塞内加尔大湾沿岸近海污染物暴露的季节性拉格朗日动力学：对油气风险管理的启示

《Oceans》：Seasonal Lagrangian Dynamics of Offshore Pollutant Exposure Along Senegal’s Grande C?te: Implications for Oil and Gas Risk Management

　　

近期沿塞内加尔-毛里塔尼亚边缘的近海碳氢化合物发现增加了量化南加那利洋流上升流系统高度动态环流下溢油风险的需求。研究人员利用开源水动力海洋模型CROCO输出的强迫场驱动拉格朗日粒子追踪实验，研究了沿塞内加尔大湾的季节性污染物扩散。分析聚焦于风驱环流、埃克曼输运（Ekman transport）和上升流变率在控制跨岸和沿岸输送路径中的作用。结果显示强烈的季节性海岸环流变率。在冷季（1月至5月），增强的偏北风驱动海岸上升流和离岸埃克曼输运，加强了表层流的辐散，促使粒子远离海岸输出。这一机制限制了粒子近岸累积，但有利于在大陆架上更广泛的离岸扩散。相反，在暖季（6月至9月），有利于上升流的风力减弱，并在海岬以北建立起气旋式环流，导致向岸输运和海岸滞留。粒子释放实验显示在此期间大湾沿岸粒子滞留和累积增强。Kayar地区和佛得角半岛在冷季表现出相对较高的污染物暴露，而大湾沿岸的内陆架在暖季变得特别脆弱。这些发现表明，季节性风力强迫及其相关的埃克曼动力学对溢油轨迹有显著影响。将这种变率纳入应急规划至关重要，因为塞内加尔大湾的内陆架在暖季环流状态下是一个动态敏感的高暴露区域。

一、研究背景与科学问题

塞内加尔-毛里塔尼亚边缘海域近年发现了大量近海碳氢化合物资源，这为当地经济带来希望，但也对依赖海洋生态系统服务（如渔业和旅游业）的地区构成了潜在威胁。准确预测溢油轨迹对于有效的早期预警和应急规划至关重要，尤其是在非洲沿海国家。污染物的输运和再分布受水平/垂直平流、湍流扩散和小尺度混合等物理过程控制，其变化取决于环境条件和污染物类型。然而，塞内加尔北部海岸（大湾地区）的海洋环流动力学，特别是其对潜在污染物的季节性输送路径和海岸暴露风险的影响，尚缺乏系统性研究。因此，亟需基于对局地海洋动力学的深入理解，评估该区域在油气开发背景下的污染风险。

二、研究内容与主要结论

本研究旨在评估塞内加尔北部海岸的沿海环流及相关污染风险。研究人员采用一阶拉格朗日（Lagrangian）方法，以表面束缚粒子作为潜在油膜的替代物，重点研究平流输送。具体目标包括：（1）利用多种数据集评估CROCO（Coastal and Regional Ocean COmmunity model）模型在塞内加尔北部海岸的水动力模拟性能；（2）在Grand Tortue Ahmeyim（GTA）开发区进行拉格朗日实验，识别在碳氢化合物泄漏情况下可能受到污染的区域。研究得出的主要结论是：污染模式受区域性环流和相关上升流动力学的强烈季节性控制。冷季（1-5月）期间，增强的偏北风驱动海岸上升流和离岸埃克曼输运（Ekman transport），促进污染物远离海岸输出，降低海岸浓度和环境风险。暖季（6-9月）期间，上升流有利风减弱，离岸埃克曼输运减少，转向向岸表层输运，导致表面束缚粒子在近岸滞留，增加了大湾沿岸的潜在暴露风险。不同风致系数（windage）的敏感性实验表明，风驱输送能显著改变粒子在圣路易斯（Saint-Louis）、卡亚尔（Kayar）和达喀尔（Dakar）三个沿海扇区的空间分布和季节性发生时间。这些发现强调了将季节性环流和上升流变率纳入应急规划的重要性，并指出塞内加尔大湾的内陆架在暖季是一个动态敏感的高风险暴露区。

三、关键技术方法

1. 1.
   海洋环流模型配置：采用开源海洋建模系统CROCO，基于ROMS（Regional Ocean Modeling System）构建，使用非布辛涅斯克（non-Boussinesq）内核。模型采用双向嵌套网格：父网格“Can10”（分辨率约10 km）覆盖大部分加那利洋流系统；子网格“Sen2”（分辨率约2 km）聚焦塞内加尔沿岸海域。垂直方向设置50个不均匀分布的sigma层以提高上层海洋分辨率。地形数据源自GEBCO（General Bathymetric Chart of the Oceans），并对10°N至21°N之间的陆架和坡进行了人工修正。
2. 2.
   强迫与验证数据：海洋开边界条件使用哥白尼海洋环境监测服务中心（CMEMS）提供的1/12°分辨率的Mercator模型逐日输出。大气强迫（气温、湿度、10米风、辐射通量）使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析资料（每小时，31 km分辨率）。河流径流使用全球洪水预警系统（GloFAS）的估算值。模型评估使用了NASA JPL提供的多尺度超高分辨率（MUR）L4海表温度（SST）分析数据和CLS运营的DUACS（Data Unification and Altimeter Combination System）多任务融合网格化海面高度（SSH）产品。
3. 3.
   拉格朗日粒子追踪实验：使用ROFF（Roms-Offline）模块进行离线拉格朗日模拟。在GTA平台区域（坐标范围16.02°N–16.11°N, 17.24°W–17.09°W）的一个盒子内释放了1000个表面束缚虚拟粒子，并在前向模式下追踪其四个月的轨迹。2016年全年共进行了72次释放（约每5天一次）。为了考虑风驱输送，在粒子水平速度中加入了风致分量，即U(x,t) = U_C(x,t) + αU_w(x,t)，其中α为风致系数。研究设置了无风致（α=0）、弱风致（α=0.015）和强风致（α=0.035）三种敏感性实验。定义了圣路易斯、卡亚尔和达喀尔三个沿海盒子以量化潜在的海岸暴露程度。

四、研究结果

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  模型评估（Model Evaluation）：通过与MUR L4 SST和DUACS SSH观测数据的对比，模型很好地再现了2016年沿大湾地区的SST和SSH季节性循环。模型成功捕捉到了1-3月与海岸上升流增强相关的冷水舌，以及6-10月的逐渐增温过程。尽管在某些过渡期（如6月）模型高估了海岸SST，但总体而言，模型对主要季节性和空间模式的再现能力为后续拉格朗日实验提供了可靠基础。
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  SST变率（SST Variability）：基于2010-2020年的气候态分析，模型清晰地展示了沿大湾地区由大气强迫（尤其是上升流有利风和海气通量）控制的显著季节和空间SST变率。冷季（10月至次年5月）可分为建立阶段（10-12月，OND）和强化阶段（1-5月，JFMAM），后者为上升流核心期。暖季（6-9月，JJAS）SST达到年度最高且水平均一。研究据此将全年划分为这三个季节时段用于后续分析。
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  表层环流（Surface Circulation）：表层环流主要由埃克曼输运和跨岸压力梯度共同驱动。在JFMAM时期，强劲的南向表层流得到加强，形成赤道向海岸急流。在JJAS时期，风应力减弱，在佛得角半岛以北发展出一个反气旋式环流，导致海平面在沿岸升高而离岸降低，从而产生向岸的地转流分量，促进了暖季期间暖水在陆架上的堆积。
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  沿岸环流的垂直结构（Vertical Structure of the Alongshore Circulation）：沿大湾地区，经向环流表现为典型的上升流系统特征：向赤道的沿岸上升流急流和向极的地下逆流。上升流急流强度在JFMAM达到最大（约15 cm·s^-1），主要局限于混合层内。西非极向边界流（West African Poleward Boundary Current, WABC）在OND期间强度最大，而极向地下逆流（Poleward Undercurrent, PUC）的核心位于100米深度，延伸至250米。
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  海岸连通性特征（Characterization of Coastal Connectivity Along the Coast）：拉格朗日实验揭示了两种截然不同的季节性输送机制。冷季，粒子被离岸埃克曼输运主导，限制其海岸暴露。暖季，更多粒子被向岸输送，并被反气旋环流导向海岸线，随后被沿岸流携带向南，增强了海岸滞留和连通性。无风致条件下，粒子再分布完全受控于表层流，三个扇区显示出不同的季节性峰值（如7月圣路易斯，8月卡亚尔和达喀尔）。引入风致系数后，粒子发生时间变得更分散，且在不同扇区间重新分配。例如，强风致（3.5%）下，圣路易斯在6-7月达到81-83%的粒子到达率，而卡亚尔和达喀尔的峰值则出现在春季和秋季。
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  高连通性区域制图（Mapping of High-Connectivity Areas）：通过绘制冷季和暖季的潜在海岸暴露图，研究发现冷季期间，粒子高发区集中在大湾南部，介于达喀尔和卡亚尔之间。暖季期间，反气旋环流导致粒子向岸输运和滞留，整个大湾沿岸内陆架都成为高暴露区。结果表明，海岸暴露受表层海洋环流和风驱输送的共同作用，且风致系数的增加会显著改变粒子的再分布和到达时间。

五、讨论与结论

研究人员的讨论部分强调，研究结果突显了季节性风力强迫和环流格局对污染物扩散的主导性影响。冷季的离岸输运虽降低了即时海岸影响，但可能导致污染物在更广阔的陆架和邻近海域扩散。而暖季的向岸输运则意味着更高的海岸污染和生态系统暴露风险。因此，塞内加尔大湾的内陆架是一个动态敏感的高风险暴露区，尤其在暖季。研究也指出了方法的局限性：未包含波浪引起的斯托克斯漂移（Stokes drift）；2 km分辨率的模型可能无法完全解析亚中尺度过程（如丝状体、涡旋）；研究仅考虑了平流输送，未涉及湍流扩散和风化过程（如蒸发、乳化）；且未考虑深水井喷情况下的垂直输送和浮力效应。

结论部分翻译如下：海洋环流从根本上决定了与当前动力学和示踪剂扩散相关的海洋安全问题。利用区域海洋环流模型驱动的拉格朗日粒子追踪实验，本研究评估了塞内加尔北部海岸外假设碳氢化合物泄漏的潜在路径和海岸暴露。大湾沿岸的污染模式显示出由区域性环流和相关上升流动力学驱动的强烈季节性控制。在冷季，海岸上升流通过风驱埃克曼动力学强烈改变表层环流，产生离岸和沿岸输运，显著影响污染物的轨迹和扩散。实际上，这种机制促进了污染物远离海岸的输出，导致低海岸浓度和在碳氢化合物泄漏事件中降低的环境风险。相比之下，在暖季，有利于上升流的风力减弱减少了离岸埃克曼输运，并有利于向岸表层输运的转变。这种环流状态促进了表面束缚粒子在近岸的滞留，并增加了大湾沿岸的潜在海岸暴露。由此产生的粒子分布在圣路易斯、卡亚尔和达喀尔扇区之间呈现空间差异，反映了季节性环流模式的变化。敏感性实验进一步证明，风驱输送可以显著改变这些沿海扇区内粒子的空间分布和季节性发生时间。增加风致系数增强了粒子的再分配，并改变了各个扇区经历潜在暴露增加的时期。总体而言，这些结果强调了季节性环流和上升流变率在控制塞内加尔海岸表层粒子输运和海岸连通性方面的作用。海洋环流和风驱输送的综合影响因此可能导致沿海区域对表面束缚粒子的潜在暴露发生显著季节性变化。