气候变暖下内部波加速，对海洋动力学和海洋生态系统的影响

内部潮汐是海洋中由潮汐流经过海底地形产生的一种内部重力波，也称为“内部潮汐”，虽然看不见，却对海洋的混合、热量分布甚至生态系统有着重要影响。最近，一项发表在《科学进展》上的研究揭示了一个重要发现，全球变暖正在加速这些内部潮汐的传播速度，而且这种加速趋势在未来可能会更加明显。

内部波生成、传播和耗散机制

内部波虽然不像海表面波浪那样直观可见，但在海洋能量传递、混合等方面扮演着重要角色。但内部波驱动的混合如何在全球范围内分布，以及它如何影响海洋生态及气候环境呢？为了探讨内部波的生成机制，理解内部波的能量传递和耗散过程，研究利用全球海洋环流模型，模拟内部波的生成、传播和耗散过程。

研究全面揭示了内部波的生成、传播和耗散机制，系统地探讨了潮汐、风和洋流如何驱动内部波，并详细分析了内部波的能量传递和耗散过程。

研究发现，内部波的能量主要来自潮汐、风和洋流，这些能量通过内部波的传播和破碎，最终转化为湍流，促进了海水的混合。潮汐水流过海底地形时，会产生内部波，全球潮汐能量转化为内部波的能量约为1太瓦；风在海洋表层产生近惯性振荡，向下辐射内部波，全球风能转化为内部波的能量约为 0.3-1.4太瓦；洋流流过地形或失去地转平衡时，也会产生内部波，全球洋流流过地形或失去地转平衡时，也会产生内部波，全球洋流转化为内部波的能量约为 0.15-0.75太瓦。

波-波相互作用、地形散射及海洋流的变化是内部波的能量传递与耗散的重要机制。波与波之间，内部波通过共振或近共振相互作用，将能量传递到更小的尺度，最终转化为湍流；在地形散射方面，内部波在传播过程中遇到海底地形时会发生散射，转移到其它波中，最终在靠近海底的区域耗散。而海洋流的变化如剪切和应变等，会导致内部波的折射或反射，引发波的破碎。

内部波如何影响全球气候呢？海洋中的冷水在极地沉入深海后，需要通过上升流返回表层，形成一个全球性的环流系统。而内部波驱动的混合对深海上升流有重要影响，内部波混合改变了海洋的温度和盐度分布，进而影响了海洋热量输送、海表温度和大气环流。

图：公海内波混合过程示意图

潮汐与地形特征相互作用，产生高模内波（例如，在洋中脊）和低模内波（例如，在夏威夷海脊等高陡的山脊）。流过地形的深层洋流可以产生背风波（例如，在南大洋）。风暴会引起混合层的惯性振荡，从而产生低模和高模内波（例如，在风暴轨迹下方）。在公海中，这些内波可以从崎岖的地形上散射，并可能与中尺度锋面和涡流相互作用，直到它们最终通过波与波的相互作用消散。到达架和斜坡的内波在向较浅的水域传播时会散射或放大。

小尺度内潮如何驱动深海混合

大尺度内潮可以传播上千公里，能量在远离生成地的地方才被耗散。相比之下，小尺度内潮的特点是它们容易在生成的地点附近破碎，释放能量，直接驱动混合。长期以来，小尺度内潮的作用被忽视。

为了探究小尺度内潮在全球内潮生成和混合中的贡献有多大，研究团队基于Bell的理论框架，结合海底地形、潮汐流和海洋分层数据，计算全球范围内内潮的生成能量及其模态分布，结合卫星观测数据和实地测量数据，对内潮的生成、传播和耗散进行了全面分析。

研究发现，小尺度内潮占全球内潮生成总量的27%，并且其破碎贡献了超过50%的全球混合能量，表明小尺度内潮在深海混合中的作用比我们之前想象的要大得多，挑战了以往认为大尺度内潮主导内潮能量通量的观点。

目前的气候模型中，内潮驱动的混合参数化方式相对简单，通常假设内潮能量的耗散是均匀分布的。然而，这项研究表明，小尺度内潮的耗散具有显著的空间变化，在在大西洋中脊和东太平洋隆起等区域，耗散比例高达0.8-1.0，而在夏威夷群岛等陡峭海脊区域，耗散比例仅为0.3-0.5，意味着现有的气候模型可能低估了深海混合的实际效果。

通过对比理论模型与观测数据，研究发现小尺度内潮的生成与局地湍流耗散之间存在强相关性，在小尺度内潮生成的能量较高区域尤为明显，理论模型的预测和实际观测的数据非常接近，比例几乎是1:1的关系。

气候变暖导致内部潮汐加速

中国科学院南海海洋研究所研究团队，利用全球气候模型（CMIP6）和高分辨率潮汐模型（HRET），分析了从1901年到2100年内部潮汐的变化趋势。

从1901年到2014年，全球平均内部潮汐速度从2.58m/s增加到2.63m/s，增速为0.4cm/s每十年。未来预测显示，到2100年，内部潮汐速度将进一步加速，平均增速为2.0cm/s每十年，最高排放情景下增速可达2.6cm/s每十年。不同区域的变化也不同，中纬度地区30°至60°区域的内部潮汐加速最为显著，而赤道地区的加速趋势较弱。

为什么内部潮汐会加速？研究指出，全球变暖导致的海洋分层增强是内部潮汐加速的主要驱动因素。随着海洋表面温度升高，上层海水变得更轻，与深层海水的分层更加明显，这种分层的增强使得内部潮汐传播得更快。

此外，海洋环流的变化也对内部潮汐速度产生了一定影响，但作用相对较小。研究显示，分层增强贡献了全球平均增速的1.1cm/s每十年，而环流变化仅贡献了0.02cm/s每十年。

这项研究首次从全球尺度揭示了内部潮汐在变暖气候下的加速趋势，并明确了上层海洋分层增强是其主要驱动因素。

图：温室效应下1型M2内潮汐的全球分布及传播速度的演变

( A ) 1 型 M2 内潮汐引起的海面高度（厘米）。( B ) 1 型内潮汐的时间平均速度（丙页1) 从 1901 年到 2100 年的 200 年内。( C ) 全球平均年平均丙页1从 1901 年到 2100 年。(C) 中的直方图表明丙页1源自不同温室气体 (GHGs) 强迫情景下的不同 CMIP6 模型

❓思考题：全球变暖导致内部潮汐加速的主要驱动因素是什么？

A.海洋环流增强
B.上层海洋分层增强
C.海底地形变化
D.海洋盐度增加

目前的模型分辨率可能无法完全捕捉内部潮汐的细节，未来需要更高分辨率的模拟和更多观测数据来验证。此外，为什么北大西洋和南大洋的内部潮汐速度在减速，这背后的机制也需要深入研究。

参考文献：

Accelerated internal tides in a warming climate. Science Advances， 19 Feb 2025，Vol 11, Issue 8，doi/full/10.1126/sciadv.adq4577