基于GloFAS高分辨率模拟的河流淡水对东南亚海域表层动力学与塑料颗粒输运的影响

《Regional Studies in Marine Science》：River freshwater effects on the ocean surface dynamics and plastic particles spreading in the Southeast Asian Seas: Insights from a high-resolution simulation using GloFAS

　　

河流淡水通量是区域和全球海洋模式的基础径流输入。然而，目前大多数模式仍由气候态径流数据强迫，无法表征季节和年际变率，从而导致模拟海洋条件出现显著偏差。本研究首先基于观测记录和气候态数据，评估全球洪水预警系统（GloFAS）再分析在东南亚海域（SEA）1/10°分辨率下的日河流流量。GloFAS产品对SEA主要河流表现令人满意，其平均流量存在可接受的系统性高估（平均相对偏差约为~2.12），且能较好刻画这些河流的季节循环，但在重现年际变率方面仍较困难（平均相关系数分别约为~0.87和~0.37）。研究人员随后利用该高频径流为SEA海域10年数值模拟提供强迫，并通过与2010–2018年卫星及再分析产品的海表盐度（SSS）、海表温度（SST）和海平面异常（SLA）数据比较进行评估（将2009年作为spin-up剔除）。结果表明，预测分布与观测分布高度相似（SSS平均绝对偏差为?0.1，SST为0.48°C，SLA为0.09 m）。最后，基于该水动力模拟，研究人员开展从印度尼西亚河流释放颗粒的拉格朗日模拟，假设日流量与颗粒数量之间为线性关系。其统计分析表明，大多数颗粒（9年集合中约~56%）搁浅在SEA海岸，但相当一部分（约~43%）被平流输运至印度洋。因此，为真实重现SEA上层海洋动力学和SSS型态，研究人员强调考虑河流流量季节变化的重要性，尽管其年际变率表征仍不够准确。事实上，径流与其他气象-海洋过程共同塑造SSS时空行为，并影响海洋垃圾的表层扩散，对搁浅机制有显著影响，尤其是在印度尼西亚海等半封闭SEA海盆中。

可靠模拟世界河流系统及陆源径流入海对全球气候系统模式日益重要。Dai and Trenberth气候态（D&T）长期作为海洋模拟中广泛使用的全球径流气候态，但东南亚河流虽规模较大，可靠全球数据集和原位监测仍稀缺；多数模式采用气候态径流，不能反映季节和年际变率，导致海洋条件模拟偏差。全球洪水预警系统（GloFAS）再分析结合卫星观测与陆面模型，可提供日尺度径流，但此前在SEA少有系统评估。SEA是全球河流淡水、沉积物和污染物入海的重要源区，其半封闭海盆、季风、厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、内潮和复杂地形使海洋动力模拟困难，并直接影响海洋塑料垃圾的表层扩散与搁浅。为此，研究人员评估GloFAS在SEA的精度，利用其高频径流强迫5 km分辨率SYMPHONIE水动力模拟（SEA-5），检验海表盐度（SSS）、海表温度（SST）和海平面异常（SLA）等表层场，并开展印尼河流释放塑料颗粒的拉格朗日追踪，分析其季节至年际扩散及径流影响。结果表明GloFAS对主要河流季节循环表现较好但存在平均流量正偏差，年际变率重现较弱；SEA-5表层场与卫星观测接近，SSS年际时序与SMOS相关性总体优于Glorys12V1；拉格朗日模拟显示约56%颗粒搁浅、约43%输出至印度洋、约1%留存开阔海，径流羽流减少沿岸搁浅并促进颗粒离域。研究强调季节径流变化对SEA上层海洋和塑料扩散的重要性，并指出SEA是印度洋塑料污染的重要源区。

方法概括（≤250字）：研究人员采用GloFAS v2.1日流量0.1°数据（308个河口，年均流量>100 m³/s）；以越南国家水文气象局2008–2018年11条河流日流量原位记录和D&T气候态22条河流为验证资料；用SYMPHONIE构建5 km、60 sigma层、2009–2018年SEA-5模拟，初始和侧边界取自Glorys12V1，采用ECMWF 3小时大气强迫并显式引入9个主要潮汐调和分潮；用Ariane进行离线拉格朗日追踪，在21个印尼河口按日流量线性加权释放约1.887×10⁶个颗粒，2009年为spin-up，分析2010–2018年；另设2017–2018年无径流敏感性模拟SEA-5-NR；统计采用偏差、相对偏差、均方根误差（RMSE）、归一化均方根误差（NRMSE）、Pearson相关、T-Student检验、标准差（STD）和相对标准差（RSD）。

研究结果：（3.1 观测与模拟河流流量比较）通过比较GloFAS与越南原位记录及D&T气候态得出，33条河流中22条为正偏差；越南河流相对偏差0.12–9.06、平均约2.56，D&T河流0.01–3.48、平均约0.31；大河流绝对偏差较大但相对偏差较小。（3.1.1 气候态循环）GloFAS总体高估平均流量，但较好再现季节峰值位置；大河流平均相关约0.87且显著，小河流相关降至约0.14；越南河流NRMSE约2.09，D&T约0.75。（3.1.2 年际循环）年际NRMSE约3.30，高于气候态；平均相关约0.30，大河流约0.37，显示GloFAS重现年际变率能力较弱。（3.2 观测偏差讨论）GloFAS存在系统性正偏差，作者认为与ERA5降水约30%高估、D&T上游站及填充数据、小河流空间分辨率不足等有关；GloFAS上游面积与HydroSHEDS较接近，不能解释主要偏差。（4.1 结果）SEA-5与SMOS的SSS平均偏差约?0.10 psu，SST平均绝对偏差约0.11°C，SLA平均偏差约0.06 m；5个子区域中SEA-5在3个区域与SMOS相关更高（平均R约0.68 vs 0.56），但平均偏差更大（?1.16 psu vs ?0.72 psu）。（4.2 讨论）高频径流对SST和SLA影响不显著，但影响SSS；浅海沿岸SMOS覆盖差，降水高估和潮致虚假混合使SSS偏淡；Red River区域Glorys12V1未含该河径流，SEA-5更接近SMOS。（5.1 拉格朗日结果）通过Ariane追踪印尼21条河流释放颗粒并划分total、stranded、alive at sea、out of bounds四类，2009年为spin-up；另设无径流SEA-5-NR对照。（5.2 季节性）总释放12–4月约占63%；搁浅主要发生在12–3月（年均61%，范围55%–67%），与表层流在印尼海内更活跃有关；出域通量7–12月占64%，峰值9–10月，与ITF和SCSTF向印度洋输出有关；alive at sea在12–5月为正、7–10月为负。（5.3 年际变率）总释放和alive at sea峰值出现在2010、2013、2016年，与GloFAS印尼河流流量峰值及ENSO正信号一致；stranded峰值见于2011、2013、2017年，out of bounds峰值见于2012、2014、2017年；释放、搁浅和出域RSD低于20%，alive at sea变率更大；2010–2018年平均约56%搁浅、43%出域、1%留海。（5.4 径流对拉格朗日实验影响）SEA-5-NR较SEA-5搁浅约高12%、出域约低11%，来自开阔海的颗粒分别多16%和10%；表明径流羽流减少沿岸搁浅、促进颗粒留在海上并最终离域，且2017–2018两年结论一致、稳健。

讨论总结与结论翻译：讨论认为，GloFAS高频径流较气候态产品是重要进步，但部分河流偏差显著，尤其是年际变率不确定，可能影响沿岸SSS和环流年际表征；SEA-5在SSS时序上总体更接近SMOS，说明径流时空精度对SSS模拟重要；拉格朗日结果显示SEA是印度洋塑料污染的重要源区，径流对搁浅和输出有显著调制。研究结论翻译：总体而言，GloFAS径流数据较此前使用的气候态产品构成重大进步，但对部分分析河流，模拟流量仍存在统计显著偏差。特别是GloFAS重现许多SEA河流流量年际变率的能力仍不确定，这可能影响沿岸表层盐度和环流年际尺度的数值表征。为克服该局限，未来研究可测试替代径流强迫产品：在时空覆盖充分时采用原位测量（当前SEA除越南外尚不充分）；检验时空分辨率更高且SEA河流平均流量高估减少的GloFAS最新版本（v3.1和4）；探索GLDAS或ISBA-CTRIP模式输出等尚未在该区域评估的水文产品。为进一步评估GloFAS再分析，海洋大陆原位流量记录以及整个SEA区域更稳健、更长时间序列将更好约束当前评估。这些观测改进有助于更详细量化区域尺度河流水文对淡水循环的贡献，并帮助闭合全球收支。精确刻画局地河流流量及其羽流扩散对于理解海洋垃圾来源和潜在搁浅位置、识别区域和盆地尺度连通性格局也至关重要。最后，当前发现限于2010–2018年年平均和季节平均海表估计，更全面评估河流通量对模拟场和塑料扩散的影响将受益于覆盖整个水柱的跨年代分析。