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科研动态

我所研发出国际首个耦合海底热通量的陆架海“海水-海底”双向耦合模式(FIO-SSCM)

时间:2022.09.05 来源:物理海洋室 字号

 近日,我所科研人员研发出国际首个耦合海底热通量的陆架海“海水-海底”双向耦合模式(FIO-SSCM)。该研究首次揭示出海底热通量在陆架海区域的海水温度演变中发挥重要作用,对海洋环境预报、海底声学及海洋生态保护具有重要科学意义。

相关研究结果以“Development of a sea-sediment coupled model incorporating ocean bottom heat flux”为题发表于物理海洋学顶级期刊《Journal of Physical Oceanography》,我所杨光兵副研究员为论文第一作者,熊学军研究员和乔方利研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金创新研究群体项目等的支持。

海底是海水和海底质沉积物的三大核心界面之一,海底热通量是海水和其下底质沉积物之间的热量交换,直接影响着海水和底质沉积物两者的温度时空演变特征。海底热通量在不同海区具有迥异的驱动机制。在深海,海底热通量主要由地球内部热量散失引起的海底热流所驱动,而海底热流的强弱分布则主要与板块运动有关;在陆架浅海,海底热流非常微弱,而底层水温的显著变化则通过海水与底质沉积物之间的热传导产生显著的海底热通量。观测表明在温带陆架海区域,底层水温变化引起的海底热通量可达10 W/m2量级,这一热通量较平均海底热流量值高出数百到上千倍。世界上大部分海域为深海大洋,而宽广绵长的温带陆架浅海是中国近海的典型特征。此前国际主流的海洋模式中只考虑了海底热流的微弱作用,长期忽视了陆架浅海底层水温变化所驱动的海底热通量。开展浅海海底热通量研究,是我所在此研究领域的新突破,不仅加深了对我国所濒临特殊海洋环境的科学认知,也是对世界海洋科技的原创性贡献。

在我所原创建立的国际首个海浪-潮流-环流耦合模式(FIO-COM)基础上,该研究通过构建沉积物子模式,引入在海水和沉积物之间双向传递的海底热通量,首次实现了海水与底质沉积物的双向耦合,并创新性实现了沉积物温度场的同步模拟。模式结果表明,浅海海底热通量对水体和底质沉积物均有重要影响。对于水体,当夏季存在强跃层时,海底热通量能够显著改变跃层以下的水体温度剖面结构;而冬季当水体混合均匀时,海底热通量则通过“海底通风”过程直接影响海气热通量。对于底质沉积物,海底热通量能够在天气过程尺度到季节尺度上显著改变沉积物温度剖面。海底沉积层通过对海水热量的吐纳,实现了“海-底”之间的热量传递,从而减缓了底层水温的变化幅度,提出的这一新机制在发表文章中被称为“海床对海洋热容量的减震机制”(seabed dampening ocean heat content variation mechanism, SHD)。

海底边界在物理海洋学、海洋声学、海洋生物地球化学等多个学科中扮演重要角色。该研究结果能为开展底质声学可变性、浅层沉积物生化过程、近海碳循环、近海生态环境等研究提供新的科学支撑,特别是,对于进一步提升海洋环境的预报精度具有重要意义。

海底热通量作用示意图

(红色和黄色曲线分别表示不考虑和考虑海底热通量的水体温度剖面,蓝色曲线为沉积物温度剖面,黑色虚线为沉积物年平均温度。黄色虚线箭头表示“海底通风”时,海底热通量影响海气热通量。


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