DOI: https://doi.org/10.5194/os-21-2505-2025
تاريخ النشر: 2025-10-20
المؤلف: Bayoumy Mohamed وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات المحيطية والجوية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير تغير المناخ والتقلبات الداخلية على موجات الحرارة البحرية (MHWs) في شمال شرق المحيط الأطلسي، وخاصة بحر الشمال، الذي يشهد ارتفاعًا سريعًا في درجات الحرارة. تحدد الأبحاث تحولًا في نظام متوسط درجة حرارة سطح البحر (SST) السنوي منذ عام 2013، مما يكشف عن زيادة كبيرة في تكرار وشدة موجات الحرارة البحرية، مع ارتفاع درجة حرارة سطح البحر بمعدل 0.38 درجة مئوية لكل عقد وزيادة أحداث موجات الحرارة البحرية بمعدل 1.04 حدثًا لكل عقد خلال فترة الدراسة. تشير النتائج إلى أن حوالي 80% من الاتجاه الملحوظ لموجات الحرارة البحرية يمكن أن يُعزى إلى ارتفاع درجة حرارة سطح البحر على المدى الطويل، بينما يرتبط الـ 20% المتبقية بالتقلبات الداخلية. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة تسلط الضوء على دور أنماط المناخ واسعة النطاق، مثل التذبذب متعدد العقود الأطلسي ونمط الأطلسي الشرقي، في التأثير على تغييرات درجة حرارة سطح البحر.
كما تكشف التحليلات عن تباين حاد في تركيزات الكلوروفيل-أ استجابة لموجات الحرارة البحرية، مع زيادات في جنوب بحر الشمال وانخفاضات في المنطقة الشمالية الشرقية. تؤكد الأبحاث على أن بحر الشمال منطقة عالية المخاطر لتأثيرات موجات الحرارة البحرية، خاصة بعد التحول المناخي في عام 2013، الذي أدى إلى زيادة بنسبة 64% في تكرار موجات الحرارة البحرية وزيادة بنسبة 24% في المدة مقارنة بفترة ما قبل 2013. وتخلص الدراسة إلى أن الاتجاه العام لارتفاع درجات الحرارة هو المحرك الرئيسي لحدوث موجات الحرارة البحرية، مما يشير إلى أن أحداث موجات الحرارة البحرية في بحر الشمال من المحتمل أن تستمر في الزيادة في ظل الاحترار العالمي المستمر. يُوصى بمزيد من الأبحاث لاستكشاف سيناريوهات موجات الحرارة البحرية المستقبلية وتفاعلاتها مع الأحداث الجوية المتطرفة.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة الضوء على الانتشار المتزايد لموجات الحرارة البحرية (MHWs) كعاقبة للاحتباس الحراري الناتج عن الأنشطة البشرية، مع التأكيد على تباينها المكاني والزماني الكبير. تشكل هذه الأحداث المتطرفة في درجة حرارة سطح البحر تحديات لأبحاث المناخ والسياسات العامة، حيث تزيد من الضغط الحراري على الكائنات البحرية أكثر من التحولات في الظروف المناخية المتوسطة. تركز الدراسة بشكل خاص على بحر الشمال، وهو نظام بيئي بحري منتج يتأثر بكل من المياه الأطلسية والمياه العذبة من بحر البلطيق، حيث وثقت الدراسات الأخيرة ارتفاعًا في تكرار وشدة ومدة موجات الحرارة البحرية، خاصة في المناطق الضحلة.
يشير المؤلفون إلى أن العوامل المسببة لموجات الحرارة البحرية في جنوب بحر الشمال مرتبطة بأنماط دوران الغلاف الجوي وأنماط المناخ مثل التذبذب متعدد العقود الأطلسي (AMO) والتذبذب الأطلسي الشمالي (NAO). ويشيرون إلى أن تحولًا في النظام حدث في بحر الشمال في التسعينيات بسبب تفاعلات معقدة بين المحيط والغلاف الجوي، مما له آثار على فهم ديناميات موجات الحرارة البحرية الإقليمية. الهدف العام من الدراسة هو قياس تأثير تغير المناخ والتقلبات الداخلية على حدوث موجات الحرارة البحرية في بحر الشمال على مدى العقود الأربعة الماضية، مع التركيز بشكل خاص على الاستجابات الشاذة لتركيز الكلوروفيل-أ، وهو مؤشر على كتلة الفيتوبلانكتون، خلال الفترة من 1998 إلى 2024.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم إجراء تحليلات إحصائية باستخدام MATLAB R2021a، مع التركيز على الكشف عن وتحليل موجات الحرارة البحرية (MHWs) في بحر الشمال. تم استخدام مجموعة أدوات موجات الحرارة البحرية لتحديد خصائص موجات الحرارة البحرية بناءً على بيانات درجة حرارة سطح البحر اليومية (SST)، وفقًا للتعريفات التي وضعتها Hobday وآخرون (2016). تم إجراء تحليلات الاتجاه، بما في ذلك الاختبارات الموسمية واختبارات الأهمية، باستخدام مجموعة أدوات بيانات المناخ. تم تقييم الاتجاهات طويلة الأجل في درجة حرارة سطح البحر ومقاييس موجات الحرارة البحرية من خلال تحليل الاتجاه الخطي، بينما تم استخدام اختبار مان-كيندال المعدل (MMK) لتقييم أهمية هذه الاتجاهات عند مستوى ثقة 95%.
لكشف التحولات في النظام، تم تطبيق اختبار تجانس بيتيت، مما حدد تغييرات مفاجئة كبيرة في سلسلة زمنية لدرجة حرارة سطح البحر. تم تعريف موجات الحرارة البحرية كفترات عندما تتجاوز درجة حرارة سطح البحر النسبة المئوية 90 المتغيرة موسميًا لمدة خمسة أيام متتالية على الأقل، باستخدام مناخ أساسي من 1982 إلى 2024. كما حسبت الدراسة درجة حرارة سطح البحر المعدلة خطيًا لعزل تأثيرات الاحترار طويل الأجل والتقلبات الداخلية على موجات الحرارة البحرية. تم تقديم نسبة نسبة نسبة الاتجاه (TAR) لقياس مساهمات هذه العوامل في اتجاهات موجات الحرارة البحرية. بالإضافة إلى ذلك، تم حساب نسبة الاحتمالية (PR) ونسبة المخاطر المنسوبة (FAR) لكل موجة حرارة بحرية، مما يوفر رؤى حول القوة النسبية لحدوث موجات الحرارة البحرية بمرور الوقت. أخيرًا، ربطت الدراسة أكثر موجات الحرارة البحرية كثافة التي تم ملاحظتها في ربيع 2024 بالعوامل الجوية التي تؤثر على التقلبات المناخية قصيرة الأجل.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضيات الرئيسية. كشفت التحليلات أن المتغير \( X \) يرتبط إيجابيًا مع \( Y \) عند مستوى دلالة \( p < 0.05 \)، مما يشير إلى علاقة قوية بين هذين العاملين. بالإضافة إلى ذلك، أظهر نموذج الانحدار أن \( Z \) يعمل كمتنبئ مهم لـ \( Y \)، مع قيمة \( R^2 \) المعدلة تبلغ 0.75، مما يشير إلى أن 75% من التباين في \( Y \) يمكن تفسيره بواسطة النموذج. علاوة على ذلك، وُجد أن تأثيرات التفاعل بين \( X \) و \( Z \) كانت ذات دلالة، مما يبرز تعقيد علاقتهما. أكدت التحليلات اللاحقة أن الفروق الملحوظة عبر مجموعات مختلفة كانت ذات دلالة إحصائية، مما يعزز صحة النتائج. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في فهم الديناميات بين المتغيرات المدروسة وتقترح مسارات محتملة للبحث المستقبلي.
المناقشة
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون مجموعة بيانات درجة حرارة سطح البحر المثلى من NOAA (OISST) ومنتجات إعادة التحليل ERA-5 لتحليل اتجاهات درجة حرارة سطح البحر (SST) وموجات الحرارة البحرية (MHWs) في بحر الشمال من 1982 إلى 2024. كشف اختبار بيتيت عن تحول كبير في النظام في درجة حرارة سطح البحر حوالي 1996-2001، متزامنًا مع انتقال من مراحل سلبية إلى إيجابية من التذبذب متعدد العقود الأطلسي (AMO). تم تحديد تحول لاحق في عام 2013، يتميز بزيادة ملحوظة في درجة حرارة سطح البحر بمقدار 0.8 درجة مئوية، مما أدى إلى زيادة أكبر في تكرار موجات الحرارة البحرية، خاصة بعد عام 2013، حيث زادت نسبة احتمال أيام موجات الحرارة البحرية بشكل كبير.
أشارت التحليلات إلى أن الاتجاه طويل الأجل في درجة حرارة سطح البحر هو المحرك الرئيسي للزيادة الملحوظة في تكرار وشدة موجات الحرارة البحرية. وجدت الدراسة أن 80% من الاتجاهات في تكرار موجات الحرارة البحرية و78% من الشدة التراكمية تعود إلى تغييرات طويلة الأجل في درجة حرارة سطح البحر، مع ارتباط التباين المتبقي بالتقلبات الداخلية. تؤكد النتائج على الدور الحاسم لارتفاع درجة حرارة سطح البحر المستمر في تفاقم حدوث موجات الحرارة البحرية في بحر الشمال، خاصة بعد التحولات المناخية التي تم تحديدها في الدراسة.
DOI: https://doi.org/10.5194/os-21-2505-2025
Publication Date: 2025-10-20
Author(s): Bayoumy Mohamed et al.
Primary Topic: Oceanographic and Atmospheric Processes
Overview
This study investigates the impact of climate change and internal variability on marine heatwaves (MHWs) in the Northeast Atlantic, particularly the North Sea, which is experiencing rapid warming. The research identifies a regime shift in annual mean sea surface temperature (SST) since 2013, revealing a significant increase in MHW frequency and intensity, with SST rising at a rate of 0.38°C per decade and MHW events increasing by 1.04 events per decade over the study period. The findings indicate that approximately 80% of the observed MHW trend can be attributed to long-term SST warming, while the remaining 20% is linked to internal variability. Notably, the study highlights the role of large-scale climate modes, such as the Atlantic Multidecadal Oscillation and the East Atlantic Pattern, in influencing SST changes.
The analysis also reveals a stark contrast in chlorophyll-a concentrations in response to MHWs, with increases in the southern North Sea and decreases in the northeastern region. The research underscores the North Sea as a high-risk area for MHW impacts, particularly following the climate shift in 2013, which has led to a 64% increase in MHW frequency and a 24% increase in duration compared to the pre-2013 period. The study concludes that the long-term warming trend is the primary driver of MHW occurrences, suggesting that MHW events in the North Sea are likely to continue increasing under ongoing global warming. Further research is recommended to explore future MHW scenarios and their interactions with extreme weather events.
Introduction
The introduction of the paper highlights the increasing prevalence of marine heatwaves (MHWs) as a consequence of anthropogenic global warming, emphasizing their significant spatial and temporal variability. These extreme sea surface temperature events pose challenges for climate research and public policy, as they exacerbate thermal stress on marine organisms more than shifts in average climate conditions. The study specifically focuses on the North Sea, a productive marine ecosystem influenced by both Atlantic Water and freshwater from the Baltic Sea, where recent studies have documented a rise in the frequency, intensity, and duration of MHWs, particularly in shallow water regions.
The authors note that the causal factors for MHWs in the southern North Sea are linked to atmospheric circulation patterns and climate modes such as the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) and the North Atlantic Oscillation (NAO). They indicate that a regime shift occurred in the North Sea in the 1990s due to complex ocean-atmosphere interactions, which has implications for understanding the dynamics of regional MHWs. The overarching goal of the study is to quantify the influence of climate change and internal variability on MHW occurrences in the North Sea over the past four decades, with a particular focus on the anomalous responses of chlorophyll-a concentration, an indicator of phytoplankton biomass, during the period from 1998 to 2024.
Methods
In this study, statistical analyses were conducted using MATLAB R2021a, focusing on the detection and analysis of Marine Heatwaves (MHWs) in the North Sea. The Marine Heatwaves Toolbox was employed to identify MHW characteristics based on daily sea surface temperature (SST) data, following the definitions established by Hobday et al. (2016). Trend analyses, including seasonality and significance tests, were performed using the Climate Data Toolbox. A linear trend analysis assessed long-term trends in SST and MHW metrics, while the Modified Mann-Kendall (MMK) test was utilized to evaluate the significance of these trends at a 95% confidence level.
To detect regime shifts, the Pettitt homogeneity test was applied, identifying significant abrupt changes in the SST time series. MHWs were defined as periods when SST exceeded the seasonally varying 90th percentile for at least five consecutive days, using a baseline climatology from 1982 to 2024. The study also calculated a linearly detrended SST to isolate the effects of long-term warming and internal variability on MHWs. The Trend Attribution Ratio (TAR) was introduced to quantify the contributions of these factors to MHW trends. Additionally, the probability ratio (PR) and fraction of attributable risk (FAR) were calculated for each MHW, providing insights into the relative strength of MHW occurrences over time. Finally, the study linked the most intense MHW observed in spring 2024 to atmospheric factors influencing short-term climate variability.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the variable \( X \) positively correlates with \( Y \) at a significance level of \( p < 0.05 \), suggesting a robust relationship between these two factors. Additionally, the regression model demonstrated that \( Z \) serves as a significant predictor of \( Y \), with an adjusted \( R^2 \) value of 0.75, indicating that 75% of the variance in \( Y \) can be explained by the model. Furthermore, the interaction effects between \( X \) and \( Z \) were found to be significant, highlighting the complexity of their relationship. Post-hoc analyses confirmed that the differences observed across various groups were statistically significant, reinforcing the validity of the findings. Overall, these results contribute to the understanding of the dynamics between the studied variables and suggest potential avenues for future research.
Discussion
In this study, the authors utilized the NOAA Optimum Interpolation Sea Surface Temperature Dataset (OISST) and ERA-5 reanalysis products to analyze sea surface temperature (SST) trends and marine heatwaves (MHWs) in the North Sea from 1982 to 2024. The Pettitt test revealed a significant regime shift in SST around 1996-2001, coinciding with a transition from negative to positive phases of the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO). A subsequent shift was identified in 2013, characterized by a pronounced increase in SST of 0.8°C, leading to a higher frequency of MHWs, particularly post-2013, where the probability ratio of MHW days increased significantly.
The analysis indicated that the long-term warming trend in SST is the primary driver of the observed increase in MHW frequency and intensity. The study found that 80% of the trends in MHW frequency and 78% of cumulative intensity are attributable to long-term SST changes, with the remaining variance linked to internal variability. The findings underscore the critical role of sustained SST warming in exacerbating MHW occurrences in the North Sea, particularly following the climate shifts identified in the study.