何恩業(yè),王丹,黃莉,劉桂梅
(國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心,北京 100081)
赤潮是一種復(fù)雜的生態(tài)異常現(xiàn)象,發(fā)生的原因比較復(fù)雜,是生物、化學(xué)和物理等要素綜合作用的結(jié)果,其發(fā)生的機(jī)理至今尚無(wú)定論,因此在選擇赤潮預(yù)報(bào)因子方面尤為重要。
赤潮監(jiān)測(cè)比較隨機(jī),無(wú)法形成完整鏈條,針對(duì)赤潮全過(guò)程的各種生物、化學(xué)要素的時(shí)間變化資料則更為缺乏,所以很難利用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法提煉赤潮發(fā)生的規(guī)律。近年來(lái),海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)顯示近岸海域海水污染嚴(yán)重,同時(shí)我國(guó)的沿海致潮藻類(lèi)種數(shù)繁多,且分布廣泛,海上生物、化學(xué)條件已經(jīng)基本具備。這種情況下,水文氣象條件往往是誘發(fā)赤潮的重要因素。因此轉(zhuǎn)而利用比較完整的氣象資料的變化來(lái)尋找預(yù)報(bào)赤潮的發(fā)生規(guī)律是一種切實(shí)可行的方法。王壽松等[1]通過(guò)對(duì)赤潮發(fā)生要素的結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為促使上升流和垂直混合增強(qiáng)的大潮流和風(fēng)速風(fēng)向是關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中最低層次的要素。齊雨藻等[2]認(rèn)為風(fēng)海流和潮流的聚集作用是赤潮發(fā)生的最終一環(huán)。謝健等[3]研究發(fā)現(xiàn)赤潮發(fā)生期間,氣溫達(dá)到較高的水平,且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng);氣壓出現(xiàn)低壓現(xiàn)象;此間的天氣形勢(shì)發(fā)展比較穩(wěn)定,同時(shí)風(fēng)速較小,海面較穩(wěn)定;天氣比較潮濕悶熱,這些因素均是赤潮發(fā)生的氣象條件。周遵春等[4]認(rèn)為赤潮前連續(xù)幾天陰天,突然轉(zhuǎn)晴并且持續(xù)高溫、強(qiáng)光照、風(fēng)速小的天氣是影響夜光藻赤潮形成的主要?dú)庀笠蛩亍|S長(zhǎng)江等[5]認(rèn)為一個(gè)穩(wěn)定發(fā)展的天氣是赤潮形成和維持的重要因素。綜合上述研究,一次穩(wěn)定的由氣旋入海經(jīng)強(qiáng)度不大的冷空氣演變?yōu)楦邏嚎刂频奶鞖廪D(zhuǎn)折過(guò)程往往是赤潮從醞釀到爆發(fā)所需的天氣過(guò)程[6]。低壓系統(tǒng)造成海水涌升、Ekman風(fēng)生流,由于科氏力的原因,北半球的表層海流在風(fēng)的作用下,偏向風(fēng)的右側(cè)。在低壓系統(tǒng)前部,中國(guó)東海沿岸盛行偏南風(fēng),造成海水表層輻散、底層輻合,導(dǎo)致海水涌升。上升流將營(yíng)養(yǎng)鹽和藻種帶到海水表層,進(jìn)而誘發(fā)赤潮。因此,根據(jù)低壓與近海上升流的關(guān)系,確立了通過(guò)氣旋的發(fā)生發(fā)展及其路徑和強(qiáng)度,預(yù)報(bào)赤潮。但是,我國(guó)對(duì)赤潮發(fā)生的研究主要以單過(guò)程為主,很少有赤潮氣候特征分析及年度科學(xué)預(yù)測(cè),這對(duì)政府部門(mén)下一年的防災(zāi)減災(zāi)部署造成很多困難,因此加強(qiáng)赤潮年度趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究也是今后的一個(gè)重要方向和內(nèi)容。
赤潮數(shù)據(jù)來(lái)源于與赤潮研究、監(jiān)測(cè)相關(guān)的著作、科學(xué)論文和其他文獻(xiàn)[7-12]。收集到1933—2012年間在中國(guó)海區(qū)發(fā)現(xiàn)的赤潮災(zāi)害事件資料,數(shù)據(jù)信息包含赤潮發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、面積和優(yōu)勢(shì)藻種等相關(guān)信息。
利用國(guó)家氣候中心氣候系統(tǒng)診斷預(yù)測(cè)室收集和整理的1951—2012年(共62年)74項(xiàng)月環(huán)流特征量指數(shù)資料作為赤潮預(yù)報(bào)因子。
利用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件處理分析數(shù)據(jù),采用Pearson相關(guān)法分析西太平洋副熱帶高壓與赤潮的相關(guān)關(guān)系。西太副高指數(shù)與赤潮發(fā)生次數(shù)(或面積)的相關(guān)系數(shù):
顯著性檢驗(yàn):總體相關(guān)系數(shù)用ρ表示,樣本相關(guān)系數(shù)用r表示。
(2)確定顯著性水平α=0.05
如果從相關(guān)系數(shù)ρ=0的總體中取得某r值的概率P>0.05,我們就接受假設(shè),認(rèn)為此r值的很可能是從此總體中取得的。因此判斷兩變量間無(wú)顯著關(guān)系;
如果取得r值的概率P≤0.05或P≤0.01,我們就在α=0.05或α=0.01水準(zhǔn)上拒絕檢驗(yàn)假設(shè),認(rèn)為該r值不是來(lái)自ρ=0的總體,而是來(lái)自ρ≠0的另一個(gè)總體,因此就判斷兩變量間有顯著關(guān)系。根據(jù)相關(guān)分析,將赤潮和西太副高的相關(guān)程度分為5個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表1)。
表1 |r|的取值與相關(guān)程度
圖1 1980—2012年中國(guó)近海赤潮發(fā)生趨勢(shì)
我國(guó)的赤潮最早記錄于1933年,發(fā)生在浙江鎮(zhèn)海至臺(tái)州-石浦一帶的夜光藻、骨條藻赤潮。20世紀(jì)70年代以前記錄赤潮5次;70年代10次;80年代迅速增加到121次;90年代202次;到21世紀(jì),我國(guó)逐漸建立了比較完備的赤潮監(jiān)測(cè)預(yù)警體系,赤潮監(jiān)測(cè)資料隨之較為連續(xù),2000年監(jiān)測(cè)到赤潮發(fā)生28次,面積累計(jì)超過(guò)10×103km2;2001年77次,累計(jì)面積達(dá)13×103km2;2003年高達(dá)119次,累計(jì)面積達(dá)14.7×103km2;2004年 96次,累計(jì)面積約 26.630×103km2。此后赤潮年均發(fā)生逾70次,年均累計(jì)面積逾14×103km2。赤潮災(zāi)害的發(fā)生次數(shù)和面積均呈明顯的波動(dòng)式增長(zhǎng)趨勢(shì)(見(jiàn)圖1),其中兩大波峰期為80年代末至90年代初和90年代中期至現(xiàn)今。我國(guó)赤潮已由偶發(fā)性、短暫性,逐漸發(fā)展為近年來(lái)的頻發(fā)性和持續(xù)性。
由于我國(guó)海域南北跨3個(gè)氣候帶,自然地理差異大,我國(guó)近海赤潮呈現(xiàn)出鮮明的年內(nèi)季節(jié)變化特征(見(jiàn)表2和表3)和空間分布特征。近海赤潮由南向北依次出現(xiàn),南海赤潮各月發(fā)生頻次較為平均,東海赤潮頻發(fā)期集中在4—9月,渤、黃海海域赤潮頻發(fā)期集中在5—10月,全海域赤潮在5—6月達(dá)到鼎盛期,其間每月累計(jì)爆發(fā)面積超過(guò)5×103km2。赤潮多發(fā)區(qū)主要集中在入海河口和工農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)的沿海地區(qū),大面積赤潮事件主要發(fā)生在渤、黃海和東海海域。其中,渤海的赤潮災(zāi)害主要發(fā)生在遼東灣的中部、西部海域和渤海灣海域;黃海的赤潮災(zāi)害主要發(fā)生在遼寧省大連市至東港市沿岸、煙臺(tái)市至威海市沿岸和膠州灣、海州灣海域;東海區(qū)的赤潮主要發(fā)生在長(zhǎng)江口附近海域、浙江沿岸和福建中部至北部沿岸海域;南海的赤潮災(zāi)害主要集中在珠江口附近海域[11-12]。
西太平洋副熱帶高壓是向我國(guó)大陸輸送水汽的重要系統(tǒng),對(duì)我國(guó)天氣、氣候有重要影響[13]。我國(guó)降水的水汽來(lái)源,雖然主要依靠西南氣流從印度洋輸送來(lái),而西太平洋副高的位置、強(qiáng)度和活動(dòng),不僅對(duì)西南氣流的水汽輸送有關(guān),而且還影響著它南側(cè)的東南季風(fēng)從太平洋向大陸輸送來(lái)的水汽。同時(shí),西太平洋副高的北側(cè)是沿副高北上的暖濕空氣與中緯度南下的冷空氣相交綏的地帶,鋒面氣旋活動(dòng)頻繁,往往形成大范圍的陰雨天氣,是我國(guó)大陸地區(qū)的重要降水帶。因而我國(guó)降水帶的南北移動(dòng)同西太平洋副高的季節(jié)活動(dòng)相一致,通常降雨帶位于副高脊線以北約5—8個(gè)緯度[13]。因此可以通過(guò)西太副高強(qiáng)度和位置變化預(yù)測(cè)我國(guó)近海鋒面氣旋的發(fā)生狀況,進(jìn)而利用鋒面氣旋的多發(fā)區(qū)預(yù)測(cè)赤潮的高發(fā)區(qū)和發(fā)生頻次。
利用2001—2005年海洋災(zāi)害公報(bào)所使用的赤潮官方資料,取每次赤潮發(fā)生區(qū)域的中心位置(°N;°E)表示本次赤潮發(fā)生的地點(diǎn),經(jīng)緯度采用四舍五入法取整數(shù),然后統(tǒng)計(jì)2001—2005年間各月赤潮發(fā)生位置的平均緯度值作為各月赤潮多發(fā)區(qū)緯度,通過(guò)數(shù)據(jù)分析,中國(guó)近海赤潮多發(fā)區(qū)緯度變化與西太副高脊線位置、副高北緣584線具有很好的擬合性(見(jiàn)圖2和表4),赤潮多發(fā)區(qū)集中在西太副高北緣584線一帶海域,而西太副高北側(cè)正是地面鋒區(qū)最為活躍的地帶。6月之前,副高脊線穩(wěn)定在20°N以南,赤潮多發(fā)區(qū)也多集中在長(zhǎng)江口以南的東海海域;6月份后副高北跳,赤潮多發(fā)區(qū)也向北移至渤、黃海海域;8—9月副高迅速南撤,赤潮多發(fā)區(qū)也隨之南退。赤潮多發(fā)區(qū)位置的變化與西太平洋副熱帶高壓年周期性振蕩的關(guān)系,溝通了利用水文氣象條件進(jìn)行赤潮預(yù)報(bào)的途徑。
表2 2001—2012年中國(guó)近海赤潮月均發(fā)生次數(shù)(次/月)
表3 2001—2012年中國(guó)近海赤潮月均發(fā)生面積(km2/月)
由表2、表3知,渤、黃海在4—10月發(fā)生赤潮的概率較大,在其他月份發(fā)生赤潮概率很低,東海在4—9月發(fā)生赤潮的概率較大,在其他月份發(fā)生的概率大幅降低,因此本研究選擇這兩個(gè)時(shí)間段分別分析北海區(qū)和東海區(qū)赤潮與西太副高的相關(guān)性。利用SPSS13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,結(jié)果顯示,渤、黃海赤潮發(fā)生次數(shù)與西太副高脊線、西太副高北界具有正相關(guān)關(guān)系,通過(guò)了顯著性水平0.05的檢驗(yàn)(見(jiàn)表5)。東海赤潮發(fā)生次數(shù)與西太副高脊線、西太副高北界具有顯著相關(guān)性,均通過(guò)了顯著性水平0.01的檢驗(yàn)。南海赤潮發(fā)生次數(shù)與西太副高無(wú)明顯相關(guān)性。
圖2 赤潮與西太平洋副熱帶高壓周期性振蕩關(guān)系
從2001—2012年的西太副高脊線、副高北界和赤潮月發(fā)生次數(shù)的曲線比較可知(見(jiàn)圖3),西太副高脊線和北界位置與赤潮發(fā)生次數(shù)曲線擬合非常好。赤潮多發(fā)生在西太副高北進(jìn)過(guò)程中,當(dāng)副高南退時(shí),我國(guó)赤潮發(fā)生頻率迅速減少。在西太副高脊線處于18°—20°N、副高北界處于19°—25°N之間時(shí),浙江和福建沿海鋒面氣旋活動(dòng)頻繁、降水充沛的時(shí)節(jié),此時(shí)也是東海赤潮重災(zāi)期(見(jiàn)圖4)。赤潮這種季節(jié)性的爆發(fā)規(guī)律與我國(guó)氣候規(guī)律相吻合,即我國(guó)降水帶(或鋒面氣旋)的南北移動(dòng)同西太副高的季節(jié)活動(dòng)相一致。每年6月以前,副高脊線位于20°N以南,受其影響華南進(jìn)入雨季;到6月中、下旬,副高脊線北跳,并穩(wěn)定在20°—25°N之間,雨帶隨之北移,長(zhǎng)江中下游地區(qū)進(jìn)入雨季,即梅雨;7月上、中旬,副高脊線再次北跳,擺動(dòng)在25°—30°N,這時(shí)黃河下游地區(qū)進(jìn)入雨季。長(zhǎng)江中下游地區(qū)的梅雨結(jié)束,進(jìn)入盛夏,由于處于高壓脊控制,出現(xiàn)伏旱;7月末至8月初,副高脊線跨越30°N,到達(dá)一年中最北位置,雨帶隨之北移,華北北部、東北地區(qū)進(jìn)入雨季;8月底或9月初,高壓脊開(kāi)始南退,雨帶隨之南移。10月以后,高壓脊退至20°N以南,大部分地區(qū)雨季結(jié)束。這就解釋了我國(guó)赤潮由南而北的爆發(fā)原因,5、6月份是東海赤潮的頻發(fā)期,7月東海赤潮迅速減少,渤、黃海海區(qū)成為赤潮的主要爆發(fā)區(qū),這與氣旋活動(dòng)區(qū)北移有密切關(guān)系。
表4 2001—2005年500 hPa各月西太平洋副熱帶高壓脊線平均位置(單位:°N)
表5 2001—2012年西太平洋副熱帶高壓與我國(guó)赤潮發(fā)生次數(shù)相關(guān)性
上述現(xiàn)象僅僅是西太平洋副高活動(dòng)對(duì)我國(guó)天氣影響的一般規(guī)律。實(shí)際上,副高的南、北季節(jié)性移動(dòng)經(jīng)常出現(xiàn)異常(見(jiàn)圖5),造成我國(guó)一些地區(qū)干旱,另外一些地區(qū)水澇的反?,F(xiàn)象[13],2001—2012年,副高脊線在2002—2003年、2009年偏南,在2001年、2004年和2011年比較偏北。與此相應(yīng),我國(guó)各大海區(qū)每年發(fā)生赤潮的頻率和規(guī)模也呈現(xiàn)出明顯的年際差異(見(jiàn)圖6)。東海赤潮在2003年達(dá)到波峰,在2001年、2004年和2011年處于波谷期;渤、黃海赤潮波峰期出現(xiàn)在2004年和2011年,波谷期出現(xiàn)在2002年。因此根據(jù)每年的副高活動(dòng)特征,就能預(yù)測(cè)赤潮多發(fā)區(qū)和爆發(fā)期。這為有效預(yù)防赤潮帶來(lái)的危害具有重要的意義。
2003年?yáng)|海赤潮發(fā)現(xiàn)次數(shù)達(dá)歷史最高86次,在赤潮高發(fā)期的4、5和6月分別為12次、33次和27次占到了東海赤潮全年的84%,赤潮發(fā)現(xiàn)次數(shù)最少的年份是2011年為23次,5、6月分別為11次、2次。2003年西太副高脊線笫二次季節(jié)性北跳異常偏晚(見(jiàn)圖6),維持梅雨的副高脊線位置時(shí)間異常偏長(zhǎng),以及副高位置異常偏西是2003年副高活動(dòng)的異常特征。2003年4—6月西太副高脊線較常年位置偏南,維持在14°—19°N度之間,副高北界維持在19°—24°N之間,4—5月長(zhǎng)江流域及華南地區(qū)氣旋活躍、降水頻繁,同時(shí)長(zhǎng)江中下游及其以南大部出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣,這種天氣形勢(shì)容易引起赤潮頻發(fā)。2011年副高脊線笫2次季節(jié)性北跳偏早,維持梅雨的副高脊線位置時(shí)間偏短,以及副高位置異常偏北、偏東是2011年副高活動(dòng)的異常特征。2011年5月之前西太副高脊線異常偏弱、偏東,氣旋活動(dòng)及降水主要集中在華南沿海,致使長(zhǎng)江中下游出現(xiàn)近60年來(lái)最重冬春連旱,5月副高北跳至北緯20°附近,但是維持時(shí)間不長(zhǎng),6月又迅速北跳,副高北界到達(dá)28°N附近,且副高位置異常偏東,對(duì)我國(guó)東南沿海氣旋生成以及降水造成不利影響,因此5、6月份東海赤潮爆發(fā)次數(shù)和規(guī)模均降到了近10年來(lái)最低水平。6—7月副高北界維持在28°—30°N之間,8月副高北界到達(dá)36°,副高偏北位置造成中高緯度氣旋活動(dòng)階段性活躍、降水異常偏多利于北部海區(qū)赤潮頻發(fā)。
圖3 赤潮與西太平洋副熱帶高壓周期性振蕩關(guān)系
圖4 1933—2012年西太副高北界位于不同緯度時(shí)發(fā)生的赤潮次數(shù)
圖5 2001—2012西太副高脊線距平(以1971—2000年30年為平均值)和我國(guó)3大海區(qū)赤潮發(fā)生次數(shù)
圖6 2003和2011年?yáng)|海赤潮發(fā)生次數(shù)距平與西太副高脊線、副高北界曲線
(1)我國(guó)赤潮呈現(xiàn)出發(fā)生頻率大、爆發(fā)規(guī)模廣和危害加重的發(fā)展趨勢(shì)。赤潮災(zāi)害呈明顯的波動(dòng)式增長(zhǎng)年際變化趨勢(shì),并呈現(xiàn)出赤潮高發(fā)期由南向北依次出現(xiàn)的年內(nèi)變化特征。赤潮重災(zāi)區(qū)主要集中遼東灣的中部、西部海域和渤海灣海域,黃海北部、煙臺(tái)市至威海市沿岸和膠州灣、海州灣海域,長(zhǎng)江口附近海域、浙江沿岸和福建中部至北部沿岸海域以及珠江口海域;
(2)赤赤潮與鋒面氣旋的關(guān)系確立了通過(guò)氣旋的發(fā)生發(fā)展及其路徑和強(qiáng)度來(lái)預(yù)報(bào)赤潮的方法。西太平洋副高的北側(cè)是沿副高北上的暖濕空氣與中緯度南下的冷空氣相交綏的地帶,鋒面氣旋活動(dòng)頻繁,往往形成大范圍的陰雨天氣,是我國(guó)大陸地區(qū)的重要降水帶。本研究通過(guò)西太副高強(qiáng)度和位置變化來(lái)預(yù)測(cè)我國(guó)近海鋒面氣旋的發(fā)生狀況,進(jìn)而利用鋒面氣旋的多發(fā)區(qū)預(yù)測(cè)赤潮的高發(fā)區(qū)和發(fā)生頻次;
(3)赤潮多發(fā)區(qū)位置的變化與西太平洋副熱帶高壓年周期性振蕩具有較好的相關(guān)性,東海赤潮發(fā)生次數(shù)與西太副高脊線、西太副高北界的相關(guān)性>渤、黃海>南海。赤潮多發(fā)生在西太副高北進(jìn)過(guò)程中,而當(dāng)副高南退時(shí),我國(guó)赤潮發(fā)生頻率迅速減少。西太副高的南、北季節(jié)性移動(dòng)經(jīng)常出現(xiàn)年際異常,與此相應(yīng),我國(guó)各大海區(qū)每年發(fā)生赤潮的頻率和規(guī)模也呈現(xiàn)出明顯的年際差異。西太副高偏強(qiáng)、位置異常偏西、偏南年份東海赤潮發(fā)生次數(shù)會(huì)增多,爆發(fā)規(guī)模會(huì)擴(kuò)大;副高偏弱、位置異常偏北、偏東的年份往往造成中高緯度氣旋活動(dòng)階段性活躍、降水異常偏多則利于北部海區(qū)赤潮頻發(fā)。因此利用副高每年的變化規(guī)律,就能預(yù)測(cè)赤潮高發(fā)區(qū)位置以及爆發(fā)時(shí)段。
綜上所述,近年來(lái),我國(guó)沿岸海域海水污染嚴(yán)重,致潮藻類(lèi)種數(shù)繁多且分布廣泛,海上生物、化學(xué)條件已經(jīng)基本具備,水文氣象條件往往是誘發(fā)赤潮的重要因素,利用比較完整的氣象資料的變化來(lái)探討一種我國(guó)近海赤潮長(zhǎng)期預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)于研究我國(guó)近海赤潮的發(fā)生規(guī)律是一條切實(shí)可行的途徑,該技術(shù)將為有效防控赤潮災(zāi)害提供重要的科學(xué)參考。
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