潮汐主导半封闭海域悬浮颗粒物季节与空间变化的三维数值模拟——以日本濑户内海为例

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Three-Dimensional Numerical Modeling of Seasonal and Spatial Variations of Suspended Particulate Matter in a Tide-Dominated Semi-Enclosed Sea

　　

悬浮颗粒物（SPM）是沿海海洋生态系统和地貌演变的关键驱动因素。本研究建立了一个耦合多层沉积物床模块的三维水动力模型，用于量化潮汐主导的半封闭海域——日本濑户内海（Seto Inland Sea, SIS）中SPM的季节动态与来源。模型考虑了黏性混合沉积物、空间变化的临界切应力以及波流耦合底切应力参数化方案，以更好地表征沉积物的侵蚀、沉降和再悬浮过程。通过将河流来源和再悬浮来源的颗粒物分别作为独立示踪剂，研究人员实现了对SPM浓度和收支中河流输入与沉积物再悬浮贡献的定量归因。结果表明，沉积物来源主导了底部SPM浓度及整个水柱中的大部分SPM，而河流来源则主要在夏季河口表层区域显著增加SPM浓度。此外，波浪引起的底切应力在冬季增强了沿岸浅水区的再悬浮作用。河流输入的SPM在沉降后，被中层环流重新分布，并在盆地内部广泛沉积。敏感性实验进一步揭示了非线性相互作用的存在：新沉积的河流SPM会优先被再悬浮，从而保护下层固结沉积物免受侵蚀。该研究为理解复杂地形半封闭海域中不同来源SPM的动态机制提供了重要见解。

基于三维数值模型的濑户内海悬浮颗粒物季节动态与源贡献研究解读

一、研究背景与科学问题

悬浮颗粒物（Suspended Particulate Matter, SPM）是近岸海洋生态系统与地貌演变的核心调控因子，它既是营养盐和污染物的载体，又直接影响初级生产力和水质状况。在半封闭海域中，潮汐过程通常主导SPM的时空变化，强潮混合与底部切应力控制着沉积物的再悬浮过程，而季节性温盐分层则会抑制垂向混合，改变SPM在水柱中的垂向分布。然而，现有研究面临若干关键难题：首先，区分河流输入与沉积物再悬浮各自对SPM浓度的贡献十分困难；其次，尽管潮汐流维持了持续的混合背景，但在特定季节，风浪可主导海底切应力并引发强烈的再悬浮事件，这种非线性波流耦合效应常被忽视；第三，以往针对濑户内海（Seto Inland Sea, SIS）的建模工作多局限于局部子区域，且通常将海床简化为单一静态层、采用空间均匀的侵蚀阈值，忽略了沉积物的垂向固结、空间差异以及沉积历史的影响。因此，亟需发展一套能够全面解析SPM来源、量化不同物理强迫相对作用的数值框架。

二、研究方法概述

研究人员基于普林斯顿海洋模型（Princeton Ocean Model, POM）建立了SIS的三维水动力模块，水平分辨率为1/120°纬度×1/80°经度，垂直方向设置21个σ层，由气候态逐日气象数据驱动，并纳入M?、S?、O?、K?四个主要分潮。波浪模块采用WAVEWATCH-III（版本6.07），通过四重嵌套网格实现约1 km分辨率的风浪后报。SPM输运模块将颗粒物分为黏土、粉砂和砂三种类型，分别求解平流-扩散方程。沉积物床模块采用三层结构，对应新沉积、部分固结和充分固结的SPM，并通过范莱恩（van Rijn, 2020）提出的泥-沙混合物经验公式计算空间变化的临界切应力（τ_ce）。波流耦合底切应力（τ_cw）采用索尔兹比（Soulsby, 1997）参数化模型估算。河流SPM浓度数据来自日本环境省1992—2022年观测资料，通过插值构建气候态逐日输入序列。为分离不同来源贡献，研究人员设计了四组敏感性实验：对照组（Case 1）、移除初始海床沉积物质量（Case 2）、设河流SPM浓度为零（Case 3）、以及设波浪底切应力为零（Case 4）。

三、主要研究结果

3.1 SPM在SIS中的时空变化

SIS内部区域SPM平均浓度呈现明显季节循环，冬季浓度最高，其他季节较低，全年伴随显著的半月周期变化（对应于大潮和小潮周期）。空间上，夏季河口近岸区表层SPM浓度升高，尤其在大阪湾（淀川输入最大）、广岛湾和备赞濑户等区域最为明显。底部SPM浓度普遍高于表层，且在通道和海峡区域（如周防滩、丰后水道、伊予滩、来岛海峡、燧滩、备赞濑户、明石海峡、鸣门海峡和纪伊水道）呈现高值区，而在广岛湾、大阪湾等河口区域，表层浓度反而高于底层。

3.2 不同类型SPM的分布比例

表层SPM以泥质（黏土+粉砂）为主，砂含量有限且主要分布于海岸和部分海峡。底层SPM的空间变异更为显著：泥质在多个“滩”区和海湾占优，而砂主要分布在丰后水道、伊予滩及若干海峡。表层黏土与粉砂的比例呈现季节性变化：夏季黏土主导整个SIS表层，冬季从周防滩至丰后水道和燧滩的表层粉砂比例明显上升，这归因于冬季垂向混合增强，使海床再悬浮的粉砂得以向上输送。

3.3 SPM的大小潮周期

大潮期间SPM浓度显著高于小潮。以四个代表性站点分析：在潮流最强的狭窄海峡（站点3）和次强的站点1，底部切应力（τ_cw）超过各层临界切应力（τ_ce），引发明显的再悬浮峰，且SPM浓度峰值滞后于τ_cw峰值约2.2小时。而在以黏土为主的站点2和以粉砂为主的站点4，由于τ_cw极少超过τ_ce，SPM浓度几乎不显示大小潮变化，其动态更多受控于周边区域的平流输运而非本地瞬时再悬浮。

3.4 河流与沉积物来源对SPM的贡献

源归因分析表明：河流源SPM在大阪湾（受淀川强烈影响）、播磨滩、广岛湾、别府湾及部分近岸区域占主导地位，这些区域不仅河流输入量大，而且较高的τ_ce有效抑制了沉积物再悬浮。沉积物源SPM则在SIS大部分区域的底层占绝对优势，主要由全流域强劲的潮流驱动。非线性交互指数（Non-linear Interaction Index, NII）在SIS大部分区域小于1%，表明SPM浓度基本可由两种来源线性叠加得到。但在河口近岸区，NII为负值（可达-0.11），反映了“屏蔽效应”：新沉积的河流SPM优先被再悬浮，消耗了水动力能量，从而保护了下层固结沉积物。

3.5 河流SPM的输运机制

以大阪湾为典型案例，夏季淀河大量淡水注入形成强盐度层化和高SPM浓度的河流羽流，SPM严格限制在上层10—15米。表层强劲的东向流阻止了SPM向西扩散，而沿东部海岸南向的淡水径流则驱动SPM向南输送。在中层，一个反气旋式涡旋（奥之濑残留环流）将河流SPM从浅水近岸区带向深水区，最终沉积于大阪湾大面积海床上。局地海床沉积吸收了年河流输入量的62%，剩余38%通过边界输运排出湾外，水柱中年均SPM库存仅占年输入量的约5%。

3.6 再悬浮SPM的变化驱动机制

移除波浪底切应力的敏感性实验（Case 4）显示，冬季SPM浓度显著降低，证明波流耦合显著增强了冬季的再悬浮强度。波浪对SPM的贡献主要集中在近岸浅水区，尤其在SIS南部沿岸冬季盛行偏北风的下风侧表现突出。定量分析表明：波浪主导的再悬浮在西北风条件下发生频率最高（39%），随水深增加迅速衰减——0—10米浅水区占比38%，10—20米降至28%，超过40米水深则低于5%，此时潮流成为主导机制。

四、讨论与结论总结

讨论部分要点： 与以往仅在局部子区域（如广岛湾、大阪湾）开展的SPM研究相比，本研究首次在全SIS尺度上实现了SPM源贡献的定量归因，并揭示了波浪作为冬季近岸再悬浮另一主要驱动力的重要性。与其他半封闭海域对比发现：渤海和黄河流入的泥沙主要影响河口局部，而波浪控制更大尺度的季节和年际变化；切萨皮克湾同样呈现河流输入主导上游、波浪-潮流耦合控制下游细颗粒再悬浮的特征；威尼斯潟湖则因人为干预几乎无河流输入，SPM完全由潮汐和风浪驱动的海床沉积物再循环所支配。本研究进一步将SPM源归因与空间变化的沉积物可蚀性联系起来，为理解复杂地形下半封闭海域的SPM动态提供了更完整的认知。

结论部分翻译： 本研究利用耦合多层沉积物床模块的三维水动力模型，调查了濑户内海中SPM的分布与源贡献。源归因计算揭示，沉积物源的SPM是底层SPM的主要贡献者，并占据整个水柱中SPM的大部分。河流源对整个水柱SPM浓度的贡献较小，但由于提供细颗粒物，在表层SPM中扮演重要角色。因此，SPM浓度主要受受大小潮周期调制的沉积物再悬浮控制，而表层SPM浓度在夏季高径流量时期于河口区域呈现显著升高。此外，波浪引起的海底切应力产生强烈的季节性影响，在冬季沿SIS下风海岸引起显著的再悬浮。在这个部分半封闭海域中，河流SPM的命运受表层河流羽流与通过颗粒沉降和残留环流进行的中深层再分配之间的相互作用所支配。