台湾海峡南部澎湖群岛地区未来气候预测的动态降尺度研究

《Ocean Modelling》：Dynamical downscaling of future climate projections around Penghu Islands in the southern Taiwan Strait

　　摘要
本研究在21世纪中叶SSP2-4.5升温情景下，利用台湾地球系统模型第1版（TaiESM1）的两阶段离线嵌套动态降尺度方法，探讨了台湾海峡南部彭湖群岛周围的海洋变化。高分辨率模型准确再现了许多关键的区域海洋特征。我们的预测表明将出现三个主要区域环流变化：首先，由于太平洋风应力旋度的增强，吕宋岛东部的黑潮势力减弱；这一变化增强了反气旋环流，增加了电流的曲率，并减少了黑潮向西的入侵；其次，由于冬季东北季风的减弱，台湾海峡中的东向艾克曼流增强；第三，受负盆地尺度风应力旋度增强的驱动，南海表面流增强，这些变化增加了冬季南海水进入台湾海峡的量。此外，彭湖群岛周围的地形诱导上升流显著抑制了夏季和秋季的表面升温，通常会减轻海洋热浪的频率和强度。然而，海表温度变异性的增加仍会放大未来的海洋热浪强度。粗分辨率模型高估了区域海表温度的上升幅度，最高可达0.4°C，这证实了动态降尺度的必要性。这些发现为未来气候变暖条件下的渔业管理和海洋资源规划提供了宝贵的见解。

引言
彭湖群岛位于台湾海峡南部，这是一个狭窄且浅的通道，连接台湾和中国大陆。其周围的海洋环流和水团表现出明显的季节性变化。冬季，盛行的东北季风会减弱黑潮在吕宋海峡流动时的上层强度，这种减弱主要是由于表面风和海流的相反方向，使得黑潮更容易向南海侵入，并在台湾海峡形成黑潮分支流（Jan等人，2002年）。同时，中国沿岸流也会随着东北季风从黄海流入台湾海峡。而在夏季，吕宋岛东部的黑潮因西南季风的加强而大部分无法侵入南海，取而代之的是由季风驱动的南海环流，通过珠江口盆地和台湾沿岸流入台湾海峡。台湾海峡复杂的海洋环流系统形成了三种主要的水团：黑潮分支流（KBW）、南海水（SCSW）和混合中国沿岸水（MCCW）（Jan等人，2010年）。KBW源自黑潮通过吕宋海峡的入侵，其特征是高温和高盐度（Nan等人，2015年）；SCSW则由夏季西南季风驱动的南海表面流输送，具有中等温度和盐度；MCCW则因长江的稀释排放和冬季中国沿岸流的南向输送而温度和盐度较低（Chen，2003年）。这些水团的变化显著塑造了台湾海峡的水文特征。尽管台湾海峡水团的一般模式和季节性变化已被广泛研究，但气候变化对这些水文特征的影响仍不清楚。已知一些气候变化，如大气变暖和表面风的变化，会通过提高温度、海洋酸化和电流改变等机制影响海洋系统，导致严重的生态破坏和不可逆的海洋生物多样性损失（例如，Gattuso等人，2015年；Calvin等人，2023年）。彭湖群岛周围的海洋环境特别值得关注，因为它拥有丰富的珊瑚礁区和渔业资源，支撑了台湾和中国大陆沿岸的重要经济部门（Liu等人，2023年）。野生捕捞和水产养殖都对当地经济有重要贡献，过去十年间增长显著。野生捕捞严重依赖海洋条件，包括温度、盐度、氧气水平和电流变化（Li等人，2024年）；而水产养殖则直接受到表面天气和气候条件的影响，包括风暴和寒浪（Maulu等人，2021年）。鉴于该地区的高度季节性和渔业对环境条件的强烈依赖，研究气候变化对台湾海峡的潜在影响对于制定主动适应和管理策略至关重要。

台湾海峡内的环流与黑潮系统密切相关。黑潮对台湾海峡影响巨大，但它对气候变暖的响应仍不确定。海表温度（SST）的观测和再分析结果表明，黑潮整体上有所增强，这主要归因于风应力旋度的变化（WSC）（Wu等人，2012年；Yang等人，2016年；Sasaki和Umeda，2021年）。然而，这些观测的时间跨度较短，难以区分长期人为强迫和十年自然变异性。全球气候模型（GCM）的预测提供了评估未来情景下长期趋势的机会，尽管结果复杂且有时相互矛盾。例如，Peng等人（2022年）报告称近表面黑潮速度增加，这与海洋分层增强有关；台湾东部和中国东海（ECS）的斜压调整表现为上层300米速度增加而下层速度减少，这归因于暖涡模式的增强和WSC的变化（Chen等人，2019年；Huang等人，2024年）。另一方面，一些研究预测台湾东部和中国东海的黑潮会减弱（Cheon等人，2012年；Sen Gupta等人，2021年）。此外，Hsin等人（2024年）发现通过吕宋海峡的黑潮也会减弱，这也与WSC变化有关。这些发现表明，黑潮的变化取决于位置和深度。不幸的是，许多GCM无法充分解析中尺度涡旋及其相关特征，这些特征在黑潮动力学中起着关键作用，例如锋面和南北向热传输（Small等人，2008年）。因此，大多数CMIP6预测在升温情景下忽略了中尺度效应。Huang等人（2024年）指出，台湾东部和中国东海上层黑潮的变化在粗分辨率GCM和允许涡旋的模型之间的符号不同。大多数允许涡旋的模型模拟了黑潮在整个水柱中的输送减少，这与粗分辨率GCM中的斜压变化相反。Yang等人（2025年）指出，在允许涡旋的模拟中，黑潮在近岸处因分层增强和细密沿海海底地形的相互作用而增强。

与黑潮相比，南海表面流和中国沿岸流的未来变化受到的关注较少。Liu等人（2024年）报告称，在未来升温情景下，南海海洋热浪的频率减少，但其强度和持续时间增加，但其背后的物理机制和相关动力过程仍不清楚。最近的研究表明，高分辨率模型能够更准确地表示海底地形和中尺度涡旋结构，从而显著改善南海和中国东海的海表温度模拟（例如，Xie等人，2025年；Xu等人，2025年）。此外，大集合模拟为减少预测不确定性并澄清外部强迫和内部变异性的相对作用提供了坚实的框架，特别是对于极端事件（Lin等人，2022年；Lin等人，2025年）。然而，这种高分辨率的大集合实验对于研究台湾海峡的气候变化仍不现实。总体而言，现有研究表明，对黑潮对气候变暖响应的预测尚无定论，南海表面流和中国沿岸流的响应及其对台湾海峡水团结构和水文变异性的影响仍需进一步研究。本研究旨在探讨彭湖群岛附近未来气候的海洋响应，特别关注区域环流和水文变化。采用两阶段离线嵌套动态降尺度方法来更好地解析受大尺度气候变化影响的沿海过程。我们的分析聚焦于21世纪中叶（2040-2069年）在共享社会经济路径2-4.5（SSP2-4.5）情景下的模拟，这是耦合模型比较项目（CMIP6）第6阶段的中等排放路径。SSP2-4.5情景被广泛认为是未来气候变暖的最可能路径之一（例如，Burgess等人，2023年）。此外，中期风险评估对于识别脆弱海洋系统的潜在威胁至关重要，尤其是那些可能接近不可逆临界点的系统。据我们所知，这是首个明确预测气候变化对周围电流影响的区域研究，包括黑潮通过吕宋海峡的入侵、南海表面流和中国沿岸流。此外，我们还探讨了驱动环流变化、水文特征和水团特征变化的动力机制，从而为应对气候变化的适应策略提供了科学基础。

数据观测
本研究使用了多项观测数据来评估台湾海峡彭湖群岛周围的模型性能：（1）国家科学技术委员会（NTSC）的海洋数据银行（ODB），包含由研究船收集的各种现场观测数据；（2）台湾中央气象局（CWA）收集的现场观测数据（https://ocean.cwa.gov.tw/V2/），包括马公潮汐站的海表高度和龟尾浮标的海洋电流数据（2015年9月至2023年5月，存在数据缺口）。

TaiESM-ROMS与TaiESM1相比，在与观测数据的一致性方面有显著改进（补充材料中的图S1）。在粗分辨率的TaiESM1中，存在几个明显的偏差：台湾北部东部的黑潮轴线过于宽泛，掩盖了不同深度的海洋锋面。这些错误可能是由于平滑的海底地形和粗网格配置中缺乏中尺度涡旋造成的（Hurlburt等人，1996年；Tseng等人，2016年）。

结论
彭湖群岛丰富的渔业资源、生态资源和文化遗产表明需要强有力的气候变化风险管理来指导政策和适应策略。为了评估气候变暖的潜在影响，本研究开发了一个两阶段离线嵌套动态降尺度框架，以真实地表示台湾海峡南部彭湖群岛周围的区域海洋动力学。该框架通过了与现场测量数据的验证，并使用了高分辨率数据。

作者贡献声明
Jo-Hsu Huang：撰写原始草稿、验证、软件、方法学、调查、正式分析、概念化。
Yu-Heng Tseng：撰写原始草稿、监督、概念化。
Yi-Chun Kuo：验证、软件、方法学、调查、概念化。
Wan-Ling Tseng：撰写审稿与编辑、监督。
Sheng-Chung Lo：监督、项目管理。
An-Chieh Huang：监督、项目管理。

利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Yu-Heng Tseng报告与国立台湾大学存在雇佣关系。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了台湾国家海洋研究院（NAMR）的支持，项目名称为“注册水下文化遗产的环境问题研究与示范站点监测”（NAMR113070）。此外，还得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC）的资助（项目编号115-2611-M-002-021和115-2119-M-001-006）以及台湾国家灾害减少技术中心（NCDR）的资助。