东海内潮对海洋变暖的响应:强度增强,同时季节性差异仍保持不变

时间:2026年2月4日
来源:Ocean Modelling

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本研究通过数值模拟探讨东中国海内部潮汐能量转换与耗散对海洋变暖的响应,发现变暖增强潮汐能量转换和耗散,但季节性差异因分层结构维持不变而得以保留,为理解气候变化下的水动力变化提供新视角。

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李炳天|潘海东|姜东|李书江
中国山东科技大学海洋科学与工程学院,青岛

摘要

东海(ECS)中的内潮(IT)主要起源于ECS大陆架边缘和琉球群岛附近的海岭。ECS中的分层情况随季节变化,这导致了内潮的相应变化。近几十年来,持续的海洋变暖加剧了分层现象,可能影响了内潮的动态。然而,变暖对ECS内潮的影响,包括其季节性变化,仍不明确。本研究通过数值模拟探讨了海洋变暖对内潮能量和潮汐混合过程的影响。结果表明,海洋变暖总体上增强了内潮的能量转换和耗散。但由于分层在变暖气候下仍保持季节性变化,内潮能量的季节性对比得以维持。此外,不同季节间的潮汐混合差异也相对稳定。这些发现有助于进一步理解海洋变暖对水动力过程的影响。

引言

正压潮通过产生内潮(IT)将能量传递给斜压场(Egbert和Ray,2003;Garrett 2007)。生成后,内潮可以传播数千公里,最终耗散并引发湍流混合,从而影响深层水循环(Niwa和Hibiya,2001;Rainville和Pinkel,2006;Tian等人,2010;Kang和Fringer 2012;Polzin等人,2014;Zhao等人,2014;Peng等人,2021)。深层水循环可能重新分配热量,并可能影响气候变化(Toggweiler和Samuels 1995;Munk 1998;Wang等人,2017)。因此,内潮对调节全球气候具有重要作用。
东海(ECS)中的内潮主要产生于ECS大陆架边缘和琉球群岛沿线的海岭(Niwa和Hibiya,2004)。Niwa和Hibiya(2004)指出,ECS是产生内潮最活跃的区域之一。然而,与其他活跃的内潮区域(如南海)相比,对ECS内潮行为的研究相对较少。Saranya等人(2024)指出,ECS中的内潮受到分层变化的调节。ECS分层最显著的时间变化是其季节性变化,这会导致内潮的季节性变化。实际上,其他海洋中内潮的季节性变化已通过观测和数值模拟得到了充分研究。Müller等人(2012)使用数值模拟研究了半日周期内潮的全球行为,并探讨了其在南海的季节性变化。Guo等人(2012)研究了同一地区的观测到的内潮季节性。Müller等人(2012)和Guo等人(2012)都将内潮的季节性变化归因于分层的变化。分层的季节性波动由多种因素引起,包括太阳辐射的变化和海洋动力过程。因此,内潮会经历季节性周期(Jeon等人,2014;Liu等人,2019;Cai等人,2024)。Wang等人(2022)利用系泊观测和卫星数据研究了ECS中内潮的季节性变化。然而,他们的观测仅覆盖了三个月的时间段,不足以代表一个完整的季节周期;此外,卫星数据只能提取出一致的特征。因此,需要进一步探索ECS内潮的季节性变化。内潮的季节性变化会导致潮汐混合的相应变化,但ECS中潮汐混合的季节性演变却很少被研究。因此,需要全面探讨ECS中潮汐混合的季节性周期。
近几十年来,大气温度持续上升,导致海洋表面直接变暖。在表面以下,热量向海洋深处传播。过去50年来,从表面到2000米深度的海层分层现象以每十年约0.9%的速度加剧(Li等人,2020)。这种加剧的分层不可避免地影响了内潮的行为(Guo等人,2024)。Yang等人(2024)指出,变暖增加了全球范围内的内潮能量转换。然而,变暖对内潮季节性的影响很少被讨论。研究内潮季节性如何响应变暖对于理解水动力变化及其对生态系统的影响至关重要。因此,我们通过数值模拟分析了海洋变暖背景下ECS中斜压能量和潮汐混合的季节性演变。
本文的其余部分安排如下:第2节介绍了模型配置方法、内潮能量计算方法和湍流动能(TKE)耗散率估算方法。第3节展示了ECS中内潮季节性变化及其受变暖影响的情况。第4节提供了讨论和结论。

模型配置方法

本研究采用了麻省理工学院通用环流模型(MITgcm),该模型已被广泛用于模拟内潮(Wang等人,2016)。补充图S1a显示了模型域(23°–33°N,121°–131°E),包括ECS和西太平洋的一部分。模型的水平分辨率为1/24°×1/24°。在垂直方向上,模拟包括60个非均匀层,从顶部的0米到底部的5700米,层厚随深度增加而增加。

内潮的季节性

EG1模型中春季模拟的海面高度振幅和相位(补充图S1c)与OTIS数据集(补充图S1b)显示的结果相似。其他季节也发现了类似的模式,因此不再展示。模拟振幅与OTIS结果略有偏差,这突显了斜压潮对正压潮的调节作用。所有实验的平均绝对误差(MAE)显示在补充表S1中。

讨论与结论

本研究通过数值模拟探讨了ECS中内潮的季节性特征,并分析了变暖对内潮季节性的影响。首先,研究了内潮能量的季节性特征。结果表明,夏季和秋季通常内潮生成较强,能量转换在夏季明显增强,而在冬季减弱。接下来,研究了变暖对ECS中内潮季节性的影响。

作者贡献声明

李炳天:撰写初稿、审稿与编辑、可视化、数据调查、数据分析。潘海东:撰写、审稿与编辑、数据调查、可视化。姜东:数据调查、数据分析。李书江:概念构思、项目监督、资金筹集。

数据来源

作者贡献声明

李炳天:撰写初稿、可视化、数据调查、数据分析。潘海东:可视化、数据调查。姜东:数据调查、数据分析。李书江:项目监督、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了泰山学者计划(tstp20221148)、国家自然科学基金(42206022)和山东省自然科学基金(ZR2023QD045)的支持。

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