土耳其海峡系统35年三维数值模拟揭示的黑海-地中海水体交换动力学机制

本研究针对土耳其海峡系统(TSS)水体交换机制这一关键科学问题，通过Delft3D-Flow三维数值模型开展35年(1987-2021)的模拟研究。首次系统揭示了北大西洋涛动(NAO)通过调控黑海净淡水输入影响海峡年际海平面变化，发现上层流量递减趋势与黑海-爱琴海海平面差缩小相关，并阐明马尔马拉海受风场旋度与博斯普鲁斯海峡出流动态耦合控制的环流特征。成果为气候变化背景下区域海洋管理提供理论支撑，发表于《Regional Studies in Marine Science》。

　　

在地球上最繁忙的海运通道之下，隐藏着一个鲜为人知却至关重要的海洋动力学系统——土耳其海峡系统(TSS)。这个由博斯普鲁斯海峡、马尔马拉海和达达尼尔海峡组成的"海洋咽喉"，每年输送着约600 km³的水体，调控着黑海与地中海之间盐度、热量和营养物质的交换。然而，受限于复杂的几何形态和强烈的层化效应，这个系统长期存在三大谜团：海平面波动如何响应气候振荡？海峡流量是否存在长期变化趋势？风场与地形如何共同塑造马尔马拉海的环流结构？

为解决这些科学问题，研究人员采用Delft3D-Flow三维数值模型，构建了覆盖整个TSS及相邻海域的高分辨率网格。模型基于Reynolds平均Navier-Stokes方程，采用σ坐标垂向分层，并引入真实大气强迫场。通过2008-2009年ADCP流速测量、CTD温盐数据和潮位站记录的验证，证实模型能准确再现海峡的双层流结构。研究团队特别关注1987-2021年间NAO指数与黑海淡水输入的关系，以及由此引发的海平面梯度变化。

MODEL EVALUATION部分显示，模型成功复现了博斯普鲁斯海峡30-100 m的深度变化特征，对北部60 m和南部30 m的两个关键海底隆起的模拟尤为精确。RESULTS章节揭示了三个重要发现：(1) 年际尺度上，海平面变化与NAO呈显著负相关(r=-0.72)，当NAO处于负位相时，黑海接收更多降水导致上层流量增加；(2) 长期趋势分析发现上层流量以每年0.3%速率递减，这与黑海蒸发增强导致的海平面差缩小直接相关；(3) 马尔马拉海环流呈现"北反气旋-南气旋"的偶极子结构，月尺度变化受风应力旋度与海峡出流动量通量的双重调控。

CONCLUSION部分强调，这项长达35年的模拟首次量化了气候振荡对TSS的级联影响：NAO→黑海淡水预算→海平面梯度→海峡流量。研究还发现，尽管年际流量变化通常不超过±10%，但极端气候事件可能导致短期流量异常达30%。这些发现不仅完善了对海峡系统动力学的认知，更重要的是为预测气候变化下区域盐度平衡和生态系统演变提供了数值工具。正如作者?ehriban Sa?u在讨论中指出的，随着黑海蒸发持续增强，TSS可能面临上层流减弱、垂向混合增强的转型，这对维持现有航运通道和海洋环境保护均具有深远影响。

技术方法方面，研究主要采用：(1) Delft3D-Flow结构化网格系统，水平分辨率500 m，垂向分10层σ坐标；(2) 包含黑海和北爱琴海的扩展计算域，以准确模拟边界条件；(3) ECMWF再分析数据驱动的大气强迫场；(4) 2008-2009年实测数据(ADCP、CTD、潮位站)验证模型性能。