全球变暖如何放大内部潮汐，深入探究海洋动力学和气候变化
潮汐与海洋分层之间的相互作用是海洋动力学中复杂但至关重要的组成部分。随着地球因气候变化而经历显著变暖，内潮汐（在不同水层中传播的海浪）的行为变得越来越重要。内潮汐有助于各种过程，包括营养混合、碳循环和海洋能量再分配。一项新的研究表明，全球变暖可能会增强内潮汐的产生和强度，尤其是在海洋分层加深的情况下。
什么是内部潮汐？
内潮汐是在海洋内部传播的波浪，通常位于表面混合层之下。这些潮汐是由月球和太阳施加的引力产生的，它们与地球的海洋层相互作用，导致压力和密度的变化。当潮汐力在海洋表面产生扰动时，就会发生内潮汐，然后这种扰动会转化为一系列在水柱中传播的内波。这些波浪对于海洋内部的垂直混合至关重要，会影响水的温度和盐度分布。
内潮汐的形成受多种因素影响，包括海洋深度、分层（不同密度的水团分层）和海底地形的性质。最强烈的内潮汐往往发生在垂直分层明显且靠近尖锐水下地形特征（如山脊或海山）的区域，在这些区域，潮汐力特别容易产生波浪状扰动。
全球变暖对海洋分层的影响
全球变暖正在导致海洋状况发生重大变化，其中最深远的影响之一就是海洋分层的改变。分层是指海洋的分层，较轻（密度较低）的水通常位于密度较高（较冷或较咸）的水之上。这种分层主要是由温度和盐度梯度引起的，由于气候变化，温度和盐度梯度现在变得更加明显。
随着表面温度上升，海洋上层的变暖速度比深层更快，导致表层和深层水域之间的密度差异增大。分层加深对海洋动力学产生了多种影响，特别是在内部潮汐生成方面。在温度升高的条件下，海洋近底层可能会变得更加分层，从而增加垂直密度对比。这种增强的分层使潮汐力更容易产生低模和高模内潮汐，因为从潮汐力到内波的能量转换变得更加高效。
简单来说，海洋越分层，潮汐力就越能有效地诱发内波，这一过程导致内潮汐的强度和能量增加。最近的研究表明，在气候变化下，潮汐能向内波能的转化将显著增加，这对海洋混合、碳循环和生态系统动态具有重要意义。
内部潮汐在海洋动力学中的作用
内部潮汐通过促进垂直混合在海洋动力学中发挥着关键作用。这种混合对于表层和深层海洋之间的热量、营养物质和气体的重新分配至关重要。随着内部潮汐强度的增加，其驱动垂直混合的能力将增强。这可能会对海洋的生物地球化学及其在气候调节中的作用产生多种连锁效应。
内潮汐的主要功能之一是其在营养物混合中的作用。通过在水柱中引起湍流和混合，内潮汐有助于将营养物从深水带到水面，供浮游植物等初级生产者使用。这一过程支持海洋食物网，对于维持海洋生产力至关重要。
内部潮汐在热量分布中也发挥着重要作用。随着海洋变暖，热量被困在表层中。然而，增加内部潮汐混合可以促进这种热量向下输送到更深的层，从而可能改变海洋温度分布和海洋内部的热量分布。这种重新分配可能会对区域气候、海洋环流模式和地球的整体热状态产生深远影响。
更强的内部潮汐产生的能量增加也可能影响海洋中的碳循环。由于内部潮汐增强了混合作用，它们可能会促进有机碳从表面向下输送到深海，这一过程有助于海洋在碳循环中发挥作用。这种垂直输送对于从大气中封存碳和减轻气候变化的影响至关重要。这一过程效率的提高可能会减轻或加剧大气中二氧化碳的积累速度，这取决于碳输入和封存之间的平衡。
新的研究发现
一项新的研究将内部潮汐生成的线性模型应用于高碳排放情景下的耦合全球气候模型模拟，分析了从正压潮汐到内潮汐的能量转换如何响应全球变暖。
研究发现，全球变暖加剧了近底部分层，从而导致能量转化为内部潮汐的能力增强。在较暖的海洋条件下，表层水和较深海洋层之间的温度对比变得更加明显，从而形成更稳定的垂直分层。这种增强的分层会放大低模和高模内部潮汐的产生。
到21世纪末，在高排放情景下，能量转化为高模内潮汐的能力可能会显著增加，预计将上升约8%，而低模内潮汐的能量转换几乎保持不变。在全球变暖下，近底部分层的加强增加了低模和高模内潮汐的能量转换。相反，深度平均分层的加强降低了内潮汐的模态水平波数，导致高（低）模内潮汐的能量转换增加（减少）。
低模内潮汐是较大、较低频率的波，通常对大规模混合和热量分布产生更显著的影响；高模内潮汐，即波长更短、频率更高的潮汐，在全球变暖的情况下变得更加突出。这些潮汐对分层变化更加敏感，可导致海水局部混合更加剧烈。
在全球变暖下，近底部分层的加强增加了低模和高模内潮汐的能量转换。相反，深度平均分层的加强降低了内潮汐的模态水平波数，导致高（低）模内潮汐的能量转换增加（减少）。我们的研究结果表明，在全球变暖下，粗糙地形上的混合更强，应在气候模型中对其进行适当参数化，以更准确地预测未来的气候变化。
此外，内部潮汐的增加可能会加速海洋混合。内部波是垂直混合的关键机制，尤其是在跃层，跃层是水密度急剧变化的层。混合增强可导致表面和深层海洋之间热量、碳和营养物质的垂直输送速度加快。研究表明，潮汐能向两种内潮汐模式的转化增加，将在未来的海洋环流和热量再分配模式中发挥关键作用，有可能加速表层和深层水之间的热量和碳的转移。
思考
虽然内部潮汐可能会增强垂直混合，影响热量和营养物质的分布，但这一过程也可能通过重新分配海洋热量而加剧气候影响。内部潮汐能的变化如何影响海洋热含量和环流模式，从而可能加剧或缓解全球变暖？
内潮强度的增加也可能对沿海环境产生重大影响。混合增强可能会影响沉积物动态，从而可能改变沿海侵蚀的速度或影响沉积物沉积模式。这对沿海栖息地有何影响，特别是在已经受到海平面上升影响的地区？
参考文献：Zhibin Yang, Zhao Jing, Xiaoming Zhai, Clément Vic, Hui Sun, Casimir de Lavergne & Man Yuan ，Enhanced generation of internal tides under global warming. Nature Communications volume 15, Article number: 7657 (2024) ，doi. s41467-024-52073-3
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