地中海中部的内部潮汐的能量学特性及其时空变化

《Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers》：Energetics and spatio-temporal variability of internal tides in the Central Mediterranean

　　Jihene Abdennadher | Moncef Boukthir
材料与流体实验室 LR19ES03，IPEIT，突尼斯大学，2 Rue Jawaher Lel Nehru，Montfleury，1089，突尼斯，突尼斯

**摘要**
内潮对海洋混合和环流有显著贡献，然而在半封闭海域（包括地中海）中，其动力学和能量特性仍缺乏定量研究。本研究使用高分辨率（1°/60）的ROMS模型研究了地中海中部的内潮现象，该模型与现有观测数据吻合良好。总的正压到斜压能量转换估计为147兆瓦，其中约72%发生在西西里海峡。从西西里西北部到Adventure Bank，K1潮汐信号占主导地位，斜坡捕获的Kelvin波导致强烈的斜压剪切，产生低Richardson数（Ri<0.25）和较高的底部湍流动能耗散，这与热敏电阻观测结果一致。在Pantelleria岛东北部，K1潮汐分裂为两个能量流分支，而靠近热敏电阻站AT处的额外K1潮汐将能量向西西里大陆架东北方向传播。尽管M2潮汐贡献了总转换量的约6%，但过潮汐调节了能量转换的变异性，同时湍流混合仍然较高。在马耳他高原上，斜压转换主要是昼夜性的，其流动路径与最近的观测研究一致。一个理论框架将斜压能量通量散度分解为压力功、平流和扩散；忽略平流和扩散会导致局部能量预算的误表示。虽然这些项在西西里海峡和整个区域是相互补偿的，但在西西里次区域、马耳他高原和墨西拿海峡，这种平衡被打破，从而增强了混合和残余环流。通过提供该地区内潮的首次系统能量特征描述，本研究确定了关键的生成点、流动路径和耗散热点，为理解全球其他边缘海域的内潮驱动混合提供了框架。

**引言**
近几十年来，人们对地中海的环流和动力学进行了广泛研究，特别是关于大尺度温盐结构和中尺度变异性（Brankart和Brasseur，1998；Millot和Taupier-Letage，2005；Bergamasco和Malanotte-Rizzoli，2010；Beuvier等人，2010；Lebeaupin Brossier等人，2012；Pinardi等人，2019；McDonagh等人，2024；Parras-Berrocal等人，2024）。然而，尽管对海洋混合过程的兴趣日益增加，内潮在地中海的作用仍然相对较少被探索。与开阔海域不同，在开阔海域内潮已被广泛研究（Garrett和Kunze，2007；St. Laurent和Garrett，2002；Zemskova等人，2024；Vlasenko等人，2018），但在地中海盆地内潮的动力学、生成点和能量特性仍知之甚少。一些研究集中在地中海的正压潮汐成分上，指出其振幅相对于全球海洋较弱（Artale等人，1989；Astraldi等人，1999；Abdennadher和Boukthir，2006）。特别是最近的研究表明，在马耳他高原及其周边地区，昼夜正压潮汐的振幅高于半日潮汐（Cosoli等人，2015；Poulain等人，2018）。西西里海峡是东地中海和西地中海盆地之间的主要通道，其复杂的地形塑造了复杂的水动力过程。马耳他高原和Adventure Bank等特征调节了水团交换，促进了垂直和水平混合，并形成了内潮生成的热点（Sorgente等人，2011；Pinardi等人，2019）。西西里海峡的水交换涉及较咸、密度较大的伊奥尼亚海水与较淡的西地中海海水相互作用，形成了有利于内波生成的良好分层。Grancini和Michelato（1987）首次提供了该海峡内潮的观测证据，他们分析了流速计测量的潮汐带动能。他们的研究揭示了西西里大陆架和大陆架边缘区域的强烈昼夜变化，特别是在马耳他附近。Artale等人（1989）的后续测量证实了Adventure Bank上的强烈昼夜内潮，表明大陆架边缘相互作用起着重要作用。这些内潮通过混合和潮汐整流机制对大尺度环流变异性有所贡献（Candela和Winant，1990）。Gasparini等人（2004）的船载和固定流速测量进一步强调了海峡西部底部内潮动力学的重要性。Abdennadher和Boukthir（2016）的数值模拟表明，M2内潮在如Adventure Bank西部边缘、Pantelleria岛北部和西西里西北海岸等尖锐地形特征上有效生成。在西西里海峡之外，马耳他高原上检测到斜压潮汐变异性，主要由K1潮汐主导，并具有类似Kelvin的底层捕获波特征（Oddo等人，2023；Poulain等人，2023）。这些内潮显著影响了中层水（150–300米）的性质，导致热量和盐度的垂直再分布。在地中海范围内，McDonagh等人（2024）的最新估计表明，总内潮能量转换约为2.89吉瓦，主要生成热点位于直布罗陀海峡、西西里海峡/马耳他银行和希腊弧。西西里海峡及其周边地区的内潮不仅驱动了垂直混合和营养物质再分布（Puillat等人，2006），还影响了区域分层、环流变异性和生态系统功能。此外，内潮过程通过耗散正压潮汐能量和影响长期水团转换来贡献于整个地中海的能量预算（Sannino等人，2004）。Rolland等人（2025）使用基于NEMO的高分辨率模拟研究了西西里海峡内的内波动力学及其与（亚）中尺度环流的相互作用。他们的研究提供了主要昼夜和半日潮汐成分的正压到斜压能量转换估计。作者强调了内潮在增强小尺度变异性中的作用，并报告了该地区内波活动的季节性变化。他们还指出，沿海微风可以生成与中尺度涡旋共振的近惯性波，这对湍流和混合可能有潜在影响。

尽管取得了这些进展，但尚未有全面分析地中海中部内潮的能量特性，同时考虑生成、传播、耗散和空间变异性。以往的研究通常集中在孤立过程、单个站点或特定潮汐成分上。目前缺乏一个统一的框架来量化内潮如何在该地区重新分配能量，多少正压能量转化为斜压模式，以及这些过程最终如何促进混合和环流。本研究填补了这一空白。我们使用具有真实地形和背景分层的完全三维sigma坐标ROMS模型，系统地研究了西西里海峡、墨西拿海峡、马耳他高原及其周边地区的内潮能量特性。具体来说，我们（i）识别并描述了主要的内潮生成点，（ii）描述了传播路径和相关能量通量，（iii）量化了正压到斜压能量转换，包括不同潮汐频率带的频谱贡献和斜压耗散率，（iv）分析了垂直剪切和位移对混合的贡献。特别强调建立区分正压和斜压成分的完整能量预算。通过提供这一关键地中海地区内潮的详细能量特征描述，我们的研究在范围和方法论上超越了现有工作。结果不仅完善了对区域水动力变异性的理解，还为海洋建模提供了改进的约束，对将物理过程与半封闭海域的生态系统功能联系起来具有更广泛的意义。

**部分摘录**
**动能预算**
水平速度场u→H可以分解为斜压（u→bcH）和正压（u→btH）分量，即u→H = u→bcH + u→btH，其中水平正压速度定义为u→btH = ∫_(-H) η u→H dz，其中η是自由表面高度，H是未受扰动的水深，D = H + η是总水柱深度。因此，瞬时水平动能（KE）可以表示为三个部分的总和：斜压动能（KEbc）和正压动能（KEbt）。

**模型描述**
我们使用了一个完全三维的sigma坐标模型——区域海洋建模系统（ROMS）（Haidvogel等人，2008；http://myroms.org）。ROMS在以地球为中心的旋转环境中求解原始方程，采用Boussinesq和静力近似。该模型使用地形跟随的sigma坐标，范围从表面的σ=0到底部的σ=-1。ROMS是一个分裂显式的自由表面海洋模型，使用短时间步长进行推进。

**用于模型验证的数据**
有四种类型的观测数据集可用于验证模型，每种数据集覆盖模型域的不同区域。这些数据包括潮汐计记录、雷达衍生的表面流速以及温度和流速的现场测量。潮汐计数据来自多个来源，包括国际水文组织和其他先前的研究（International Hydrographic Organisation，1979；Purga等人，1979；Molines，1991；Tsimplis等人，1995）。

**内潮能量特性**
本节中的分析基于在一个代表性的完整春潮-退潮周期内评估的时间平均正压和斜压能量项。正压到斜压能量转换、斜压能量通量散度和所有相关能量项都是直接从模型输出中计算得出的。相比之下，斜压耗散是从方程（7）中推断出来的。

**内潮垂直结构**
为了进一步研究内潮动力学的垂直结构，选择了三个垂直剖面：两个在西西里海峡，一个在墨西拿海峡。第一个剖面从西西里西北海岸延伸到Adventure Bank，并与Artale等人（1989）之前分析的AT站相交。第二个剖面从突尼斯海岸延伸，与C02和C01浮标站相交，后者位于一个显著的M2生成点附近。

**对分层和水平分辨率的敏感性**
为了评估诊断出的内潮能量特性对关键物理和数值不确定性的鲁棒性，我们进行了两个针对性的敏感性实验，重点关注背景分层和水平分辨率。在第一个实验（以下简称E1）中，使用代表冬季条件的减弱垂直密度剖面重复了参考模拟（夏季分层，1°/60分辨率），同时保持相同的潮汐强迫和数值配置。

**讨论**
本研究基于高分辨率（1°/60）ROMS配置和真实的水深及气候分层，提供了地中海中部内潮生成、垂直结构和能量特性的全面评估。该模型成功再现了观测到的正压潮汐高度和内潮垂直结构，并通过潮汐计记录、HF雷达测量和浮标观测进行了验证，证明了其适用性。

**作者贡献声明**
Jihene Abdennadher：写作——审阅与编辑、撰写原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。
Moncef Boukthir：写作——审阅与编辑、撰写原始草稿、验证、监督、资源、方法论、调查、形式分析、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。