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多区域海洋M3分潮的观测与验证

已有 1897 次阅读 2023-10-12 16:03 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:论文交流

江西师范大学地理与环境学院潘家祎教授对全球各地M₃潮汐的特征进行了深入分析，研究表明，M₃潮汐的振幅明显超过了平衡潮的数值，并且受到全球海平面上升的影响，如在欧洲大陆架的海域中，随着海平面的上升，M₃潮汐的振幅先是增加，但当达到某一特定水平后则开始减小。《中国科学：地球科学》2023年第10期报道了该成果。

月球引力引发的日三潮（一太阴日三次潮汐涨落），即M₃潮源自月球引潮力的三阶项，周期约为8.2804小时。理论上这一潮汐成分很小，最大的平衡作用项为2.56mm，大多认为对航运或其他海事活动影响不大，因此在以前的研究中并没有得到太大的重视，对M₃潮全球各区域特征的了解极为贫乏。然而，M₃在某些特定地区，其造成的水位涨落要远远大于理论上的平衡潮振幅。例如，在巴西沿岸曾记录到160mm M₃振幅，这是由沿岸和陆架边缘之间的阻尼“风琴管”效应共振所导致的。南澳大利亚湾（South Australian Bight）也观测到了100mm M₃振幅，并且欧洲陆架、比斯开湾（Bay of Biscay）、凯尔特海、爱尔兰海（Celtic and Irish Seas）也出现了振幅远大于平衡潮的M₃分潮。除此之外，由于全球海平面上升，会引起潮汐各分潮的变化。所以，为了提高潮汐预报及大地测量的准确性，需要更好地了解如M₃的高阶潮汐。

江西师范大学地理与环境学院潘家祎教授领导的包括Adam Devlin博士在内的研究团队与法国地质调查局Déborah Idier博士合作，利用全球多区域的157个验潮站水位观测数据、卫星高度计全球同化数据、数值模拟数据对多区域的M₃潮汐特征进行了系统地分析，并利用数值模型研究了在全球变暖，海平面上升情况下，M₃潮汐未来变化趋势。

该研究在全球范围内选择了6个重点研究区域，使用了9年的谐波分析窗口，3个月的时间步长，通过对小时水位数据的潮汐谐波分析，确定出M₃分潮，以产生连续的时间序列，得到M₃的导纳振幅(admittance amplitudes)。分析结果表明，研究区域里大多地点的M₃振幅都远远大于平衡潮数值（图1）。在西太平洋区域，M₃振幅在东中国海、南中国海北部、印度尼西亚的泗水和澳大利亚东北部海域等地方观察到较大的值。其中，振幅在九州岛的西海岸和中国中部海岸相对适中，但在有明海（Ariake Sea）显著增大。在韩国海峡，M₃振幅大于或等于10.0mm，并向日本海东部方向逐渐减小。TPXO在东京湾和名古屋湾海域的M₃振幅约低于观测值的一半。在北美区域，西北太平洋区的M₃振幅在18.3~22.6mm之间，但在南部的Bella Bella处要小得多。在欧洲陆架海域，M₃潮在复杂海岸线的欧洲陆架海域中大多比较大，各个子区域之间的有很大变化。苏格兰海域的M₃几乎总是大于20mm，在托伯莫里（Tobermory）达到39.3mm。振幅在北爱尔兰海也很大，尤其是在利物浦附近海域（27~37 mm），在米尔波特（Millport）达到约52mm。由于附近有一个潮汐节点，马恩岛（Isle of Man）海域M3的振幅接近零。爱尔兰海南部的振幅较低，但在布里斯托尔海峡（Bristol Strait）有显著的增大。

图1 M₃的长期趋势

(a) 太平洋西北部; (b) 西大西洋; (c) 欧洲大陆架; (d) 韩国海峡.图中点的色彩表示整个记录期间的增幅(色标单位为mm)

研究人员对61个有着较长记录的潮位观测站的数据进行了深入分析，以确定M₃振幅的长期变化，结果表明不同的地理区域在M₃振幅的长期变化上呈现出不同的特点。例如，在太平洋西北区域和北美大西洋沿岸，M₃振幅呈现出显著的正增长。在欧洲的大部分验潮站，M₃振幅却呈现出了长期的下降趋势。这种趋势在日本和韩国的某些海域也得到了证实，其中M₃振幅也表现出明显的正增长。为了更深入地了解海平面上升对M₃的影响，研究人员使用了MARS模型进行了模拟分析研究。这些模拟考虑了不同的海平面上升情境，从0.5m到3.0m不等。结果显示，随着海平面上升的增加，某些地区的M₃振幅首先增强，但达到某个临界点后，振幅会减少。这种现象在爱尔兰海和比斯开湾尤为明显。而在其他地区，如英吉利海峡，M₃振幅则持续增加。对于海平面上升这种驱动因子，各个子区域中的不同反应表明了欧洲大陆架海域存在显著的共振效应（图2）。