惊！全球变暖下海洋内潮悄悄加速，竟牵一发而动全身？

为解决全球变暖如何影响海洋内潮这一问题，研究人员开展相关主题研究。结果发现全球平均内潮速度呈加速趋势，主要受上层海洋分层加剧驱动。该研究对理解海洋生态和气候意义重大，值得科研读者一读。

　　

海洋内潮研究：气候变化下的新发现

在广阔无垠的海洋里，隐藏着许多神秘的现象，内潮就是其中之一。内潮是由周期性潮流在海底地形上流动产生的，属于一种以潮汐频率振荡的内重力波。它就像海洋中的 “隐形使者”，能从产生地传播超过一千公里 。可别小看这个 “隐形使者”，它的作用可大着呢！内潮的破碎不仅能促进海洋的背景混合，还能在远距离上重新分配热量和动量，对海洋生态系统和全球气候都有着深远的影响。

以前，海洋学家们主要聚焦在特定区域研究内潮，比如西北太平洋、北太平洋中部、南太平洋等区域（这些区域的内潮展现出独特的能量特征）。虽然有一些全球尺度的研究，但时间跨度大多只有十几年。然而，在全球气候变化的大背景下，我们迫切需要了解内潮在几个世纪尺度上的长期变化情况，特别是全球变暖会如何影响内潮，这就好比我们要知道在全球气候这个大 “舞台” 上，内潮这个 “演员” 会有怎样的表现变化。但要回答这个问题困难重重。首先，从实地观测来说，仪器的电池存储容量有限，很难长期以高频率（大约每小时一次）测量内潮；而且，在广阔的海洋中布置的测量设备分布稀疏，要同时记录不同区域的内潮非常具有挑战性。其次，虽然多卫星测高数据能从表面高度描绘内潮的全球视角，但海洋内部的波特性需要通过复杂的计算才能得到。最后，数值模拟虽然是研究内潮的重要方法，但进行跨越世纪的全球模拟，需要消耗大量的超级计算机资源和存储容量，成本高得惊人。由于这些难题，内潮在长期（超过一个世纪）的变化情况，从全球角度来看，几乎还是一片空白。

为了揭开内潮在全球气候变化下的神秘面纱，作者[第一作者单位] 的研究人员进行了深入探索，并在《Science Advances》期刊上发表了题为 “How greenhouse warming affects internal tide speeds in the world’s oceans” 的论文。研究发现，全球平均内潮速度呈现出强劲的加速趋势，从历史时期的每十年增加 0.4 厘米 / 秒，到未来预计每十年增加 2.0 厘米 / 秒。这一趋势主要是由上层海洋分层加剧导致的，背景洋流则起到了次要作用。这意味着在全球变暖的情况下，内潮传播得更快了，而这一变化可能会对海洋能量级联和生物生产力产生影响。这一发现对于我们理解海洋生态系统和全球气候的变化有着重要意义，为相关研究提供了新的视角和关键信息。

在这项研究中，研究人员主要运用了三种关键技术方法。一是使用了参与耦合模式比较计划第 6 阶段（CMIP6）的多个全球气候模型，这些模型提供了从 1901 年到 2100 年的历史和未来不同温室气体排放情景下的海洋环境参数数据。二是结合了高分辨率经验潮汐（HRET）模型，该模型利用 1992 - 2015 年的多卫星测高数据，估算出内潮引起的海平面异常。三是通过计算泰勒 - 戈德斯坦方程来求解内潮传播速度，同时考虑背景分层和洋流的影响，以此来分析内潮速度的变化趋势。

下面让我们详细看看研究结果：

模型评估和全球模式

研究人员首先评估了 CMIP6 模型在再现 1 阶 M2 内潮相速度（）方面的性能。他们将模型得出的与 1998 - 2022 年 Argo 浮标观测数据进行对比。结果发现，尽管在某些区域观测数据可能无法确定速度，但 CMIP6 模型和 Argo 浮标得出的在时间和空间上的一致性都非常显著。例如，在 2010 年 2 月和 2020 年 8 月不同季节的对比中，两者的表现出相似的变化趋势 。而且，从长期来看，CMIP6 模型和 Argo 数据集的样本平均在时间变化上也类似。这表明利用 CMIP6 模型来量化未来的趋势是可行的。

同时，研究人员分析了 1901 - 2100 年 200 年平均的全球分布特征。他们发现，的全球分布呈现出明显的空间差异。在全球范围内，较大值（>3.5 m/s）的区域主要集中在中纬度地区，这是因为这些地区的背景分层和地球自转效应相对较强，像西北太平洋、北太平洋中部、西南印度洋和南太平洋这些区域就是典型代表。相反，在低纬度地区，如东南印度洋和北大西洋，时间平均的通常小于 3.0 m/s。

气候变暖下内潮的加速趋势

研究人员利用泰勒 - 戈德斯坦方程，评估了全球平均在历史和未来 CMIP6 模拟中的长期变化。在历史模拟中，从 1901 年到 2014 年，全球平均从 2.58 m/s 略微增加到 2.63 m/s，即每十年增加 0.4 cm/s 。然而，与过去不同的是，未来不同情景的预测综合显示，全球平均将呈现显著的加速趋势，到本世纪末，其平均增长率预计为每十年 2.0 cm/s。在不同排放情景下，增长率有所不同，最低排放情景（SSP1 - 2.6）下为每十年 1.0 cm/s，最高排放情景（SSP5 - 8.5）下则高达每十年 2.6 cm/s。

为了验证这一加速趋势的可靠性，研究人员绘制了过去（1901 - 2014 年）和未来（2015 - 2100 年）变化趋势的全球地图。在过去，热带和亚热带地区的没有明显的长期变化，但在大多数中纬度地区，由于表面温度上升导致上层分层加强，出现了轻微的加速趋势（<2.0 cm/s 每十年）。在一些高纬度地区，如北大西洋和南大洋，则呈现减速趋势。在北大西洋，温度升高被盐度增加所抵消，导致北大西洋北侧的分层趋势为负；在南极附近的南大洋，分层减少是由于变暖延迟和淡水被卷入海洋内部。在未来，世界上大多数海洋的都将呈现显著的加速趋势（超过 2.0 cm/s 每十年）。从 200 年的变化来看，中纬度（30° - 60°）地区的内潮加速比赤道地区更快。研究人员还分别研究了六个感兴趣区域（NWP、NCP、SP、SWI、SEI 和 NA）内潮的长期变化，发现过去赤道附近的 NWP 和 SEI 内潮加速趋势不明显，而其他四个高纬度地区在过去一个世纪内潮加速趋势增长了三到四倍。在未来预测中，除了 SEI（1.1 cm/s 每十年），大多数地区内潮加速趋势相似，在 1.7 - 1.9 cm/s 每十年之间 。这些结果表明，全球变暖使得内潮加速趋势在全球范围内显著增强。

三大洋背景洋流的贡献

在人为气候变化的影响下，全球大部分海洋的上层洋流加速，而背景洋流对内潮的能量和特性有着重要影响。那么，上层加速的洋流对三大洋内潮的变化有何贡献呢？研究人员通过分别求解考虑和不考虑洋流的泰勒 - 戈德斯坦方程，并计算两者 200 年平均的差异（）来探究这个问题。

研究发现，背景洋流对的影响在所有区域都很明显，并且与全球环流模式相关。由于背景环流在加速和空间分布上的差异，其对 1 阶内潮的影响在全球范围内各不相同（52% 为正影响，48% 为负影响）。在约 4% 的海洋区域，背景洋流对的影响超过 10 cm/s。在六个感兴趣区域中，SEI 的区域平均最大，接近 0.5 cm/s。这是因为印度尼西亚贯穿流在该区域占主导，且与印度尼西亚海附近的内潮方向相近，随着东印度洋因表面变暖而分层加强，印度尼西亚贯穿流变强，使得从历史时期到未来预测持续增强。相反，SP 的区域平均最小，仅约 0.01 cm/s，这是因为该区域的亚热带环流相对较弱，且南极绕极流的影响被塔斯马尼亚大陆坡和南太平洋中部岛屿产生的多方向内潮所抵消。在 NWP，内潮主要从吕宋海峡产生并向东传播，黑潮向东北流动，两者传播方向相似，使得 200 年内区域平均为正（约 0.3 cm/s ）。而在 SWI 和 NA，阿古拉斯暖流和墨西哥湾暖流对的影响相对较小（<0.2 cm/s ）。在 NCP，内潮主要从夏威夷海岭和阿留申海岭产生，传播方向主要为经向，但该区域北部亚热带环流东移，南部北赤道流西移，使得背景洋流的正影响占主导（超过 60% 的区域），最终区域平均约为 0.3 cm/s 。总体而言，自上个世纪以来的 200 年里，背景洋流对三大洋内潮一直有着积极的影响。

内潮加速的潜在驱动因素

之前的研究已经表明，海洋分层和环流存在增加和加速的趋势，同时内潮也呈现出加速趋势。但究竟是哪个因素在内潮加速中起主导作用呢？这还是个未解之谜。

为了解开这个谜团，研究人员计算了全球平均的三个代表性变量（最大浮力频率、温跃层深度和背景洋流的深度积分动能 KE）的时间变化，并通过计算相关系数来评估它们与的关系。从 1901 年到 2100 年，全球平均分层显著增强（从 s?1 增加到 s?1 ），温跃层变浅（从 115 米变为 105 米）。全球平均时间序列显示，与之间的年度相关性非常高（ = 0.97 ），这表明最大分层变化对 1 阶内潮加速的影响很大。从空间上看，除了北大西洋和南半球一些亚热带地区，在世界大部分海洋中与呈正相关。相反，与在全球平均上呈负相关，但它们的空间相关模式较为复杂，正负值比例大致相等。同时，全球平均 KE 从 7.3 kJ/m 逐渐增加到 7.9 kJ/m，在 21 世纪呈现出显著的加速趋势（52 J/m 每十年）。虽然全球平均与 KE 呈正相关，但它们的空间相关系数呈现出明显不同的模式，在赤道和亚热带地区正负交替。

研究人员还分别计算了分层变化和环流变化对内潮加速的单独贡献和共同影响。结果发现，分层变化在超过 95% 的海洋区域使增加，导致全球平均趋势为每十年 1.1 cm/s 。而背景环流变化的空间变异性更复杂，仅在约 49% 的海洋区域使增加，导致全球平均趋势为每十年 0.02 cm/s 。由此可见，内潮加速的主要驱动因素是背景分层的加剧，尽管背景洋流的加速也对部分区域的内潮系统有影响。

综合研究结果和讨论部分，这项研究意义重大。它首次基于 CMIP6 模型的环境参数，估计了 1 阶内潮速度 200 年的演变，为全球大部分海洋内潮整体加速提供了有力证据，并合理地解释了内潮加速的原因是全球变暖导致的背景分层加剧，同时也明确了背景洋流对其传播过程的调制作用。内潮速度的变化会影响海洋的能量传递和物质交换，进而对海洋生态系统产生影响，比如可能会改变海洋的氧气浓度、营养物质供应，影响海洋生物的生产力和多样性 。而且，内潮传播速度加快可能会对珊瑚礁产生影响，为当地多样的珊瑚提供持续的热缓解，减轻热应力，降低珊瑚白化的风险，这对于在变暖海洋中保护珊瑚礁有着重要的指导意义。不过，研究也存在一定的局限性，CMIP6 模型在分辨率和对海洋过程的表征上存在差异，不同的温室气体排放情景也会带来未来预测的不确定性。未来需要更高分辨率的潮汐解析模拟和更多的观测数据，来进一步完善对气候变化下内潮动态变化的认识，更好地理解和预测海洋生态系统和全球气候的变化。