海表温度(sea surface temperature, SST)是研究海洋系统最重要的热力参数之一。海面作为海洋与大气的边界, 其在大气、海洋及海气相互作用的研究中也至关重要。在存在季节性跃层的区域, 夏季海面温度的变化, 将会影响水体的层结强度, 进而影响水体垂向的物质输运和能量传递等(Deser et al, 2010)。

随着全球变暖, 海洋的平均温度也在逐渐升高, 全球上层海洋正在发生显著增暖(IPCC, 2013)。中国近海的海表温度在近几十年里也存在显著增暖, 而且因大部分海域靠近陆地, 升温速率高于全球其他开阔大洋区域(Liu et al, 2013; Bao et al, 2014)。张秀芝等(2005)对渤海、黄海、东海以及南海选择代表区域来研究中国近海的长期变化, 发现近100多年来各海区SST都在逐渐升高, 20世纪80年代以后SST显著升高, 20世纪90年代至21世纪初, SST最暖。冯琳等(2009)研究发现东中国海海表温度在1945~2006年的60余年中一共升高了0.9 ℃, 升温速率约为0.015 ℃/a。

近年来, 中国近海升温机制已得到大量研究。Cai等(2017)通过分析1958~2018年HadISST数据认为, 中国近海夏季SST升温是由短波辐射增加引起的, 并与东亚夏季风减弱和西太平洋副热带高压增强相关。Pei等(2017)用经验正交函数(empirical orthogonal function, EOF)分析1870~2016年黄东海SST, 得到显著增温趋势而海面净热通量下降, 他认为层化加强、垂向混合减弱会促进SST升高, 海面净热通量下降可能是SST升高、海气温差减小的结果。Tang等(2009)通过分析东海1957~1996年的水文观测数据, 认为台湾暖流和黑潮加强是东海夏季变暖的主要原因, 宋春阳等(2019)通过分析optimum interpolation SST (OISST)资料1982~2017年中国近海海表温度, 也认为黑潮的热输送加强是海表温度偏高的重要原因。近年来中国近海海表极端高温事件频繁发生引起普遍关注。2017年全球平均海表温度较常年偏高0.29~0.43 ℃, 是没有厄尔尼诺事件影响的全球海洋最热年(Cheng et al, 2017), 在中国近海平均海表温度也比常年值偏高0.64 ℃ (李琰等, 2018)。Tan等(2018)基于1982~2016年卫星SST发现东中国海2016年8月极端高温现象, 认为极端高温形成主要归因于平流输运(24%)和净热通量(58%)。Yan等(2020)通过卫星观测数据发现, 黄、东海夏季海表温度在2004, 2006及2016年均异常偏高, 分别为29.08, 29.25和29.68 ℃, 打破了夏季海表温度历史记录, 认为夏季太阳辐射增强和风应力减弱使得混合减弱是造成高温的主要原因。

渤海是中国近海北部的一个半封闭陆架浅海, 仅通过渤海海峡与北黄海相连, 是我国海洋渔业生产的重要区域(李显森等, 2008)。其夏季海表温度的变化, 不仅可以对周围的陆地气候产生影响, 同时也会影响渤海生态系统。而以往研究中, 针对渤海夏季升温现象及机制探讨较少。宋春阳等(2019)在中国近海温度分析中提到渤海近几年的升温现象, 但未作出深入分析。因此, 渤海夏季温度升温特征仍缺少量化, 其升温机制需进一步探究。本文将基于长期现场调查资料、卫星观测数据及数值模拟分析渤海温度变化特征, 并探究其升温影响因素。

1 数据与方法 1.1 观测数据

本文所使用的观测数据来自国家海洋局渤海中部断面常规观测。调查断面大致呈西南-东北走向, 从黄河口延伸至辽河口, 由10个观测站位组成(图 1), 时间跨度为1978~2018年共41 a (2013年之前垂向观测深度为0, 5, 10, 15, 20, 25 m和底层, 之后数据间隔为0.1 m), 观测时间为每年8月, 其中1993年数据缺失。

1.2 卫星数据

卫星SST数据资料来自美国国家气象局(National Oceanic and Atmospheric Adminstration, NOAA)发射的太阳同步极轨卫星所载的高分辨率辐射计(advanced very high resolution radiometer, AVHRR)。数据空间分辨率为0.25°×0.25°, 时间为1982~2019年共38 a, 将其处理为渤海区域月平均数据, 取8月份的数据进行夏季统计分析。已有研究表明, 卫星反演SST的系统偏差为(0.18±1.00) ℃, 空间分布及长期变化趋势与观测较为一致, 可以用于分析海域SST长期变化规律(罗晓凡等, 2012)。此外, 所用海面10 m风速和海面短波辐射通量来自欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Ramge Weather Forecasts, ECMWF)的ERA5数据集, 选用时间长度与卫星数据一致, 空间分辨率为0.25°×0.25°。

1.3 ROMS模型

本研究所使用三维物理模型为regional ocean modeling system (ROMS) (Shchepetkin et al, 2005)。模拟区域包含渤海、黄海及部分东海区域, 模型水平分辨率2.2~4 km, 其中渤海分辨率较高。垂向采用σ坐标, 分为30层, 并在表底进行加密。温盐初始场来自World Ocean Atlas (WOA13), 初始流速和水位为零。温盐、流、水位开边界来自于hybrid coordinate ocean model (HYCOM)数据, 边界处潮汐从OSU tidal prediction softwear (OTPS)中提取, 包含M₂, S₂, N₂, K₂, K₁, O₁, P₁和Q₁, 共8个分潮。大气强迫(风应力、短波辐射、净热通量和淡水通量)来自于ECMWF (https://www.ecmwf.int/)。模型中河流包含辽河、滦河、海河、黄河、鸭绿江、汉江、淮河、长江和钱塘江, 河流流量数据来源于中国河流泥沙公报, 其中鸭绿江和汉江为气候态数据。该物理模型配置已在渤海夏季潮汐锋研究(张广跃等, 2020)和渤海氧亏损研究(李志成等, 2021)中得到应用。

1.4 跃迁检验

本文采用基于t-检验的循环算法(Rodionov, 2004)进行跃迁检验, 判断渤海表层温度是否发生跃迁及发生年份。得到的regime shift index (RSI)值是标准化所得距平的累积和, 其大小取决于位相的预设长度L (类似于截断长度)和Huber权重参数H (定义为平均值的一个离散范围, 超出这个范围即认为是异常值), 可以反映跃迁发生的可靠性。P值为预先设定的显著性检验的置信度。本文在较长的时间尺度上分析SST的变化, 因此将预设长度L设为10 a, 置信度设为0.1, H取为1。

1.5 水体热收支计算

渤海水体热收支各项由公式(1)和公式(2)计算:

式(1)中, T为水体温度; u, v和w分别代表东向、北向和垂向的流速; K_v为垂向湍扩散系数; 等号右边第一项为水平平流; 第二项为垂向对流; 第三项为垂向扩散。式(2)中, 等号左边为水体热含量变化项; T₀为温度初始值; C_p为海水比热容; h为混合层深度; ρ为密度; Q_net代表海面净热通量变化; Q_hadv表示物理场的水平平流作用; Q_vadv表示垂向对流作用; Q_vdiff代表垂向扩散作用。

2 结果 2.1 2013年之后渤海SST跃迁现象

渤海中部断面夏季的长期观测表明: 1978年以来渤海中部断面SST距平呈波动变化, 变化范围在-4~4 ℃之间(图 2a), 在2013年之后基本为正异常, 呈现明显的高温现象, 总体高温异常约在1~4 ℃。观测期间平均的AVHRR SST与现场观测变化一致, 表现出2013年以来渤海夏季高温的现象, 现场观测与卫星观测存在显著相关, 相关系数R为0.99 (P < 0.001), 均方根误差为1.03 ℃。为进行模型结果校验, 图 2b给出了1994~2019年整个渤海区域模型模拟与卫星观测的SST对比。结果表明, 模拟结果与卫星观测的8月平均SST具有一致的变化, 相关系数R为0.96 (P < 0.01), 整个渤海区域的8月SST在2013年之后普遍较高。

对1994~2019年模拟的渤海8月SST时间序列进行跃迁检验得出, 2013年前后出现明显的由冷到暖的状态跃迁, 跃变指数RSI为1.01。根据跃迁检验结果, 可将1994~2019年分为2个阶段, 前一个阶段1994~2012年的夏季平均温度为24.88 ℃, 后一个阶段2013~2019年的夏季平均温度为26.25 ℃ (图 2c), 2个阶段温度相差1.37 ℃。可见相对于以往发现的1990年代“最暖”(张秀芝等, 2005), 2013年以来则是进入了“更暖”的时期。

2.2 水体温度结构变化

1994~2012年和2013~2019年2个阶段多年平均的8月SST, 呈现出一致的空间分布特征(图 3)。莱州湾、渤海湾及辽东湾顶区域温度较高, 渤海海峡及辽东湾东部温度较低, 总体呈现湾顶高、中部低以及西部高、东部低的特征。特别是在渤海湾平均温度达到27 ℃, 渤海海峡处温度偏低在23 ℃左右。2个阶段相比, 渤海8月平均SST有明显升高, 总体升高0.5~2.5 ℃之间。该增温现象在空间分布上存在差异, 增温最显著的区域为渤海湾顶部区域, 最高在2 ℃以上。其次为在渤海中东部区域, 增温在1.2 ℃以上。除渤海湾顶以外的渤海西部区域, 增温幅度最小, 在1.2 ℃以下。

除了表层增温以外, 渤海温度结构在近几年也发生了变化。图 4给出了观测和模拟的渤海中部断面海水温度在1994~2012年和2013~2019年的分布。在这2个阶段, 温度均呈现出明显的温度梯度和温度跃层, 以及在浅滩南北两侧洼地的冷水团结构, 且北侧洼地水深更深, 温度更低, 与以往认识一致(俎婷婷等, 2005; 贾瑞丽等, 2008; 周锋等, 2009)。由于上层水体混合均匀, 在2013~2019年阶段的渤海8月增温不只发生在表层, 整个上层水体均呈现一致的升温。对于跃层以下水体, 模拟的海水温度与上层水体一致, 也呈现升温现象。而观测的浅滩以南的冷水区域, 其温度出现了降低现象, 这可能与观测时间有关。总地来说, 模型数据与观测值的均方根误差较小, 相关性显著, 相关系数R均在0.9左右, 且通过显著性检验。以上结果表明, ROMS模型能够很好的再现渤海区域的垂向温度结构的变化, 可以用模型数据进行之后的热收支分析。

渤海水体温度结构的变化引起水体层结的变化, 对表底温差、上混合层深度和跃层强度有明显影响。8月渤海的层化区域主要分布在渤海中部洼地、莱州湾口及渤海海峡附近(图 5)。除黄河口附近, 渤海水体的层结主要受到温度控制。从表底温差来看, 水深较大的区域表底温差较大, 最大可在10 ℃以上(图 5a, 5b)。2013~2019年和1994~2012年相比, 表底温差总体表现为增大(图 5c)。前一个阶段的平均表底温差为3.21 ℃, 后一个阶段为3.70 ℃, 总体升温约0.5℃ (表 1)。以垂向最大浮力频率平方(N²)表示水体层结强度, 层化区域N²均在10^-3s^-2以上, 其中渤海中部洼地层结最强(图 5d, 5e)。除了洼地西侧的部分区域外, 2013~ 2019年阶段的水体垂向最大N²值总体上大于1994~ 2012年(图 5f)。前一个阶段的平均跃层强度为4.0×10^-3s^-2, 后一个阶段为4.7×10^-3s^-2, 总体增强17.5%。

以垂向最大N²值的深度表示跃层的深度, 结果显示, 水深较深的区域跃层深度也较深, 渤海中部洼地和渤海海峡附近跃层深度较深, 在8 m以上(图 5d, 5e)。2个阶段相比较而言, 后一个阶段跃层深度普遍变浅(图 5f)。平均上混合层深度在1994~2012年为7.18 m, 2013~2019年为6.48 m (表 1)。总体上, 上混合层变浅约0.70 m。这表明, 在2013~2019年阶段上层水体厚度变薄。上混合层深度的变化也影响到了上层与下层水体热含量的变化。虽然温度升高, 但是由于上混合层变薄, 2013~2019年阶段的上混合层热含量也有所减少, 而下层水体热含量有所增加(表 2)。

3 讨论 3.1 夏季升温影响因素

图 6a给出了1994~2019年渤海区域月均SST距平时间序列。可以发现, 2013年之后, SST呈现明显的正异常, 尤其是3~9月。这表明, 近几年渤海升温不只是发生在8月或者夏季, 很多年份从3月开始就存在升温现象, 并且可持续到9月。将2个阶段SST季节变化对比可以看出, 2个阶段的月平均SST呈现相似变化特征, 2月温度最低, 约2 ℃, 8月温度最高, 在25 ℃左右(图 6b)。在温度最低的2月份, 1994~2012年和2013~2019年2个阶段的SST值几乎相等, 从3月开始温度差异开始增大, 即升温现象开始增强。具体地, 2个阶段在3月的温差约0.4 ℃, 在4月约为0.8 ℃, 在5月份达到约1.2 ℃ (图 6c)。温差在春季(3~5月)整体上呈线性升高趋势。到了夏季(6~8月), 2个阶段的温差与春季相比, 较为稳定, 在1.0~1.2 ℃之间。从9月开始, 温差开始减小, 到了11月、12月温差在零以下。

由温差的逐月变化可知, 2013~2019年阶段的升温现象总体上存在于春季和夏季, 在春季不断加强, 在夏季处于稳定的状态。这表明, 升温过程主要发生在春季, 春季的升温为夏季提供了较高的初始值。为探究升温的影响因素, 下面将对春季上混合层水体进行热收支估算。

表 3给出了渤海上混合层水体在春季(3~5月)的热收支, 上混合层指的是海面至跃层深度的水体, 每年的上混合层由8月的跃层深度决定。3月初始值指利用3月1日水体温度计算的热含量, 5月末热含量指的是利用5月31日水体温度计算的热含量。在3月初, 2个阶段上混合层的平均热含量基本相同, 后一阶段的平均热含量比前一阶段高出0.13×10⁶ J/m³, 约占前一阶段的1.8%。而到了5月末, 2个阶段的热含量差异显著增大, 为4.3×10⁶ J/m³, 约占前一阶段的7.1%。这表明春季初始值的贡献仅为3%, 约有97% (4.2×10⁶ J/m³的)热含量是由春季热含量的变化过程引起的, 主要为海洋内部动力过程(垂向对流、水平平流及垂向扩散项)和海气界面热通量引起。

在3~5月的上混合层热含量变化中, 海面热通量和水平平流是源项, 体现了春季海洋吸热, 以及渤海海峡出上层水体流入渤海的特征。垂向对流和垂向扩散为汇项, 体现了春季上层水体向下层水体传递热量的过程。总体上海面热通量是主要源项, 而垂向扩散为主要汇项, 表明海面吸热之后在垂向传递的主要过程。垂向对流、水平平流、垂向扩散和海面热通量引起的热含量变化在2个阶段存在明显差异, 且后一阶段的绝对值均在增大, 其中海面热通量和垂向扩散是差异较大的项。

为探究影响海面热通量的因素, 图 7给出了春季云量、短波辐射和风速的长期变化。云量呈现明显的年际变化, 近些年的变化幅度较小。1994~2012年阶段渤海春季平均云量为0.45, 在2013~2019年阶段降低为0.42, 减少了0.03 (表 4)。与春季云量减少相对应, 后一阶段的春季短波辐射有所增加, 较前一阶段增加了2.54 w/m², 而平均风速略有增加, 由1.53 m/s增至1.57 m/s。这表明春季短波辐射增强是引起海面热通量升高进而使得水温升高的重要因素。而春季温度的升高为夏季升温提供了较高的初始值, 是夏季升温的决定因素, 这与以往整个中国近海升温或黄东海升温的影响因素认识有所不同。以往研究认为, 夏季台湾暖流和黑潮引起的平流热输运增强(Tang et al, 2009; 宋春阳等, 2019)、太阳辐射增强和风应力减弱(Yan et al, 2020)及净热通量增大(Tan et al, 2018)是影响近年来夏季升温的主要因素。近年来, 中国近海高温现象时有发生, 像渤海这样连续多年的高温现象在中国其他海域并不显著。因此, 春季升温对连续多年夏季高温现象的作用在其他海域也并未发现。

3.2 升温对生态系统的潜在影响

作为海洋中的关键热力要素, 海表温度不仅通过海气相互作用影响周边的气候与环境, 更是维持局地海洋生物、生态系统, 调控其变化和演替的关键海洋环境因子。近年来, 持续的海洋热浪易引发有毒海藻激增和珊瑚礁白化, 威胁脆弱的海洋生态系统, 破坏海洋生物多样性, 对水产养殖、渔业和旅游业等产生重大影响(王爱梅等, 2019)。历史记录显示, 升温可导致鱼类尺寸变小, 减弱鱼类移动能力及物种形成速度(Avaria-Llautureo et al, 2021)。渤海近几年春夏季的持续升温, 可能会对渤海经济鱼类产生潜在的不利影响。温度对水母生活史有重要影响(王彦涛, 2013; 张广跃, 2019), 渤海春季升温可能会使得水母横裂过程提前, 夏季温度升高则主要影响水母生长过程, 最终影响水母暴发情况。水母丰度及生物量的分布情况, 则会影响电站附近海域水母聚集情况及电站生产安全(孙雪等, 2019)。

不同种类浮游植物对温度变化的响应存在差异。硅藻和甲藻是中国近海浮游植物的重要藻类, 而两种藻类受温度的影响不同。硅藻的最适温度约为24 ℃, 而甲藻的最适温度在26 ℃左右。硅藻在温度超过24 ℃时的下降幅度远比甲藻超过最适温度时大得多, 表明甲藻对高温具有更好的耐受性(Xiao et al, 2018)。对于渤海来说, 上层水体8月平均温度由1994~2012年的24.88 ℃, 升高至2013~2019年的26.25 ℃, 会不利于硅藻生长, 而会促进甲藻生长, 进而影响生态系统中的浮游植物群落结构。栾青杉等(2017, 2018)通过观测调查发现, 渤海区域在进入21世纪以来甲、硅藻比的平均水平较20世纪升高了2.82倍, 群落结构由硅藻主导演替到硅、甲藻共同控制, 海线藻、夜光藻和角藻开始形成绝对优势。此外, 通过对2017年秦皇岛海域现场观测发现, 8月份过高的水体温度与低浓度的营养盐物质等因素一起也会限制超微型真核藻中褐潮种的生长(赵相伟等, 2020)。

渤海赤潮发生的空间分布也集中在3个海湾处(窦勇等, 2020; 张善发等, 2020), 而此处的海表温度和热浪持续时间均高于中部邻近海域, 这将会加重甲藻类赤潮的发生。而渤海区域很大一部分的海洋牧场和养殖区也分布在这些浅海海湾和沿海地区(杨红生, 2016), 强烈的海表升温可能会对养殖区的生物生长造成严重影响。

4 结论

本文通过近40 a渤海长期观测和卫星遥感数据, 发现渤海8月SST在2013年发生高温跃迁, 并利用ROMS物理模型分析了2013年之后渤海夏季升温的影响因素。渤海8月SST在2013~2019年总体较高, 与1994~2012年相比, 升高幅度约在1~4 ℃, 平均升高约1.37 ℃; 在水体温度结构上, 2013年之后夏季上混合层变薄, 温跃层整体变浅, 水体层结增强约17.5%。

2013年之后渤海的高温现象从3~8月均存在, 在3~5月升温幅度呈线性增加, 而在6~8月升温幅度处于稳定的状态。分析表明, 春季的热含量累积为夏季高温提供了一个较高的温度初始值, 这是引起2013~2019年来渤海连续多年夏季海表高温现象的主要因素。春季升温则受春季云量减少和短波辐射增强的影响。

渤海春夏季水体变暖, 对浮游植物群落结构、渔业、水母暴发等有重要影响, 而连续多年的高温对整个生态系统更是影响巨大。在未来气候背景下, 全球持续变暖似乎是不可避免的, 海洋上层将发生更频繁的极端高温事件, 渤海作为我国高生产力海区, 其海洋生态系统将会面临更大的风险和挑战, 应高度重视和了解海洋极端高温事件的发生过程及可预测性, 为应对将来气候变化和防灾减灾提供有力支撑。