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Journal of Tropical Oceanography >

2022 , Vol. 41 >Issue 6: 143 - 150

DOI: https://doi.org/10.11978/2022017

Marine Hydrology

Trend analysis of marine heatwaves variability in the outer Pearl River estuary from 1974 to 2020

  • TANG Ling , 1, 2 ,
  • NIE Yuhua 1, 2 ,
  • WANG Ping 1, 2 ,
  • TANG Chaolian 1, 2
Expand
  • 1. South China Sea Information Center, State Oceanic Administration, Guangzhou 510310, China
  • 2. Key Laboratory of Marine Environment Survey Technology and Application, Ministry of Natural Resource, Guangzhou 510330, China
TANG Ling, email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2022-01-27

  Revised date: 2022-04-20

  Online published: 2022-04-24

Supported by

Science and Technology Fundamental Resources Survey Program of Ministry of Science and Technology(2019FY202110)

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Abstract

Based on the daily mean sea surface temperature (SST) data observed at the Dawanshan Marine Environmental Monitoring Station (DMEMS) in the Pearl River Estuary from 1974 to 2020, the definition of marine heatwaves (MHW) adopted by the World Meteorological Organization, the intensity classification criteria, and the global and northern hemisphere annual mean surface temperature anomaly data, the trends of MHW in the Pearl River Estuary are analyzed using correlation and comparison methods. The results show that: 1) MHW incidents have occurred annually in the Pearl River Estuary in the past 47 years, with an average of 6.5 times per year and up to 13 times in 2020. There is an upward trend in the number of occurrences every year. The average duration is 11.7 days, up to 62 days. 2) MHW days in the Pearl River Estuary have increased significantly in the past 47 years, with an increasing rate of 1.81 d·a-1. 3) During this period, the proportion of MHW days with each level of intensity to all days is: moderate 18.92%, strong 53.24%, severe 24.06% and extreme 3.77%. 4) The main reasons for the increase of MHW days and the occurrence of extreme MHW in the Pearl River Estuary might be global warming, enhanced high pressure and weakened monsoon in the South China Sea. It is estimated that the MHW days in the Pearl River Estuary will increase in the future.

Key words： marine heatwaves; global warming; weakening of monsoon; Pearl River Estuary

Cite this article

TANG Ling , NIE Yuhua , WANG Ping , TANG Chaolian . Trend analysis of marine heatwaves variability in the outer Pearl River estuary from 1974 to 2020[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2022 , 41(6) : 143 -150 . DOI: 10.11978/2022017

近年来, 受全球气候变暖等因素影响, 海洋热浪(marine heatwave, MHW)研究迅速发展成为一个重要的研究前沿。前人在研究2011年2—3月澳大利亚西南海岸的水温变暖事件过程中, 首次提出海洋热浪概念(Pearce et al, 2011)。近30年来, 海洋热浪发生的次数持续增加, 其延续时间可达数月, 空间范围可延伸至数千千米(自然资源部, 2020)。海洋热浪可导致珊瑚白化现象, 并对鱼类和海洋生态系统构成严重威胁(Donovan et al, 2021; Laufkötter et al, 2020)。
海洋热浪通常定义为一个长时间、离散的异常暖水事件。具体来说, 如果SST连续5d(含5d)以上高于30年气候基准期内的第90个百分位, 即为一次海洋热浪事件(Hobday et al, 2016)。海洋热浪强度等级划分(图1)参考Hobday等(2018)的划分方法, 本文以1981—2010年为气候基准期, 以气候基准期30年SST平均值作为常年气候均值(虚线), 以气候基准期的第90个百分位值(绿色细线)与常年气候均值之差的1~4倍进行等级划分, 把海洋热浪分成I中度(moderate), Ⅱ强烈(strong), Ⅲ严重(severe)和Ⅳ极端(extreme)4个等级。
图1 海洋热浪等级划分示意图(改自Hobday et al, 2018)

Fig. 1 Categorization schematic for MHW(modified from Hobday et al, 2018)

MHW强度等级分类自2019年开始已为国内外气象、海洋部门所广泛采用。前人通过分析2019年中国近海海洋热浪事件特征, 给出了各海区的海洋热浪发生频次、发生日数、平均强度与最大强度(王爱梅 等, 2021)。全球海洋1982、2000和2016年各年MHW强度的全球分布结果显示, 珠江口在1982年没有出现MHW, 但2000年和2016年分别出现了中度和强海洋热浪事件(Hobday et al, 2018)。2019年度《中国海平面公报》中给出中国海域1—4月SST距平分布(自然资源部, 2020), 显示2—4月珠江口区域SST距平偏高, 容易发生MHW事件。世界气象组织WMO(World Meteorological Organization) 2019与2020年全球气候状况声明中给出珠江口为MHW强烈级海域(WMO, 2020, 2021)。MHW强度变化趋势研究也日益引起人们关注(缪予晴 等, 2021), 并对导致海洋热浪的时空分布、物理机制及影响等开展了研究(Hu et al, 2021; Oliver et al, 2021; 胡石建 等, 2022)。通过研究多年MHW总日数、持续时间、强度与频率等, 得出中国沿海MHW各项指数均呈显著上升趋势(Yao et al, 2020, 2021)。
在全球变暖的背景下, 海洋热浪将在全球大部分海域变得更加频繁、持久和强烈。研究显示, 1982—2016年, 全球海洋热浪事件平均发生频率增加为每10年0.45次, 强度增长为每10年0.085℃, 持续时间增长为每10年1.3d。现有研究尚未充分揭示对温度极为敏感但又与人类活动密切相关的近海海域等海洋热浪特征及机制。研究资料主要基于卫星观测海表面温度及少数锚定浮标海洋温度数据, 存在卫星表层海温数据误差较大、时间分辨率有限、浮标站点数量较少等问题(胡石建 等, 2022)。本文采用大万山海洋站1974—2020年观测的逐日SST资料, 研究了珠江口近47年来MHW的年际及年代际变化特征。为更准确把握MHW变化情况, 还对该区域四季MHW变化趋势进行了分析, 旨在为研究SST长期变化与赤潮、珊瑚白化等海洋生态灾害的关系, 以及MHW变化的气候预估等提供参考。

1 资料和方法

本文所用的大万山海洋站(21°56′N, 113°43′E)逐日平均SST数据源取自自然资源部南海局档案馆。打鼓岭(22°32′N, 114°09′E)和上川岛站(21°44′N, 112°46′E)气温资料分别取自香港天文台与广东省气象局。全球温度距平资料取自HadCRUT5系列(https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/Temperature/, 其气候基准值为1981—2010年平均)。全球海洋MHW出现率资料取自2019年美国气象学会年报 (https://doi.org/10.1175/2020BAMSStateoftheClimate.1)。香港月平均500hPa高度资料(1974—2020)来自香港天文台历年年报(http://www.weather.gov.hk/sc/publica/pubsmo.htm)。热带气旋资料取自香港天文台热带气旋年报。
中国沿海多个海洋台站SST资料2002年以前存在较为严重的均一性问题(李琰 等, 2018), 主要原因是仪器变更、迁站或测站环境发生重大变化。大万山站SST测站从未搬迁过, 但测次有过变化。该站的SST观测在2006年9月前为每天3次(8、14、20时); 2006年10月以后为每天24个整点时刻的SST记录。本文使用2019年版《海滨观测规范第2部分: 海滨观测》(GB/T14914.2-2019)规定, 以08时记录加权的每日4次平均SST为日平均SST。据2010—2019年资料统计, 大万山站月平均SST的3次加权与逐时观测的差值在±0.05℃以内。本文使用的SST系3次加权法则。
本文通过与附近气象站点具有较好均一性的气温资料进行对比分析来评估大万山站SST资料的均一性。任国玉 等(2010)对全国地面气象观测数据质量进行了系统评估, 得出上川岛站是广东沿海气温均一性较好的测站。另外, 香港地区无城市热岛效应、气温资料均一性较好的气象站为建于1969年的打鼓岭(TKL)站(Wang et al, 2018)。把大万山站SST资料与上川岛、打鼓岭站气温资料进行对比, 经相关分析可得出大万山年平均SST与上川岛、打鼓岭站年平均气温呈显著相关性(图2), 表明本文所用的大万山SST序列具有较好的均一性。本文所采用的MHW定义及分级标准与WMO报告相同(图1)。
图2 大万山海洋站年平均SST与邻近气象站年平均气温相关性

Fig. 2 Correlation between the annual mean SST at the Dawanshan Marine Environmental Monitoring Station (DMEMS) and the annual mean temperature of adjacent meteorological stations

2 结果与分析

2.1 1974—2020年珠江口MHW年际及年代际变化趋势

2.1.1 MHW年际变化趋势

1974—2020年珠江口大万山站每年MHW总日数及各级MHW的逐年变化趋势如图3所示。
图3 1974—2020年珠江口各级MHW日数变化趋势

Fig. 3 Variation trend of MHW days at all levels in the Pearl River Estuary from 1974 to 2020

分析图3中资料关系得出:
1) 珠江口每年MHW总日数呈上升趋势, 上升率为1.83d·a-1(n=47, R=0.67, P<0.01);
2) 此时期珠江口各级MHW出现日数比例为中度18.92%, 强烈53.24%, 严重24.06%, 极端3.77%;
3) 1982—2020年珠江口平均每年MHW发生率为22%, 高于同期全球海洋MHW平均发生率约1倍。

2.1.2 MHW年代际变化趋势

近40年来珠江口MHW日数存在显著的年代际变化, 并且与全球气候变暖密切相关。表1给出大万山海洋站近40年来MHW总日数及各级MHW日数的年代际变化, 同时给出全球、北半球地面温度距平的年际变化。表1表明, 近40年来珠江口的MHW日数年代际变化呈显著上升趋势, 由1980s的10年42.2d上升至2010s的10年108d。
表1 珠江口海洋热浪年代际变化

Tab. 1 Interdecadal variation of MHW in Pearl River Estuary

年代际 MHW日数 MHW强度等级日数 全球温度
距平/℃		 北半球温度
距平/℃
中度 强 严重 极端
1981—1990 42.2 12.4 29.4 0.4 0.0 -0.16 -0.27
1991—2000 67.5 11.4 39.2 13.9 3.0 -0.04 -0.03
2001—2010 100.0 18.9 56.8 23.5 1.4 0.21 0.30
2011—2020 108.0 14.7 46.0 38.2 9.1 0.41 0.56

注: 温度距平数据取自HadCRUT5, 以1981—2010年平均SST为气候均值

2.2 1974—2020年珠江口四季MHW变化趋势

2.2.1 冬季MHW变化趋势

珠江口冬季(上年12月与当年1、2月)各月SST月均值为20.17~17.27℃。1974—2020年大万山站各级MHW日数的变化趋势如图4所示。统计图4中资料得出: (1)各级MHW出现日数的比例为中度18.7%, 强烈41.6%, 严重30.8%, 极端8.9%; (2)近47年冬季的MHW日数呈上升趋势, 上升率为0.53d·a-1(n=47, R=0.44, P<0.01)。
图4 1974—2020逐年冬季珠江口各级MHW日数变化趋势

Fig. 4 Variation trend of MHW days at all levels in Pearl River Estuary in winter from 1974 to 2020

2.2.2 春季MHW变化趋势

珠江口春季(3—5月)各月SST月均值在20.36~27.46℃之间, 各级MHW日数的变化趋势为图5所示。统计图5中资料得出: (1)各级MHW出现日数的比例为中度33.7%, 强烈56.4%, 严重9.9%, 极端0; (2)近47年冬季的MHW日数呈上升趋势, 上升率为0.31d·a-1(n=47, R=0.29, P<0.01)。
图5 1974—2020逐年春季珠江口各级MHW日数变化趋势

Fig. 5 Variation trend of MHW days at all levels in the Pearl River Estuary in spring from 1974 to 2020

2.2.3 夏季MHW变化趋势

珠江口夏季(6—8月)各月SST月均值在29.12~29.86℃之间, 历史上有过月均值为31.46℃ (2016年6月)。1974—2020年大万山站各级MHW的变化趋势如图6所示。统计图6中资料得出: (1)各级MHW出现日数的比例为中度13.1%, 强烈50.7%, 严重33.4%, 极端2.8%; (2)近47年夏季的MHW日数呈显著上升趋势, 上升率为0.45d·a-1 (n=47, R=0.46, P<0.01)。
图6 1974—2020逐年夏季珠江口各级MHW日数变化趋势

Fig. 6 Variation trend of MHW days at all levels in the Pearl River Estuary in summer from 1974 to 2020

2.2.4 秋季MHW变化趋势

珠江口秋季(9—11月)各月SST月平均值在24.82~29.28℃之间, 各级MHW日数的变化趋势为图7所示。统计图7中资料得出: (1)各级MHW出现日数的比例为中度19.1%, 强烈63.2%, 严重11.4%, 极端6.3%; (2)近47年冬季的MHW日数呈上升趋势, 上升率为0.57d·a-1 (n=47, R=0.51, P<0.01)。
图7 1974—2020逐年秋季珠江口各级MHW日数变化趋势

Fig. 7 Variation trend of MHW days at all levels in the Pearl River Estuary in autumn from 1974 to 2020

综上, 1974—2020年大万山海洋站四季海洋热浪参数见表2。
表2 1974—2020年大万山海洋站四季海洋热浪参数比较

Tab. 2 Comparison of MHW parameters at DMEMS in four seasons from 1974 to 2020

季节 MHW 各级强度比例/% 最大强度 MHW日数上升率/(d·a-1)
平均次数/季 平均日数/次 中度 强烈 严重 极端
冬 1.38 17.2 18.7 41.6 30.8 8.9 4.44* 0.53
春 1.25 14.2 33.7 56.4 9.85 0.0 3.00 0.31
夏 2.38 23.0 13.1 50.7 33.4 2.8 2.61 0.45
秋 1.72 20.2 19.1 63.2 11.4 6.3 2.46 0.57
全年 6.73 74.6 18.9 53.2 24.1 3.8 4.44 1.83

注: *受超强ENSO事件影响, 1998年1月全月处于MHW中

2.3 珠江口海洋热浪增多、增强的主要影响因素

由前人有关珠江口SST变化特征分析(汤超莲 等, 2004, 2007; 邓松 等, 2005; 郑兆勇 等, 2010; 程泽梅 等, 2016)、2016、2020年广东气候公报(广东省气候中心, 2016, 2020)及2019、2020年中国海平面公报(自然资源部, 2020, 2021)可知: 近47年来珠江口海洋热浪增多、增强的主要原因可能是受全球气候变暖、南海高压增强和冬、夏季风偏弱的影响。
图8为1974—2020年大万山站每年MHW日数与全球地面温度变化的对应关系, 显示二者呈显著正相关(n=47, R=0.71, P<0.01)。
图8 1974—2020每年珠江口海洋MHW日数与全球地面温度距平对应关系

Fig. 8 Correspondence between the MHW days in the Pearl River Estuary and the global surface temperature anomaly from 1974 to 2020

图9为珠江口MHW日数与该地区上空南海高压变化的对应关系。珠江口上空南海高压的强弱变化用香港天文台实测的500hPa位势高度表示。图9表明1974—2020年每年夏季珠江口MHW日数与500hPa高度呈显著正相关关系(n=47, R=0.40, P<0.01)。
图9 1974—2020每年夏季珠江口MHW日数与香港500hPa高度的对应关系

Fig. 9 Correspondence between MHW days in the Pearl River Estuary and the geopotential height of 500hPa in Hong Kong during the summer from 1974 to 2020

值得注意的是冬季风影响时期是否有强寒潮过境, 将对冬、春月份MHW的变化产生重大的影响, 且冬季由东亚冬季风异常导致的SST异常可持续至夏季(梁巧倩 等, 2006)。通过典型暖年(2016、2020)MHW差异分析可加深认识。

2.4 典型暖年珠江口MHW差异原因分析

根据WMO(World Meteorological Organization) 2020年报, 2016与2020年为全球近百年来最暖年与第二暖年(WMO, 2021)。这两年珠江口的MHW变化存在两处明显差异: 一是2016年2—5月连续4个月没有出现热浪; 二是热浪日数2016年比2020年少30d(表3)。根据前人(汤超莲 等, 2006; 程泽梅 等, 2016)对珠江口SST变化原因的分析结果, 估计造成这种差异的主要原因如下。
表3 大万山海洋站2016和2020年逐月水文气象参数比较

Tab. 3 Comparison of monthly hydrometeorological parameters at DMEMS in 2016 and 2020

年份 项目 月份 年
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2016 热浪日数/d 20 0 0 0 0 17 23 0 0 16 23 24 123
月SST距平/℃ 0.6 -1.2 -1.2 -0.6 -0.2 1.4 0.8 -1.3 0.1 0.7 1.4 -0.3 0.6
500hPa高度 5820 5840 5826 5856 5881 5892 5885 5859 5879 5887 5887 5858 5864
2020 热浪日数/d 31 9 10 0 22 19 24 0 19 14 0 7 153
月SST距平/℃ 1.7 1.4 1.8 0.5 1.8 1.4 1.1 0.3 1.4 -0.1 -0.26 0.72 0.9
500hPa高度 5830 5841 5844 5855 5884 5888 5891 5872 5893 5910 5893 5856 5872

注: 500hPa高度≥5880表示该月为南海高压控制

1) 2016年1月23日开始受到百年一遇强寒潮过境影响(何俊杰 等, 2016), 这次寒潮引起的降温一直影响到西沙海域(周宇, 2017)。1月24日香港天文台地面气压1034.6hPa, 为近百年来最高纪录(香港天文台, 2016a)。大万山1月23—26日各天的日平均气温低于9℃, 24日最低气温2.7℃, 为近47年来最低纪录。2—3月仍有寒潮与强冷空气过境, 导致香港天文台2—3月的平均气温较气候基准值低1.3~1.6℃(香港天文台, 2016b, 2016c); 大万山站月平均SST较气候基准值低0.6~1.2℃, 并持续影响到5月份, 故连续4个月没有MHW出现(表3)。
2) 南海高压影响: 表3中5—11月有南海高压控制的月份都出现MHW, 日数在7~23d之间(仅2016年5月是例外); 没有南海高压控制的月份未出现MHW, 仅2020年11月份例外, 原因是该月8—12日, 热带气旋“艾陶”(Etau)及“环高”(Vamco)横过南海, 受热带气旋外围云带影响, 珠江口日均SST下降; 16—30日, 又受到寒潮影响, 珠江口日均SST再次下降1℃。2020年为冬季风与冷空气势力偏弱年(广东省气候中心, 2020), 因此, 这两年1月下旬至4月份的逐日SST及MHW变化截然不同(图10), 2016年2—5各月没有出现热浪。
图10 大万山站2016和2020年1—4月逐日SST变化

Fig. 10 Daily SST at the Dawanshan Marine Environmental Monitoring Station (DMEMS) from January to April of 2016 and 2020

3 结论

本文利用珠江口大万山海洋站观测的1974— 2020年SST资料、全球温度距平资料、香港实测500hPa资料、国际通用海洋热浪(MHW)分级标准和相关文献资料, 分析近47年来珠江口MHW变化趋势和特征, 结果如下。
1) 珠江口全年各月均可出现MHW, 季平均MHW次数及持续时间以夏季最多(2.38次·a-1)、最长(23d·次-1)。
2) 近47年来, 珠江口全年及各季的MHW日数都呈显著上升趋势, 上升率为全年1.83d·a-1,冬季0.53d·a-1, 春季0.31d·a-1, 夏季0.45d·a-1, 秋季0.57d·a-1。
3) 近47年珠江口出现的MHW按强度划分, 各季都以强烈(strong)级所占比例最大, 年平均占53.2%; 其次是严重(severe)级, 年平均占24.1%; 极端(extreme)级极少出现, 仅占3.8%。
4) 珠江口MHW日数增多的主要原因可能与全球气候变暖、南海高压增强与东亚季风减弱有关。

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