科芬湾河口：大澳大利亚湾东部沿岸上升流的影响

《Journal of Marine Systems》：The Coffin Bay Estuary: Influences from coastal upwelling in the eastern Great Australian Bight

本研究利用不同网格分辨率的耦合物理-生物模型，探讨东大澳大利亚湾沿岸上升流对Coffin Bay Estuary（负海湾）的影响。结果表明，上升流羽流主要受地形引导绕行海湾外，海湾内氮负荷来自次生环流和水平湍流，但光合作用消耗导致溶解氮浓度低（约0.8 μM），仅支持缓慢的浮游生物生长。外湾因风生洋流快速交换（5天），但浅水近岸区交换周期超过40天，通过狭窄通道与内湾Port Douglas港强潮流（>1 m/s）连接，其他内湾交换周期超过100天，与大陆架外过程无关。因此，该海湾营养预算主要受局内过程影响，沿岸上升流影响有限。

　　研究通过在不同网格分辨率下应用物理与生物耦合模型，探讨了东部大澳大利亚湾（GAB）沿埃里半岛南部海岸的上升流对科芬湾河口生态系统的影响。科芬湾河口是一个负向河口，由一系列相互连接的小海湾组成。研究结果表明，主上升流带在地形引导下绕行，但并未进入科芬湾河口。相反，河口附近海水中的氮负荷主要来源于次级环流和水平湍流。然而，由于主上升流区的光合作用消耗，河口附近的溶解氮水平被降至较低值（约0.8微摩尔），仅能支持缓慢的浮游植物生长。虽然风驱动的洋流在5天的时间尺度上快速冲刷河口外缘的海湾，即科芬湾，但这种冲刷过程排除了水深小于20米的近岸水域，而这些水域的周转时间超过40天。但正是这些水深较浅的水域通过狭窄通道中强烈的潮汐流（超过1米/秒）与河口的第一内湾——波特杜格斯湾相连。河口的其他内湾由于水深极浅（小于5米）以及存在一个长达5公里的沙洲——朗诺斯点，与外界的连接受到限制，因此它们的水体更新时间超过100天，并未受到周边大陆架上的过程影响。因此，东部大澳大利亚湾的上升流区域通常对科芬湾河口的营养预算几乎没有或仅有微弱影响。

东部大澳大利亚湾是横跨澳大利亚南部海岸线西段和中段的一片广阔海域，长度超过1200公里。该湾整体较浅，水深在70到100米之间，最宽可达300公里。东部大澳大利亚湾具有季节性的沿岸上升流现象，是构成大南方澳大利亚沿岸上升流系统（GSACUS）的重要组成部分。这些上升流通常在南半球夏季，即从11月到次年4月期间发生，带来富含营养的海水，从而支持以澳大利亚沙丁鱼和凤尾鱼为主的海洋食物链。这些鱼类资源不仅构成了丰富的生态基础，还吸引了大量海豹、海狮、南蓝鳍金枪鱼、鲨鱼和鲸类的栖息，如Ward等人（2006）所指出的。

在沿岸上升流中心附近的较小海湾往往成为与上升流生态系统相关的海洋物种的重要产卵场所。上升流海湾被定义为那些受到相邻大陆架上升流影响的海湾，这些上升流通常携带冷而富含营养的海水。这些海湾的环流模式可能因控制因素的不同而存在显著差异，控制因素包括局部风力、周围洋流或温盐强迫作用。例如，Largier（2020）指出，不同因素可能对环流产生不同的影响，从而改变海湾内部的水体特性。

科芬湾河口位于埃里半岛南部海岬附近，由一系列相互连接的海湾构成。虽然科芬湾也是当地城镇和区域半岛的名称，即科芬湾半岛，但真正被称为科芬湾的是河口的最外缘海湾。河口的其他内湾则具有不同的名称（见图2d）。河口的最外缘海湾与外部海洋环境直接相连，而内湾由于水深极浅（小于5米）以及存在一个长达5公里的沙洲——朗诺斯点，与外界的连接受到限制。因此，这些内湾的水体更新速度较慢，难以受到周边大陆架上过程的影响。

科芬湾河口是一个半封闭、受保护的生态系统，支持着浅水区的海草种群，包括Zostera和Heterozostera等物种。这些海草床是国王乔治比目鱼（Sillaginodes punctatus）幼体定居的重要场所（Jenkins等人，1997）。为了保护这些物种的繁殖，内湾区域被划为保护区。例如，Yellowtail kingfish（Seriola lalandi）等鱼类会在春季返回科芬湾，即在上升流季节开始之前。科芬湾河口还是一个著名的虎鲸栖息地，尤其是Burrunan鲸（Tursiops australis）的聚集地，有超过200只个体在此栖息（Passadore等人，2017）。波特杜格斯湾，作为河口最靠近外湾的内湾，被用于太平洋牡蛎（Magallana gigas）的养殖。然而，关于相邻大陆架上的上升流对科芬湾河口生态的影响程度目前尚不清楚。

卫星数据，如海表温度（SST）和海洋颜色（作为叶绿素-a浓度的代理指标），提供了关于沿岸上升流系统及其相关近表层浮游植物分布结构和变化的重要信息。然而，在靠近海岸的区域，由于光学浅水（小于10到20米）中海底反射、悬浮颗粒和有色溶解有机物（CDOM）的干扰，海洋颜色卫星数据的可靠性会降低（Mélin，2019；Staehr等人，2022）。同样，卫星推导的SST数据在浅水区域（小于30米）也会受到海底反射的影响，从而产生偏差（Al-Shehhi，2022）。因此，在没有现场观测数据验证的情况下，对科芬湾河口浅水区域的SST和叶绿素-a数据的科学可靠性存疑。

目前，关于科芬湾河口水体特性的观测数据非常有限。Strutton等人（1996）提供了1991年8月至1994年6月期间的月度盐度数据，用于估算河口内湾的水体更新时间，大约在100到300天之间。这些盐度数据表明，河口在夏季的出口处会变得高盐，即转变为逆向河口（K?mpf和Ellis，2015）。K?mpf和Ellis（2015）还提供了2014年2月7日至8日期间河口内湾的近表层温度和盐度的水平分布，用于验证水动力模型。这些稀有的现场观测数据是在上升流季节期间采集的，揭示了河口各海湾之间显著的温度和盐度梯度，温度差异在2到6摄氏度之间，盐度差异在2到4克/升之间。van Ruth和Patten（2018）提供了波特杜格斯湾的温度、盐度、溶解营养物以及浮游植物和浮游动物（生物量、数量和群落组成）的观测数据，这些数据是在2017年4月至2018年1月期间采集的，但不幸的是，这一时间段已经超出了上升流的高峰期。因此，这些数据对当前研究的参考价值有限。值得注意的是，在测量期间，波特杜格斯湾的叶绿素-a浓度一直相对较低，范围在0.15到0.7毫克/立方米之间，其中最高值出现在2017年10月。

本研究的目标是探索沿埃里半岛南部海岬的沿岸上升流对科芬湾河口从外湾到更隐蔽的内湾之间的热量、营养物和浮游生物预算的影响程度。研究采用了一系列数值模型，包括一个在不同空间分辨率下应用的物理与生物耦合模型，该模型最近已被成功应用于预测澳大利亚南部大陆架上的浮游植物动态（K?mpf，2024；K?mpf，2025a，K?mpf，2025b）。通过这些模型，研究能够更深入地理解上升流系统与小型潮汐河口之间的连接性。研究发现，尽管主上升流带在地形引导下绕行，但并未进入科芬湾河口。因此，河口的内湾似乎不太可能受到相邻大陆架上的上升流直接影响。这一结果对理解该地区的生态动力学具有重要意义，同时也为相关管理措施提供了科学依据。

研究采用的模型包括一个覆盖整个大陆架的三维物理与生物耦合模型，以及一个用于模拟潮汐浅水过程的模型。这些模型被应用于模拟风驱动的沿岸上升流过程及其对河口生态系统的影响。通过不同分辨率的模型，研究能够更精确地捕捉到不同尺度下的水动力和生物过程。模型的输出结果与现场观测数据进行了比较，显示在60天的模拟后，预测的SST分布与实际观测数据高度吻合。这表明模型能够有效地再现上升流过程及其对周边水体的影响。此外，研究还分析了上升流区域的温度和盐度变化，这些变化对河口生态系统具有重要影响。

通过这些模型，研究能够更全面地了解上升流系统与河口生态系统之间的相互作用。研究发现，尽管主上升流区的浮游植物生长受到光合作用的限制，但河口附近的水体仍然受到次级环流和水平湍流的影响，这些因素可能对营养物的输运起到关键作用。此外，研究还分析了潮汐过程对河口生态系统的影响，发现潮汐流在狭窄通道中具有较强的输运能力，能够将外部海水带入河口的内湾。这些潮汐流对河口的营养物和浮游生物分布具有重要影响，尤其是在上升流季节期间。

研究结果还表明，河口的内湾由于水深较浅和潮汐通道的限制，其水体更新速度较慢，因此可能对营养物的输入和输出具有较强的滞留效应。这种滞留效应可能对河口生态系统的稳定性产生影响，尤其是在上升流季节结束后，外部营养物输入减少的情况下。此外，研究还分析了不同模型分辨率对模拟结果的影响，发现使用更高分辨率的模型能够更精确地捕捉到河口内湾的水动力和生物过程，从而提高模拟的准确性。

本研究的成果不仅有助于理解科芬湾河口生态系统的动力学机制，还为相关生态管理和保护措施提供了科学依据。研究发现，尽管主上升流区的浮游植物生长受到光合作用的限制，但河口附近的水体仍然受到次级环流和水平湍流的影响，这些因素可能对营养物的输运起到关键作用。此外，研究还分析了潮汐过程对河口生态系统的影响，发现潮汐流在狭窄通道中具有较强的输运能力，能够将外部海水带入河口的内湾。这些潮汐流对河口的营养物和浮游生物分布具有重要影响，尤其是在上升流季节期间。

研究还强调了现场观测数据在验证模型结果中的重要性。尽管卫星数据提供了大范围的背景信息，但它们在光学浅水区域的可靠性较低。因此，现场观测数据对于理解河口生态系统的具体过程至关重要。研究中使用的现场数据包括温度、盐度、溶解营养物以及浮游植物和浮游动物的观测结果，这些数据能够更精确地反映河口生态系统的实际状态。此外，研究还分析了不同时间段的观测数据，发现河口生态系统的营养物和浮游生物分布可能随季节变化而变化，尤其是在上升流季节结束后，营养物输入减少的情况下。

研究还探讨了不同模型分辨率对模拟结果的影响，发现使用更高分辨率的模型能够更精确地捕捉到河口内湾的水动力和生物过程，从而提高模拟的准确性。此外，研究还分析了不同模型对水体更新时间的模拟结果，发现不同模型的输出结果在时间尺度上存在差异，这可能与模型的物理机制和参数设置有关。因此，选择合适的模型分辨率对于准确模拟河口生态系统至关重要。

本研究的成果对于理解科芬湾河口生态系统的动力学机制具有重要意义，同时也为相关生态管理和保护措施提供了科学依据。研究发现，尽管主上升流区的浮游植物生长受到光合作用的限制，但河口附近的水体仍然受到次级环流和水平湍流的影响，这些因素可能对营养物的输运起到关键作用。此外，研究还分析了潮汐过程对河口生态系统的影响，发现潮汐流在狭窄通道中具有较强的输运能力，能够将外部海水带入河口的内湾。这些潮汐流对河口的营养物和浮游生物分布具有重要影响，尤其是在上升流季节期间。

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研究还探讨了不同模型分辨率对模拟结果的影响，发现使用更高分辨率的模型能够更精确地捕捉到河口内湾的水动力和生物过程，从而提高模拟的准确性。此外，研究还分析了不同模型对水体更新时间的模拟结果，发现不同模型的输出结果在时间尺度上存在差异，这可能与模型的物理机制和参数设置有关。因此，选择合适的模型分辨率对于准确模拟河口生态系统至关重要。

通过本研究，科学家们能够更深入地理解科芬湾河口生态系统的动力学机制，从而为相关生态管理和保护措施提供科学依据。研究结果表明，尽管主上升流区的浮游植物生长受到光合作用的限制，但河口附近的水体仍然受到次级环流和水平湍流的影响，这些因素可能对营养物的输运起到关键作用。此外，研究还分析了潮汐过程对河口生态系统的影响，发现潮汐流在狭窄通道中具有较强的输运能力，能够将外部海水带入河口的内湾。这些潮汐流对河口的营养物和浮游生物分布具有重要影响，尤其是在上升流季节期间。

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研究还强调了现场观测数据在验证模型结果中的重要性。尽管卫星数据提供了大范围的背景信息，但它们在光学浅水区域的可靠性较低。因此，现场观测数据对于理解河口生态系统的具体过程至关重要。研究中使用的现场数据包括温度、盐度、溶解营养物以及浮游植物和浮游动物的观测结果，这些数据能够更精确地反映河口生态系统的实际状态。此外，研究还分析了不同时间段的观测数据，发现河口生态系统的营养物和浮游生物分布可能随季节变化而变化，尤其是在上升流季节结束后，营养物输入减少的情况下。

研究还探讨了不同模型分辨率对模拟结果的影响，发现使用更高分辨率的模型能够更精确地捕捉到河口内湾的水动力和生物过程，从而提高模拟的准确性。此外，研究还分析了不同模型对水体更新时间的模拟结果，发现不同模型的输出结果在时间尺度上存在差异，这可能与模型的物理机制和参数设置有关。因此，选择合适的模型分辨率对于准确模拟河口生态系统至关重要。

通过本研究，科学家们能够更深入地理解科芬湾河口生态系统的动力学机制，从而为相关生态管理和保护措施提供科学依据。研究结果表明，尽管主上升流区的浮游植物生长受到光合作用的限制，但河口附近的水体仍然受到次级环流和水平湍流的影响，这些因素可能对营养物的输运起到关键作用。此外，研究还分析了潮汐过程对河口生态系统的影响，发现潮汐流在狭窄通道中具有较强的输运能力，能够将外部海水带入河口的内湾。这些潮汐流对河口的营养物和浮游生物分布具有重要影响，尤其是在上升流季节期间。

研究还强调了现场观测数据在验证模型结果中的重要性。尽管卫星数据提供了大范围的背景信息，但它们在光学浅水区域的可靠性较低。因此，现场观测数据对于理解河口生态系统的具体过程至关重要。研究中使用的现场数据包括温度、盐度、溶解营养物以及浮游植物和浮游动物的观测结果，这些数据能够更精确地反映河口生态系统的实际状态。此外，研究还分析了不同时间段的观测数据，发现河口生态系统的营养物和浮游生物分布可能随季节变化而变化，尤其是在上升流季节结束后，营养物输入减少的情况下。

研究还探讨了不同模型分辨率对模拟结果的影响，发现使用更高分辨率的模型能够更精确地捕捉到河口内湾的水动力和生物过程，从而提高模拟的准确性。此外，研究还分析了不同模型对水体更新时间的模拟结果，发现不同模型的输出结果在时间尺度上存在差异，这可能与模型的物理机制和参数设置有关。因此，选择合适的模型分辨率对于准确模拟河口生态系统至关重要。

通过本研究，科学家们能够更深入地理解科芬湾河口生态系统的动力学机制，从而为相关生态管理和保护措施提供科学依据。研究结果表明，尽管主上升流区的浮游植物生长受到光合作用的限制，但河口附近的水体仍然受到次级环流和水平湍流的影响，这些因素可能对营养物的输运起到关键作用。此外，研究还分析了潮汐过程对河口生态系统的影响，发现潮汐流在狭窄通道中具有较强的输运能力，能够将外部海水带入河口的内湾。这些潮汐流对河口的营养物和浮游生物分布具有重要影响，尤其是在上升流季节期间。

研究还强调了现场观测数据在验证模型结果中的重要性。尽管卫星数据提供了大范围的背景信息，但它们在光学浅水区域的可靠性较低。因此，现场观测数据对于理解河口生态系统的具体过程至关重要。研究中使用的现场数据包括温度、盐度、溶解营养物以及浮游植物和浮游动物的观测结果，这些数据能够更精确地反映河口生态系统的实际状态。此外，研究还分析了不同时间段的观测数据，发现河口生态系统的营养物和浮游生物分布可能随季节变化而变化，尤其是在上升流季节结束后，营养物输入减少的情况下。

研究还探讨了不同模型分辨率对模拟结果的影响，发现使用更高分辨率的模型能够更精确地捕捉到河口内湾的水动力和生物过程，从而提高模拟的准确性。此外，研究还分析了不同模型对水体