中圖分類號:P7 文獻標志碼:A 文章編號:105-9857(2025)01-003-12
OceanVerticalandDep-SeaTransport:MarineClimatic andEnvironmentalEcologicalEfects
QIQinghua1,2
(1.ThirdInstituteofOceanography,MNR,Xiamen,China; 2.FujianProvincialKeyLaboratoryofMarinePhysicalandGeologicalProceses,Xiamen,China)
Abstract:Oceanverticalanddep-seatransportsseverasdominantpathwaysfortheinteraction betwenclimateenvironmentanddepoceans,andesentialchanelmechanismsforthedeposition,storage,transportofland,atmosphereandsurfaceoceanmaterialandenergyintoandreleasefromthedepsea,whichprofoundlyshapethefuldepth marineenvironmentalecology andtheproces ofglobalclimaticandenvironmentalchanges.Focusingontheuperoceanventilationproces,theverticaldiapycnalmixingoftheintermediateanddepoceans,andtheabysalandbenthicoceantransport,thispapersummarizestheverticaltransportoftheocean andthedepseatransport,andalsoevaluatestheirimpactionsontheoceanclimateandenvironmentalecology.Thenresearchsugestionsonthecurentresearchstatusandlimitationswere putforward.Theresultsshowthatoceanverticalanddep-seatransportsexertcriticalfedback toandfar-reachinginfluenceonclimateandenvironmentalchange,andactasfundamentaldriversfortheevolutionofoceanclimateandenvironmentalecologyininteregionalseaarea,diferentoceanicregionsandinteroceans.Itissugestedtoenhancetheindependentresearchanddevelopmentofdeplevelsoceanobservationinstruments,promotetheinternationalcoperation mechanism,strengthentheheterogeneouscolaborativenetworkobservationcapability,depen theinterdisciplinaryintegrationandintersection,enrichthetheoreticalmethodsandaplication practicesoffuldepthoceanmixingandexchangeandtheinteractionofsea-land-air,andefectivelimrovethecomrehensiveasesmentoftheriskinducedb oceanthermodnamicand ecologicaldisastersaswelasthegovernancecapacityofclimatechange,withprovidingstrong scientificandtechnologicalsuportfortheenvironmentalsafety guarante ofhigh-quality marinedevelopmentandecologicalcivilizationconstruction.
Keywords:Thermohalinestratificationstructure,Oceandiapycnalmixing,AvailablePotential Energy,Subduction/Obduction,Overturning,Fuldepth waterexchange,Depseacirculation, Climatechange
0 引言
認識海洋熱動力過程及能量物質收支與循環,尤其海洋垂向傳輸和深海輸運在能量、物質輸送與平衡中的作用,是理解和應對全球及區域氣候變化與環境生態保護的關鍵基礎。海洋垂向傳輸是能量與熱鹽結構等環境分異背景下海洋混合的總體表觀,主要由海洋多尺度動力過程協同效應產生,并宏觀體現為鉛直方向上對流形式的水體交換與物質傳輸。其科學意義側重于海水各種特性(如,動量、熱量、濃度等)向深海的配置封存[1-2],以及各海洋物理生化要素的涌升呈現[3]。由于動力強迫的影響深度不同,在層結海洋中,海洋更深層大尺度垂向傳輸主要由熱鹽作用引起[4]。不同深層次海洋水平壓力(密度)梯度下的水體運動則產生深海輸運[5],并造成和促進水體及物化等特性的交換與重新分配,促使全深海洋環境演化,進而調控海洋現象和過程的生消[6]。
隨著人類活動的加劇,溫室氣體、污染物(如,重金屬、持久性有機污染物、微塑料和放射性物質)
等排放量增加,地球氣候和環境生態系統正在急速變化,海洋作為最大的儲庫和資源寶庫,是氣候和環境生態變化以及致害致災的重要控制器和調節器。基于此,本文圍繞上層海洋通風過程、中下層海洋跨等密度面混合以及底層急流異常等關鍵熱動力過程,綜述海洋垂向傳輸和深海輸運方面的研究現狀,并分析探討以上過程對海洋生態和氣候環境的主要影響。同時,針對目前研究的不足,提出若干研究建議,從而為系統認識全深海洋熱動力結構、過程與物質能量輸送,以及為我國海洋領域應對氣候變化、防災減災、海洋生態系統保護和海洋環境安全保障提供必要的科技支撐。
1 上層海洋通風過程與模態水
通風過程是海洋上混合層水體向大洋內部輸送和輸出的重要通道機制[7],本節從海洋層結入手,分析探討模態水形成、潛沉與浮露以及主要的動力過程強迫。
1.1 海洋層結與通風過程
海洋因鹽度和溫度的垂向差異會造成密度層結現象,并以上層海洋的層化最為顯著,全深海水通常呈現密度較為一致的上混合層、密度連續過渡的中間躍層與密度相對穩定的深水層為主要特點的密度結構。其中,混合層同時作為海洋上界面和大氣下界面,其變化明顯體現出對太陽輻射和大氣強迫的響應,在動力驅動和浮力通量(熱通量和淡水通量的綜合效應)作用下,混合層具有明顯的季節性變化[8];躍層本身具有阻礙作用,尤其是鹽度躍層的形成,會使溫度躍層深于密度躍層從而導致障礙層的出現,其中風應力旋度引起的跨等密度面的抽吸涌升是鹽度躍層產生的動因之一[9]。障礙層通過削弱混合層底的冷卻效應,影響海洋熱收支。受海表凈熱通量損失、大氣強降水以及暖水團或環流平流輸運等影響,海水還會出現逆溫躍層現象,逆溫層一般位于障礙層中[10]。海洋溫鹽度的不均勻分布會引起多樣性浮力驅動的對流湍流現象,尤其是密度躍層內呈現擴散對流、鹽指等微結構特征,是熱量和鹽度在垂直方向混合分布的重要作用機制[11-12]。而垂向速度剪切不穩定造成的湍流混合會使混合層深度發生變化[9]。根據斜壓理論,密度場結構與環流動力場構成熱成風動力學關系,特別針對密度場的垂向結構,溫躍層上層部分,由于海氣相互作用影響,存在水體自混合層進入以下水層的通風(或潛沉)過程,而被稱為通風溫躍層[13]。基于連續模型對北大西洋風驅環流三維結構的計算表明,通風溫躍層內具有低位渦水團,環流在通風區內較為集中,混合層垂向抽吸在通風溫躍層中具有重要的地位,即風應力旋度造成 Ekman抽吸效應,在通風溫躍層中對應潛沉和涌升過程[14]。其中溫躍層密度面在混合層內的抬頭(Outcroping)為潛沉創造了條件[15-16]。本文暫未考慮非均勻風產生海水輻聚輻散誘導的升降流,以及由水平環流引起的側向導入的通風過程。對溫躍層通風過程更細致的分析,是認識上層海洋熱鹽結構,理解海洋表層與次表層相互作用、內部動力過程以及海洋深層次水體演變機制的基礎,更是系統認識海洋與氣候變化關系的重要前提之一。
1.2 模態水形成、潛沉與浮露
模態水是由通風溫躍層潛沉過程而形成的,如上述低位渦水團,是重要的海洋溫躍層通風現象,以中高緯度(副熱帶或副極地)冬季最為明顯[17]。中高緯度海域受海氣相互作用影響,混合層季節變化顯著,為模態水的形成創造了有利條件。模態水不僅保存大氣外強迫的長期記憶,而且也攜帶了局地氣候環境信號,是大氣強迫信號向深層次海洋輸送的重要載體,也是不同海區海洋氣候和環境生態相互影響的重要通道機制。模態水形成過程主要包括風應力攪拌混合引起的深對流過程、風應力旋度影響下 抽吸的下壓過程、渦旋和浮力通量(熱鹽效應等)引起下沉以及背景流場的平流(含地轉平流)等過程[18-25]。分析顯示,全球海洋副熱帶模態水中,北大西洋具有最深厚模態水體以及最強的回流系統,深厚的模態水與強的西邊界流密切相關[26]。而北太平洋副熱帶模態水的年際變率與東亞冬季風的強弱對應顯著,強東亞冬季風期間,模態水形成區的強風通過Ekman層的水平輻散引起海表失熱,致使模態水相對冷而深厚[27]。計算表明,北大西洋和北太平洋潛沉率的垂向抽吸分別為17.5Sv 和 25.1Sv 。浮露率總體分別為 23.5Sv 和7.8Sv[28] 。基于模式發現,北太平洋東部模態水對氣候變化下溫室氣體和氣溶膠強迫具有明顯響應[29],模態水呈快速酸化特征[30]。尤其在氣候變化背景下,淡化影響的露頭線發生遷移[31],北太平洋和北大西洋副熱帶模態水趨于暖化[32],氣候變化深刻影響著模態水的通風過程[33]。
2 中下層海洋跨等密度面混合與大洋水團
有關通風溫躍層的理解,尤其是層化模型向連續模型的發展,對認識躍層結構和等密面內運動形態具有關鍵性作用[14,34]。而跨等密度面混合則會通過調節密度場,增加系統勢能,誘發深層垂直對流和大尺度環流,調控深層次水團更新頻率[35],對其的分析研究具有極為重要的科學意義。
2.1 中小尺度過程影響下的跨等密度面混合
中小尺度引起的強混合,不僅促進海洋有效位能轉化,增強深海潛沉與上涌,驅動海洋垂向運動,而且強迫深層水平環流,調控大洋熱鹽環流的機械能平衡[36-38]。因此,深海環流的分布、強度以及垂向傳輸很大程度上被跨等密度面混合所控制和驅動。溫躍層以下大洋的跨等密度面混合主要以風輸入的近慣性能量[39]、內潮能量[40]、海洋中尺度渦能量[41]等 作為能 量 來 源,而 近 慣 性 內 波[42]、內潮[43]、內孤立波[44]、海洋中尺度渦[45-46]、非線性波-波相互作用[47]、背景流與內波間的能量交換以及行星波邊界反射[48]等則是影響海洋混合的多種動力 作 用 形 式 和 過 程,對 水 團 演 變 及 深 層 環流[49-50]、營養物質的垂向輸運[51]、底邊界層沉積物再懸浮[52]等產生重要影響。
我國南海兼具邊緣海與深海特色,在季風控制以及臺風、黑潮、渦旋強潮和復雜地形等綜合影響下,南海發育了獨特的深海動力環境,我國學者在南海深層次動力過程研究方面取得了豐富成果。理論與觀測表明,在強風過程(如,臺風)激發的近慣性振蕩以及非線性內波(如,內孤立波)、內潮作為動力來源的混合作用下,南海環流呈上、中、下3層結構[53]。其中垂向水體交換是鏈接上層風生環流與深海熱鹽環流的重要互作機制[54]。西北太平洋水體以海底溢流( ,詳見下節)的形式通過呂宋海峽入侵到南海深層,成為南海中下層環流主要的渦度輸入[55]。在連續守恒約束下,南海深層涌升的跨等密度面混合率約為 10-3m/s 的量級[56]。同時,在斜壓潮轉化條件下,內潮形成的深層混合,不僅增強南海深層水平環流,而且通過垂向交換使得南海中下層獲得與Ekman抽吸同量級的上涌速率[49],進而對南海上層風生環流產生重要調控作用[56]。研究發現,南海內孤立波最大波致流速的水平和垂直分量可達 3.2m/s 和 0.8m/s ,最大振幅可達 260m[57] ,顯著影響南海熱量和能量的輸運以及中下層海洋環境[44,58]。研究顯示,南海中尺度渦具有全水深三維結構,由于地形 β 效應,中尺度渦軸心隨深度增加發生傾斜,南海中尺度渦及其三維傾斜結構對南海中深層次環流體系以及季節內振蕩可產生重要影響[59-60]。此外,近慣性內波可下傳至深海[61],同時臺風能引起近慣性內波出現紅移,造成近慣性能量下傳的差異[62]。值得關注的是,南海垂向傳輸并非單一的垂向交換,而是表現為上下層順時針翻轉和中層弱逆時針翻轉的三層經向翻轉結構[63],然而,目前對翻轉環流的垂向動力關聯以及浮力通量的作用貢獻缺乏定量化評估。
2.2 大洋水團的深海下沉與涌升
由于大洋熱鹽分布和混合效率的不同,在垂向上形成不同的大洋水團,通常稱為表層水、次表層水、中層水、深層水和底層水[64-65]。混合效率,可理解為水體交換效率,主要包括擴散率、耗散率、生成率、潛沉率、浮露率以及翻轉率等的綜合效應[66-67],是調控海洋水團、層結、渦旋和環流(如,上升流)等熱動力過程的重要因素[36]。而深層環流則是深層次大洋水團形成、傳輸的動力載體[68-69]。內部混合與浮力通量的改變影響著大洋水團的深海下沉與涌升過程[70]。大洋水團的形成分布以運動水體的潛沉為主,同時,地形約束、上層環流(包括渦旋誘導)輸運以及氣候變化引起的海水暖化和淡化對大洋水團變性及其下沉和涌升過程具有本質性影響[71-75],大洋水團引發海水的運動對深層環流體系的形成和垂向通風過程具有重要作用[76-77],由于大洋水團是非機械能驅動下由熱鹽效應形成的大尺度海洋水團,有別于陸架區地下水和地表河口、降水徑流入海產生的沖淡水體、低鹽鋒面或低鹽透鏡水體等中尺度現象,其對年代際以上氣候環境變化更具深遠影響[78]。目前對大洋水團及其輸運的觀測研究尚待豐富。
3 深層海洋輸運與底層急流
深海環流的研究工作始于20世紀60年代[79],此后受到廣泛關注,并從邊界層理論[80]、斜壓理論[81]、跨等密度面混合[82]以及大洋水團形成[83]等角度對傳統理論進行了發展完善。深海環流涉及內部地轉環流和深層邊界流[84]等,本節僅簡述深海翻轉和底層環流及其輸運。這里底層急流指相比海槽和海山環流等小尺度環流更大尺度的底層環流。主要包括深海翻轉環流、海底溢流和底層等深流等。
3.1 深海翻轉環流
深海環流普遍具有深層高密度水向北流動而淺層低密度水向南流動的翻轉特征。混合效率的分布與變化、地熱加熱以及海盆地形對深海翻轉環流起著外部約束的作用[66,85]。研究表明,受南海復雜底地形的影響,內潮破碎和地形 Rosby陷波等強混合過程引起的熱鹽效應,是南海深層經向翻轉環流重要的強迫機制,同時,呂宋海峽海底溢流對南海深層翻轉環流也具有重要驅動作用[35,86],但其具體影響機制和貢獻仍需進一步研究。分析發現,南海中層水的年代際變淡現象,與南海深層翻轉環流的減弱密切相關[87]
3.2 海底溢流
海底溢流作為大洋熱鹽環流的重要驅動機制,主要指沿陸坡下沉的高密度水在海脊處溢入海盆的流動。由北冰洋進入副極地北大西洋的溢流約占 AMOC 水源的2/3,是 AMOC 深水形成的重要來源[88]。呂宋海峽兩側,即南海與西太平洋深海密度差異是形成呂宋海峽海底溢流的主因[89]。觀測分析顯示,流入南海的近底層水的最大流速可達40cm/s ,遠高于開闊 大 洋 的 深 海 背 景 流 速 (約1cm/s)[90] 。整體海域位渦平衡約束下,呂宋海峽海底溢流的低溫高鹽水進入南海的潛沉過程,可驅動南海深層海盆氣旋式環流[86]。由于海洋底層觀測的匱乏,有關深海溢流的分析目前主要基于數值模式診斷。
3.3 底層等深流
由于大洋深層尤其側邊界地形深度突變效應大于行星渦度變化,底層流在低階近似下與等深線趨于重合,故而形成等深流[91]。研究發現,南海東北部海盆底存在等深流水道[92]。模型分析表明,南海地形坡度與非線性內波破碎引起的深層混合能夠強化氣旋式等深流,南海底部等深流流速隨地形坡度增大而加強[93]。海底異常急流對深海沉積環境演變具有重要的貢獻。同時,深層西邊界流流量的大小和變化也是理解太平洋深層和底層水通風量以及深海熱量和淡水平衡的關鍵因素,這里不做論述。由于觀測數據的缺乏,各種尺度海底異常急流的詳細分析當前較為缺乏。
4 海洋垂向傳輸與深海輸運的氣候環境與海洋生態效應
模態水受海洋氣候變率的調控,同時也反饋影響海洋與氣候變化[94]。研究表明,模態水的潛沉是經向翻轉環流水體的重要來源[95],模態水的輸運對人類排放 CO2 的海洋存儲與再分配以及沉積物形成具有重要影響[96-98],同時,模態水調控海洋中生物地球化學循環[99],研究表明,由副熱帶模態水誘導的極端海溫事件對藻華具有觸發作用[100-101]。
深海水團強烈的混合,一方面在水團交界面形成不同類型的海洋鋒面(如,陸架坡折鋒、西邊界流鋒、潮汐鋒、羽流鋒、上升流鋒等),影響環境生態以及聲波在海洋中的傳播,而且鋒面結構的不穩定通過誘導鋒面穿刺和鋒面波等亞中尺度、小尺度過程,進一步加強跨等密度面(跨鋒面)混合[102],相關研究多以陸架海域為主,而深海鋒面的研究尚待加強;另一方面,由于水團鋒面區域水體輻聚輻散,導致上升和下沉的垂向運動加強,引起的深海涌升過程可對上層海洋環流產生重要影響。模式分析則發現,南海海盆尺度的反氣旋式環流異常可源自深層的強烈涌升對南海上層環流的沖壓作用[56]。
南海活躍的中深層環流的輸運作用顯著影響著南海的生物地球化學循環和地質沉積等過程[53]。基于示蹤CFC-1 數據的分析發現,南海吸收的人為 CO2 可輸送至約 1500m 深度[103]。對溶解氧的分析表明,北部陸坡區域存在溶解氧浮露,對應深層低溶解氧中心,從側面證實深層水體能夠上涌到中上層,并參與南海三維環流結構的演變[104]。研究表明,上層中尺度渦的挾裹和深海渦旋是深海沉積物輸運和再懸浮的重要機制[105-106]。并且,等深流與濁流的增強影響著南海西北部海域沉積體系的發育變遷[107]。此外,深海溢流對大洋熱鹽環流的生成具有重要作用,它使高密度水通過海脊下沉補充大洋深層水。深海溢流水對深層水的補充,會使得上層產生補償流,從而影響全水深海洋環流與氣候變化[108]。
5 存在不足與研究建議
深海研究涉及地球演化、全球氣候變化和生命起源等重大科學前沿問題,事關國家安全、資源環境、生態氣候等方面的核心利益。其中,海洋垂向傳輸和深海輸運是認識能量深海傳遞以驅動深層環流,并由不同層次環流互作維系海洋能量物質平衡與生命體系的根本,也是認識全深海洋環境容量和氣候承載的關鍵所在,對其系統研究是提升海洋科技創新策源能力,促進我國生態文明建設,實現人與自然和諧共生現代化的重要實踐。本文圍繞不同深度層次海洋垂向傳輸,著重于深海近底層輸運過程,簡要綜述相關驅動機制機理和對海洋氣候與環境生態的作用影響。針對目前研究現狀,本文提出以下研究不足和啟示性建議。
從文中總體分析可見,一方面海洋內部的混合使得溫鹽密產生空間差異,引起垂向水體擴散對流,激發并影響深層次和底層環流;另一方面,深層次環流的分布與強度,尤其是輻聚輻散會造成較為強烈的垂向涌升和下沉,調控海洋密度(層結)結構。因此,海洋混合鏈接海洋特征水團與中深層環流動力學,宏觀體現為海洋垂向傳輸與深海輸運,是全深海洋動力學理論豐富和發展以及提升全深海洋模擬與預測能力的根本與關鍵。目前,我國有關海洋混合,尤其是深層次海洋內部混合以及深海環流的研究才剛剛起步,相關分析理論、觀測研究和技術方法亟待建立和完善。主要體現在以下幾方面。
(1)海洋底地形影響下的海洋內部混合理論分析。包括環流和潮汐與地形作用對內波(潮)的激發,非線性內波傳播和破碎對垂向湍混合的作用,深海尤其近底層跨等密度面混合的垂向擴散,地形突變與混合的夾卷效應,垂向混合對深海層化和環流的影響等海洋內部混合擴散控制機制及氣候效應(如,海洋暖化和海平面變化等)。以上涵蓋了深海潮汐-內波-湍混合串級理論分析、潮汐與環流相互作用理論分析,海洋混合擴散的氣候理論分析和深海環流動力學理論分析。
(2)深海觀測需求。海洋地形作用下的海洋混合是理解深海環流及其動力輸運的關鍵因子。由于海洋混合的尺度依賴于邊界強化特性,其對多尺度的,尤其是高分辨率底地形數據提出了更高的精準性要求。同時,針對海洋深層次生物生態要素的示蹤觀測,也對海洋內部混合特性和動力輸運提供依據和參考。目前海底數據和深層次海洋調查資料的缺乏,嚴重制約了深層海洋動力過程研究。
(3)全深海洋數值模擬技術方法應用。目前僅能從海洋整體物質能量平衡、熱收支和熱鹽平衡角度估算半定量化海洋混合,而基于觀測的海洋模式對海洋混合的再現(包括模態水等的潛沉與涌升)能力有待進一步提升。跨等密度面擴散的混合參數化方案,深海潮汐混合,尤其是潮耗散的同化理論方法,以及基于動力自適應的海洋混合參數化方案尚需建立和完善。以上對全深海洋模擬與氣候變化評估研究提出了較大的挑戰。
總之,海洋層化分異與混合統一(平衡)是海洋學研究極為重要的兩個方面,而深海大尺度環流及垂向輸運是融通兩者的關鍵物理過程,是認識全深海洋及全球氣候變化的根本。圍繞有關的研究現狀與不足,本文提出以下相關啟發性研究建議。
加強中深層次海洋熱動力過程觀測研究與探測的國際合作,聚焦深層次海洋氣候與環境生態維持與變化的互作機制機理研究,促進全球氣候變化和地球生命起源的深海探索,推動深海科學的多學科交叉與融合集成,不斷開拓地球氣候環境容量與承載方面的應用海洋學創新實踐,維護人類生命共同體的安全健康發展。
海洋是氣候系統多圈層耦合的核心樞紐。有關陸海交換、海氣交換、大洋與近海交換以及洋際交換的研究已具有豐富的成果[109-110]。而圍繞海洋垂向混合輸運、內部相互作用和物質能量交換的研究目前仍十分匱乏。其主要緣于海洋中深層次海洋觀測的不足,以及以此為基礎的海洋跨圈層相互作用,海洋內部物質能量循環的關鍵動力過程,尤其是海洋垂向傳輸和深海輸運相關研究的深度推進。海洋內部多尺度過程和相互作用引起的垂向和縱深輸運對地球熱量和 CO2 吸收能力具有決定性影響,對全球氣候變化趨勢和進程具有重要調控作用。同時其通過影響生源要素的生物地球化學循環過程,構成全海洋生命維持的必要環境生態,是探索地球生命起源演化動因機制的重要途徑。針對海洋中深層次觀測和探測的不足,在海底地形等基礎數據基礎上,應加強深海與海底原位高精尖和新型智能導航、傳感、通信儀器設備及協同觀測平臺的自主研發,加大深海多要素立體觀測的國際合作步伐,加深多學科交叉融合,形成技術和理論創新突破的新增長點,為應對氣候環境變化和地球宜居性研究提供堅實的科技支撐。
(2)增強深海海洋與地球系統科學研究,完善理論方法和應用體系,掌握地球多圈層交互耦合規律,認識全球變化驅動機制,加大全深海洋模式研發,提升全球長期氣候環境變化與海洋生態系統演變預測評估能力,為應對全球氣候變化、防災減災、保護海洋功能提供有力支撐。
海洋是氣候系統多圈層耦合中物質能量的關鍵載體,是跨圈層脅迫的記憶器,對海洋生態環境和地球氣候系統的演化具有重要作用。尤其是海洋垂向傳輸和深海輸運決定水分和碳、氧分配與生源要素循環,對全球暖化、海洋增溫、缺氧、酸化具有重要調控作用,嚴重影響人類生存環境和海洋生態系統結構和功能變化。海洋表層受太陽輻射與大氣和淡水強迫,在海表水平上形成熱力差異,驅動大氣,為海洋輸入動量,通過上層環流等多尺度過程影響熱量、浮力通量和生物地球化學物質輸運。同時,充分混合后與深層次海洋相互作用,并在一定深度上形成海洋熱鹽躍層,作為熱力梯度大值區,其會放大全球氣候系統的變化信號[109]。并且該深度層次也是海洋上層環境氣候正負反饋過程最活躍的臨界區域,值得關注的是,其變化會通過海洋垂向傳輸等物理過程,且在潮汐、地形和地熱加熱等外部影響與內部混合約束下,促進有效位能轉化,驅動次表層水、中層水和深層水的形成和深海輸運,脅迫相關的生物地球化學循環過程,調制全球變化,進而對全球氣候、環境和生態系統產生深遠影響。因此,應圍繞深層海洋環境背景基線與本底、生物多樣性調查,能量和營養物質遷移、轉化,以及影響和驅動深海碳循環、生源要素和生態系統過程關鍵動力環境背景信息、演變和機制等,從深海和地球系統科學角度,增強海洋氣候環境承載力和生態閾值分析能力,豐富全深海洋多尺度動力過程與能量學(尤其是能量串級和湍流混合理論)、生物地球化學過程與氣候研究的理論方法和應用體系,深刻掌握地球多圈層交互耦合規律,發展多圈層多尺度高分辨率數據同化和模式網格化、參數化方案,提升全深海洋預測預評估的系統性和定量化水平,發展防災減災救災預警技術體系,實現全海洋生態系統的健康安全,保障人類社會可持續發展。
參考文獻(References):
[1] TAKEOKA H.Efectsofthedepoceancirculationonthereservoircharacteristicsoftheocean[J].JournaloftheOceanographicalSociety ofJapan,191,47:27-32.
[2] ARCHERD,KHESHGIH,MAIERRE.Dynamicsoffosilfuel CO2 neutralizationbymarineCaCO3[J].GlobalBiogeochemicalCycles, 198,12(2):259-276.
[3] FERRARIR,MASHAYEK A,MCDOUGAL TJ,etal.Turningoceanmixingupsidedown[J].JournalofPhysicalOceanography,2016, 46(7):239-261.
[4] LUMPKINR,SPEERK.Globaloceanmeridionaloverturning[J].JournalofPhysicalOceanography,207,37(10):250-2562.
[5] THOMPSONL,JOHNSONGC.Abysalcurentsgeneratedbydifusionandgeothermalheatingoverrises[J].DepSeaResearchPartI: OceanographicResearchPapers,196,43(2):193-21.
[6] NIKURASHIN M,VALISG.Atheoryofdepstratificationandoverturningcirculationintheocean[J].JournalofPhysicalOceanography,201 ,41(3):485-502.
[7] ORSIA H,JACOBSSS,GORDON AL,etal.Colingandventilatingtheabysalocean[J].GeophysicalResearchLeters,201,28(15): 2923-2926.
[8] KRAUSEB,TURNERJS.Aone-dimensionalmodeloftheseasonalthermoclineI.Thegeneraltheoryanditsconsequences[J].Telus, 1967,19(1):98-106.
[9] KARA AB,ROCHFORDPA,HURLBURT HE.MixedlayerdepthvariabilityandbarierlayerformationovertheNorthPacificOcean [J].JournalofGeophysicalResearch:Oceans,200,105(C7):16783-16801.
[10] HOWE M R,TAITRI.Theroleoftemperatureinversionsinthemixingprocesesofthedepocean[C]/DepSeaResearchandOceanographicAbstracts.Elsevier,1972,19(1 ):781-791.
[1] SCHMITTR W.Doubledifusioninoceanography[J].A nualReviewofFluidMechanics,194,26(1):25 -285.
[12] SCHMITTR W,LEDWEL JR,MONTGOMERYET,etal.EnhanceddiapycnalmixingbysaltfingersinthethermoclineofthetropicalAtlantic[J].Science,205,308(572 ):685-68 .
[13] LUYTENJR,PEDLOSKYJ,STOMMELH.Theventilatedthermocline[J].JournalofPhysicalOceanography,1983,13(2):292-309.
[14] HUANGRuixin.Onthethre-dimensionalstructureofthewind-drivencirculationintheNorthAtlantic[J].DynamicsofAtmospheres andOceans,190,15(1-2):17-159.
[15] MONTGOMERYRB.CirculationinuperlayersofsouthernNorthAtlanticdeducedwithuseofisentropicanalysis[J].PapersinPhysicalOceanographyandMeteorology,1938,6:1-5 .
[16] CSANADY G T,VITTAL G.Vorticity balanceofoutcropingisopycnals[J].JournalofPhysical Oceanography,196,26(9): 1952-1956.
[17] HUANG Ruixin,RUSEL S.VentilationofthesubtropicalNorth Pacific[J].JournalofPhysicalOceanography,194,24(12): 2589-2605.
[18] GAOLibiao,RINTOULSR,YU Weidong.Recentwind-drivenchangeinSubantarcticModeWateranditsimpactonoceanheatstorage [J].NatureClimateChange,2018,8(1):58-63.
[19] KEL Y K A,DONGShenfu.ThecontributionsofatmosphereandoceantoNorthAtlanticSubtropicalMode Watervolumeanomalies [J].DepSeaResearchPartI:TopicalStudiesinOceanography,2013,91:11-127.
[20] SLOYANB M,TAL EY LD,CHERESKIN T K,etal.AntarcticIntermediate Waterandsubantarcticmodewaterformationinthe southeastpacific:theroleofturbulentmixing[J].JournalofPhysicalOceanography,2010,40(7):158-1574.
[21] SUKIGARAC,SUGA T,SAINOT,etal.BiogeochemicalevidenceoflargediapycnaldifusivityasociatedwiththesubtropicalmodewateroftheNorthPacific[J].JournalofOceanography,201 ,67:7-85.
[2] DEWAR W K,HUANGRuixin.Adjustmentoftheventilatedthermocline[J].JournalofPhysicalOceanography,201,31(7):1676-1697.
[23] UEHARA H,SUGA T,HANAWA K,etal.AroleofediesinformationandtransportofNorthPacificSubtropicalModeWater[J].GeophysicalResearchLeters,203,30(13):38.1-38.4.
[24] YASUDA T,KITAMURA Y.Long-term variabilityofNorthPacificsubtropicalmodewaterinresponsetospin-upofthesubtropical gyre[J].Journalofoceanography,203,59:279-290.
[25] TSUBOUCHIT,SUGA T,HANAWAK.ThretypesofSouthPacificSubtropicalmodewaters:theirrelationtothelarge-scalecirculationoftheSouthPacificSubtropicalGyreandtheirtemporalvariability[J].JournalofPhysicalOceanography,207,37(10):2478-2490.
[26] TSUBOUCHIT,SUGA T,HANAWA K.Comparisonstudyofsubtropicalmodewatersintheworldocean[J].FrontiersinMarineScience,2016(3):270.
[27] YASUDA T,HANAWA K.CompositeanalysisofNorthPacificsubtropicalmodewaterpropertieswithrespecttothestrengthofthe wintertimeEastAsianmonson[J].JournalofOceanography,19 ,5:531-541.
[28] QIUBo,HUANGRuixin.VentilationoftheNorthAtlanticandNorthpacific:subductionversusobduction[J].JournalofPhysicalOceanography,195,25(10):2374-2390.
[29] LIXiang,LUOYiyong.ResponseofNorthPacificEasternsubtropicalmodewatertogrenhousegasversusaerosolforcing[J].Advances inAtmosphericSciences,2016,3 :52 -532.
[30] LIChenglong,WU Yingxu,WANGXuchen,etal.Aceleratedacumulationofanthropogenic CO2 drivesrapidacidificationintheNorth PacificSubtropicalmodewaterduring193-2020[J].GeophysicalResearchLeters,202,49(24):e202GL101639.
[31] DURACKPJ,WIJF ELSSE.Fifty-yeartrendsinglobaloceansalinitiesandtheirrelationshiptobroad-scalewarming[J].JournalofClimate,2010,23(16):4342-4362.
[32] SUGIMOTOS,HANAWA K,WATANABET,etal.EnhancedwarmingofthesubtropicalmodewaterintheNorthPacificandNorth Atlantic[J].NatureClimateChange,2017,7(9):656-658.
[3] BINDOF NL,MCDOUGAL TJ.Diagnosingclimatechangeandoceanventilationusinghydrographicdata[J].JournalofPhysicalOceanography,194,24(6):137-152.
[34] WILIAMSRG.Theinfluenceofair-seainteractionontheventilatedthermocline[J].JournalofPhysicalOceanography,1989,19(9): 125 -1267.
[35] TIANJiwei,YANG Qingxuan,ZHAO Wei.EnhanceddiapycnalmixingintheSouthChinaSea[J].JournalofPhysicalOceanography, 209,39(12):3191-3203.
[36] MUNK W,WUNSCH C.AbysalrecipesI:energeticsoftidalandwindmixing[J].DepSeaResearchPartI:OceanographicResearch Papers,198,45(12):197 -2010.
[37] WUNSCH C,FERRARIR.Verticalmixing,energy,andthegeneralcirculationoftheoceans[J].AnualReviewofFluid Mechanics, 204,36:281-314.
[38] ZEMSKOVA VE,WHITEBL,SCOTTIA.Availablepotentialenergyandthegeneralcirculation:partitioningwind,buoyancyforcing, anddiapycnalmixing[J].JournalofPhysicalOceanography,2015,45(6):1510-1531.
[39] LIU Yongzheng,JINGZhao,WULixin.Windpoweronoceanicnear-inertialoscilationsintheglobaloceanestimatedfromsurfacedrifters[J].GeophysicalResearchLeters,2019,46(5):2647-2653.
[40] WANGXiaowei,PENGShiqiu,LIUZhiyu,etal.TidalmixingintheSouthChinaSea:anestimatebasedontheinternaltideenergetics [J].JournalofPhysicalOceanography,2016,46(1):107-124.
[41] XUChi,SHANGXiaodong,HUANGRuixin.Estimateofedyenergygeneration/disipationrateintheworldoceanfromaltimetrydata [J].OceanDynamics,201 ,61(4):525-541.
[42] JINGZhao,WULixin,MAXiaohui.Improvethesimulationsofnear-inertialinternalwavesintheoceangeneralcirculationmodels[J]. JournalofAtmosphericandOceanicTechnology,2015,32(10):1960-1970.
[43] ZHUJia,HUJianyu,LIUZhiyu.OnsummerstratificationandtidalmixingintheTaiwanStrait[J].FrontiersofEarthScience,2013,7 (2):141-150.
[4] LIANGChangrong,SHANGXiaodong,CHENGuiying.Theverticalheatransportofinternalsolitarywavesoverthecontinentalslopein thenorthernSouthChinaSea[J].ActaOceanologicaSinica,2019,38(3):36-4 .
[45] LIMin,XIELingling,YANG Qingxuan,etal.ImpactofediesonoceandiapycnalmixinginGulfStreamregion[J].ScienceChina:Earth Sciences,2014,57(6):1407-1414.
[46] YANG Qingxuan,NIKURASHIN M,SASAKIH,etal.Disipationofmesoscaleediesanditscontributiontomixinginthenorthern SouthChinaSea[J].Scientificreports,2019,9(1):56.
[47] MAO Huabin,CHEN Guiying,SHANGXiaodong,etal.Interactionbetweninternaltidesandnear-inertialwavesatXishaarea[J].ChineseJournalofGeophysics,2013,56(2):592-60 .
[48] JINGZhao,CHANGPing,DIMARCOSF,etal.Observedenergyexchangebetwenlow-frequencyflowsandinternalwavesintheGulf ofMexico[J].JournalofPhysicalOceanography,2018,48(4):95-108.
[49] WANGXiaowei,LIUZhiyu,PENGShiqiu.Impactoftidalmixingonwatermas transformationandcirculationintheSouthChinaSea [J].JournalofPhysicalOceanography,2017,47(2):419-432.
[50] XIEXiaohui,LIU Qian,ZHAOZhongxiang,etal.Dep-seacurentsdrivenbybreakinginternaltidesonthecontinentalslope[J].GeophysicalResearchLeters,2018,45(12):6160-616 .
[51] DUChuanjun,LIUZhiyu,KAOSJ,etal.Diapycnalfluxesofnutrientsinanoligotrophicoceanicregime:theSouthChinaSea[J].GeophysicalResearchLeters,2017,4 (2 ):1510-1518.
[52] YUAN Ye,WEIHao,ZHAO Liang,etal.Implicationsofintermitentturbulentburstsforsedimentresuspensioninacoastalbotom boundarylayer:afieldstudyinthewesternYelowSea,China[J].MarineGeology,209,263(1/4): 87-96 .
[53] WANGDongxiao,WANG Qiang,CAIShuqun,etal.Advancesinresearchofthemid-depSouthChinaSeacirculation[J].ScienceChina EarthSciences,2019,62:192-204.
[54] LUYTENJ,STOMMEL H.Gyresdrivenbycombinedwindandbuoyancyflux[J].JournalofPhysicalOceanography,1986,16(9): 151-1560.
[5] LANJian,WANG Yu,CUIFengjuan,etal.SeasonalvariationintheSouthChinaSeadepcirculation[J].JournalofGeophysicalResearch:Oceans,2015,120(3):1682-1690.
[56] WANGGuihua,HUANGRuixin,SUJilan,etal.Theefectsofthermohalinecirculationonwind-drivencirculationintheSouthChinaSea [J].JournalofPhysicalOceanography,2012,42(12):283-296.
[57] HUANGXiaodong,CHENZhaohui,ZHAO Wei,etal.AnextremeinternalsolitarywaveeventobservedinthenorthernSouthChinaSea [J].Scientificreports,2016,6(1):3041.
[58] LIENRC,TANGTY,CHANG M H,etal.EnergyofnonlinearinternalwavesintheSouthChinaSea[J].GeophysicalResearchLetters,205,32:L05615.
[59] ZHANGZhiwei,ZHAO Wei,TIANJiwei,etal.SpatialstructureandtemporalvariabilityofthezonalflowintheLuzonStrait[J].Journal ofGeophysicalResearch:Oceans,2015,120(2):759-76.
[60] ZHANGZhiwei,TIANJiwei,QIUBo,etal.Observed3Dstructure,generation,anddisipationofoceanicmesoscaleediesintheSouth ChinaSea[J].ScientificReports,2016,6(1):24349.
[61] ALFORD M H,MACKINNONJA,SIMMONSH L,etal.Near-inertialinternalgravitywavesintheocean[J].AnualReviewofMarineScience,2016(8):95-123.
[62] LIUJunliang,HEYinghui,LIJuan,etal.Casesstudyofnonlinearinteractionbetwennear-inertialwavesinducedbytyphonanddiurnaltidesneartheXishaIslands[J].JournalofGeophysicalResearch:Oceans,2018,123(4):2768-2784.
[63] WANG Dongxiao,XIAOJingen,SHU Yeqiang,etal.Progres ondepcirculationand meridionaloverturningcirculationintheSouth ChinaSea[J].ScientiaSinicaTerae,2016(10):1317-1323.
[64] MANTYLA A W,REIDJL.AbysalcharacteristicsoftheWorldOceanwaters[J].DepSeaResearchPartA.OceanographicResearch Papers,1983,30(8):805-83 .
[65] EMERY WJ.Watertypesandwatermases[J].EncyclopediaofOceanSciences,201(6):3179-3187.
[6] LAVERGNEDC,MADECG,SOMMERLJ,etal.Theimpactofavariablemixingeficiencyontheabysaloverturning[J].Journalof PhysicalOceanography,2016,46(2):63-681.
[67] GREGG M C,D'ASARO E A,RILEYJJ,etal.Mixingeficiencyintheocean[J].A nualReviewofMarineScience,2018(10):43 -473.
[68] WIJF ELSSE,TOOLEJM,BRYDEN H L,etal.Thewatermasesandcirculationat 10N inthePacific[J].DepSeaResearchPart I:OceanographicResearchPapers,196,43(4):501-54 .
[69] KANEKOI,TAKATSUKIY,KAMIYA H.CirculationofintermediateanddepwatersinthePhilipineSea[J].JournalofOceanography,201(57):397-420.
[70] ABERNATHEYRP,CEROVECKII,HOL ANDPR,etal.Water-mastransformationbyseaiceintheuperbranchoftheSouthern Oceanoverturning[J].NatureGeoscience,2016,9(8):596-601.
[71] WONG APS,BINDOF NL,CHURCHJA.Large-scalefresheningofintermediatewatersinthePacificandIndianOceans[J].Nature, 199,40 (6743):40-43.
[72] SLOYANB M,RINTOULSR.Circulation,renewal,andmodificationofAntarcticmodeandintermediatewater[J].JournalofPhysical Oceanography,201,31(4):105-1030.
[73] ARBICBK,OWENS W B.ClimaticwarmingofAtlanticintermediatewaters[J].JournalofClimate,201,14(20):4091-4108.
[74] LEARCH,ROSENTHALY,WRIGHTJD.Theclosingofaseaway:oceanwatermasesandglobalclimatechange[J].EarthandPlanetaryScienceLeters,203,210(3-4):425-436.
[75] KANG H S,MOOERSC N K.Diagnosesofsimulatedwater-mas subduction/formation/transformationintheJapan/EastSea (JES) [J].DepSeaResearchPartI:TopicalStudiesinOceanography,205,52(1 -13):1505-1524.
[76] CHAOSY,SHAW PT,WUSY.DepwaterventilationintheSouthChinaSea[J].DepSeaResearchPartI:OceanographicResearch Papers,196,43(4):45-46 .
[7] YOU Yuzhu.IntermediatewatercirculationandventilationoftheIndianOceanderivedfrom water-mascontributions[J].JournalofMarineResearch,198,56(5):1029-1067.
[78] MURRAYJW.Microfosilindicatorsofoceanwatermases,circulationandclimate[J].GeologicalSociety,London,SpecialPublications,195,83(1):245-264.
[79] STOMMEL H,ARONSAB.Ontheabysalcirculationoftheworldocean-I.Stationaryplanetaryflowpaternsonasphere[J].DepSea Research,1959,6:140-154.
[80] WUNSCH C.Onoceanicboundarymixing[C]/Depsearesearchandoceanographicabstracts.Elsevier,1970,17(2):293-301.
[81] PEDLOSKYJ.Thebaroclinicstructureoftheabysalcirculation[J].JournalofPhysicalOceanography,192,2 (6):652-659.
[82] POLZIN K L,TOOLEJ M,LEDWEL JR,etal.Spatialvariabilityofturbulentmixingintheabysalocean[J].Science,197,276 (5309):93-96.
[83] MCDOUGAL TJ,FERRARIR.Abysalupwelinganddownwelingdrivenbynear-boundarymixing[J].JournalofPhysicalOceanography,2017,47(2):261-283.
[84] MC ARTNEY MS.RecirculatingcomponentstothedepboundarycurentofthenorthernNorthAtlantic[J].ProgresinOceanography,192,29(4):283-383.
[85] LAVERGNED C,MADEC G,ROQUET F,etal.Abysaloceanoverturningshapedbyseaflordistribution[J].Nature,2017,51 (7679):181-186.
[86] LANJian,ZHANG Ningning,WANG Yu.OnthedynamicsoftheSouthChinaSeadepcirculation[J].JournalofGeophysicalResearch: Oceans,2013,18(3):1206-1210.
[87] LIUChangjian,WANGDongxiao,CHENJu,etal.FresheningoftheintermediatewateroftheSouthChinaSeabetwenthe1960sand the1980s[J].ChineseJournalofOceanologyandLimnology,2012,30(6):1010-1015.
[8] WULixin,CHENZhaohui.Progresesandchalengesinobservationalstudiesofphysicaloceanography[J].AdvancesinEarthScience, 2013,28(5):542-51.
[89] QU Tangdong,GIRTONJB,WHITEHEADJA.DepwateroverflowthroughLuzonstrait[J].JournalofGeophysicalResearch:Oceans, 206,11(C1):C0102.
[90] CHANG Yating,HSU W L,TAIJH,etal.ColddepwaterintheSouthChinaSea[J].Journalofoceanography,2010,6:183-190.
[91] HOL OWAYG.Observingglobaloceantopostrophy[J].JournalofGeophysicalResearch(Oceans),208,13(C7):C07054.
[92] ZHENG Hongbo,YANPin.Dep-waterbotomcurentresearchinthenorthernSouthChinaSea[J].MarineGeoresourcesamp; Geotechnology,2012,30(2):12 -129.
[93] 肖勁根,謝強,劉長建,等.一個考慮潮汐、中尺度渦和地形影響的南海底部環流診斷模型[J].海洋學報,2013,35(5):1-13. XIAOJingen,XIEQiang,LIU Changjian,etal.AdiagnosticmodeloftheSouthChinaSeabotomcirculationinconsiderationoftidal mixing,edy-inducedmixingandtopography[J].HaiyangXuebao,2013,35(5):1-13.
[94] DAVISXJ,ROTHSTEIN L M,DEWAR W K,etal.NumericalinvestigationsofseasonalandinteranualvariabilityofNorthPacific subtropicalmodewateranditsimplicationsforPacificclimatevariability[J].JournalofClimate,201 ,24(1):2648-265.
[95] THOMASM D,TRéGUIER A M,BLANKEB,etal.ALagrangianmethodtoisolatetheimpactsofmixedlayersubductiononthemeridionaloverturningcirculationinanumericalmodel[J].JournalofClimate,2015,28(19):7503-7517.
[96] KARLESKINDP,LéVY M,MéMERYL.Subductionofcarbon,nitrogen,andoxygeninthenortheastAtlantic[J].JournalofGeophysicalResearch:Oceans,201 ,16(C2):C02025.
[97] LIChenglong,HANLei,ZHAIWeidong,etal.Storageandredistributionofanthropogenic CO2 inthewesternNorthPacific:theroleof subtropicalmodewatertransportation[J].FundamentalResearch,202 ,4(1):103- 12.
[98] JARRARDR D.Subductionfluxesofwater,carbondioxide,chlorine,andpotasium[J].GeochemistryGeophysicsGeosystems,203 (4):8905.
[9] OKAE,QIUBo,TAKATANIY,etal.Decadalvariabilityofsubtropicalmodewatersubductionanditsimpactonbiogeochemistry[J]. JournalofOceanography,2015,71:389-40 .
[10 ] TAK YJ,SONG H,CHOYK.ImpactoftheremergenceofNorthPacificsubtropicalmodewateronthemulti-yearmodulationofmarineheatwavesintheNorthPacificOceanduringwinterandearlyspring[J].EnvironmentalResearchLeters,2021,16(7):074036.
[101] TAK YJ,SONG H,PARKJY.WintertimemarineextremetemperatureeventsmodulatephytoplanktonblomsintheNorthPacific throughsubtropicalmodewater[J].EnvironmentalResearchLeters,202 ,17(9):094040.
[102] YIN Wenbin,HUANGDaji.EvolutionofsubmesoscalecoastalfrontalwavesintheEastChinaSeabasedongeostationaryoceancolor imagerobservationaldata[J].GeophysicalResearchLeters,2016,43(18):9801-9809.
[103] HUANGPeng,ZHANG Miming,CAIMingang,etal.VentilationtimeandanthropogenicCO2intheSouthChinaSeabasedonCFC-1 measurements[J].DepSeaResearchPartI:OceanographicResearchPapers,2016,16:187-19 .
[104] LILi,QU Tangdong.ThermohalinecirculationinthedepSouthChinaSeabasininferedfromoxygendistributions[J].JournalofGeophysicalResearch:Oceans,206,11(C5):C05017.
[105] ZHANG Yanwei,LIU Zhifei,ZHAO Yulong,etal.Mesoscaleediestransportdep-seasediments[J].ScientificReports,2014,4 (1):5937.
[106] CHEN Gengxin,WANGDongxiao,DONGChangming,etal.Observeddepenergeticediesbyseamountwake[J].ScientificReports, 2015,5(1):1-10.
[107] CHEN Hui,XIEXinong,ZHANG Wenyan,etal.Dep-watersedimentarysystemsandtheirrelationshipwithbotomcurentsatheintersectionofXishaTrouhandNorthwestSub-Basin,SouthChinaSea[J].MarineGeolo ,2016,378:101-13.
[108] 邵秋麗.北歐海溢流源區的水文特征及溢流水輸送形式研究[D].青島:中國海洋大學,2015. SHAO Qiuli.StudyonthehydrologicalcharacteristicsoftheoverflowsourceareaandtransportformintheNorthernEuropeanSea[D]. Qingdao:OceanUniversityofChina,2015.
[109] 齊慶華.基于國家海洋治理和全球氣候變化的我國海洋災害防治[J].海洋開發與管理,2019,36(2):17-23. QIQinghua.MarinedisasterpreventioninChinabasedonnationalmarinegovernanceandglobalclimatechange[J].OceanDevelopment andManagement,2019,36(2):17-23.
[110] 齊慶華.全球氣候變化下海洋環流多尺度演變:聯動協同與環境生態效應初探[J].海洋開發與管理,2023,40(9):37-54. QIQinghua.Multiscaleevolutionofoceancirculationunderglobalclimatechange:linkage,synergyandenvironmentalecologicalefects [J].OceanDevelopmentandManagement,2023,40(9):37-54.