪影响下，其破坏程度超出了珊瑚礁系统自我修复的极限，珊瑚白化已使世界珊瑚礁面积减少了19%[39]。以常规温室气体排放量为基础的全球平均温度变化预测模型表明[40]，到20世纪下半叶，全球超过80%的珊瑚礁将发生白化并严重退化。按目前的全球升温速率，北部湾海域海洋热浪将持续频发，未来50年热白化事件还会出现，对北部湾海域珊瑚礁生态系统的可持续生长是极其不利的。

7 结论

依据北部湾东部海域4个海洋站的实测SST资料计算出该海域海洋热浪爆发的3项指标DHM、DHW、DHD，并分析其变化特征及成因机制，结论如下：（1）近58年北部湾东部海域DHM、DHW、DHD值均呈逐年波动上升趋势，海洋热浪爆发的强度及频率较1979年以前有明显上升；（2）海洋热浪是全球性、区域性及局部性三重因素在适当的时间内相互叠加所驱动。全球变暖的大背景下叠加了El Niño暖事件，区域受高压系统及风场减弱影响进一步增强了热浪强度。多种驱动因素同时发生时，就有可能爆发一场造成珊瑚礁大规模白化及死亡的超强海洋热浪；（3）未来北部湾海域海洋热浪将持续频发，对北部湾海域的珊瑚生态系统有不利影响。

致谢：感谢中国科学院南海海洋研究所陈特固先生在本文的修改过程中给予的指导。