一种结合建模与EOF方法来表征半封闭海湾的水动力学特性

《Dynamics of Atmospheres and Oceans》：A combined modeling and EOF approach to characterize the hydrodynamics of a semi-enclosed bay

　　迭戈·宾多尼|雅科波·亚历山德里|伊万·费德里科|安东内拉·阿巴
意大利米兰理工大学航空航天科学与技术系，地址：Via La Masa, 34, 米兰, 20156

摘要
半封闭沿海海域是极其脆弱的生态系统，人为压力往往会因复杂的、受地形限制的水动力学作用而加剧，从而导致水体更新缓慢以及污染物滞留。因此，了解这些海域的环流驱动因素对于有效的环境管理至关重要。在本研究中，我们通过结合高分辨率三维数值模型与经验正交函数分析，对一个具有代表性的半封闭海域的环流结构进行了深入研究。结果表明，经验正交函数分析能够有效分离出该系统的主要驱动因素。表面环流的主导模式显然与风力作用密切相关，显示出明显的季节性变化规律。对垂直密度结构及年际变化的分析表明，季节性分层与外海洋流是控制水体交换的关键因素：夏季强烈的分层会抑制水体更新，而冬季的混合则有助于形成强烈的斜压环流。垂直密度剖面的高阶模式则成功揭示了海域开口处的物质交换模式，表明系统的一部分变异也可由密度跃层的存在及其动态特性所解释，这类跃层会影响内部混合与再循环过程。本研究强调了外部力量（风力）、内部动态（分层）、海域几何形态以及外部洋流在塑造环流过程中的复杂相互作用。它证明了将高分辨率建模与经验正交函数分析相结合，是一种有效的手段，能够为理解半封闭沿海海域的水动力学机制提供清晰且量化的分析框架。

引言
半封闭沿海海域属于海洋环境中最为复杂且脆弱的区域之一。其环流模式通常是由局部作用力（如风力、潮汐）以及与周边外海之间的物质交换所共同决定的。了解这些海域的水动力行为对于评估其生态状况、污染物稀释与输送能力，以及其对人为压力和气候变化的适应能力具有重要意义。尽管如此，许多此类海域仍缺乏足够的研究资料，而高分辨率的长期数值建模则为填补这些知识空白提供了有力工具。位于地中海中部西西里岛东岸的奥古斯塔湾就是一个典型的半封闭海域。该湾面积为约23.5平方公里，由于20世纪中叶修建的一系列人工水坝和防波堤，其与爱奥尼亚海之间形成了部分隔离。历史上，该湾曾遭受严重的工业活动影响，导致了严重的环境退化（Ausili等人，2020年），因此被意大利环境部列为国家重要区域（法律编号426/98，2010年1月10日政令）。为此，该地区开展了大量的监测与治理工作（Salvagio Manta等人，2016年；Benedetti等人，2022年；Romano等人，2021年；Sprovieri等人，2022年）。然而，受自然动力与人为改造共同影响，该湾内的环流特征在空间和时间尺度上仍缺乏足够的研究，难以实现有效的环境评估与管理。

以往的研究仅对奥古斯塔湾的水动力学特征提供了部分见解。例如，Raffa和Hopkins在2001年10月开展了一次为期五天的实地观测，对湾外的部分区域进行了测量。虽然这些数据具有一定的参考价值，但无法捕捉到季节性或年际变化，也无法揭示可能影响示踪剂滞留、污染物扩散以及通过防波堤进行水体交换的内部环流过程。早期的建模工作则为该海域的水动力特征提供了初步的基准数据。Lisi等人（2009年）采用了二维平均水动力模型，并结合拉格朗日扩散方案，来评估水体的更新效率。需要指出的是，奥古斯塔湾没有显著的河流径流输入，因此其内部密度结构主要受空气-海水热量交换以及外海水团通过防波堤开口进入的影响，而非局部淡水浮力通量。此后，Marchis等人（2014年）首次采用了全三维数值模型对这一海域进行了分析，该模型成功再现了该海域的主要水动力特征，包括流动形态和流速强度。他们的研究还强调了不同外部作用力的差异性：潮汐被认为是驱动港口与外海之间物质交换的主要机制，而风力则主要影响内部环流。除了奥古斯塔湾本身，其周边爱奥尼亚海的环流模式也得到了研究。例如，Ciappa（2009年）利用2003年至2007年间收集的MODIS叶绿素-a影像，分析了西西里海峡与爱奥尼亚海的表面环流情况。这种区域视角为理解外部力量对奥古斯塔湾环流的影响提供了有益的背景，而以往仅关注湾内区域的研究并未涉及这些外部因素。

基于上述背景，本研究对奥古斯塔湾内部进行了为期四年的高分辨率水动力模拟。与以往的建模工作不同，本研究采用了更为精细的非结构化网格（分辨率高达约40米），从而能够准确捕捉小尺度环流特征以及地形与环流之间的相互作用。更重要的是，本研究在Marchis等人（2014年）建立的基础之上，不再局限于短期的定性分析，而是通过多年的综合分析，识别出环流模式在季节间和年际间的变化规律。此外，通过覆盖四年的时间跨度，该研究框架能够明确量化外海爱奥尼亚洋流对湾内物质交换的远程影响，揭示出一种在局部沿海模型中尚未被考虑的多尺度作用机制。本研究的主要目标是描述环流在季节间和年际间的变化特征，分析其与外海的物质交换机制，以及评估该湾在温度、盐度及洋流方面的季节性变化。通过将风场数据与物理边界条件纳入数值海洋模型，我们旨在同时解析主导的季节性变化信号以及可能影响水体停留时间、混合过程和污染物输运的短期变化。

除了建模框架之外，本研究还运用经验正交函数分析作为诊断工具，从模拟数据中提取出具有规律性的变化模式。经验正交函数分析已在多种海洋学研究中得到广泛应用（Elken等人，2011年；Morales-Marín等人，2017年；Ren等人，2020年；Tolkova和Power，2011年；Causio等人，2024年），用于识别电流和温度数据中的空间和时间上持续存在的模式。在奥古斯塔湾这种多个作用力相互作用的封闭海域中，本研究的方法创新之处在于，不仅将经验正交函数分析用于数据简化，更将其作为一种正式的诊断工具，用于数学上分离并量化那些相互叠加的驱动因素。这种方法使我们能够区分局部的大气动量输入与更广泛的密度驱动模式，从而建立清晰的定量关联，识别出水平环流和垂直混合过程的主要结构。通过四年的时间跨度对这些过程进行评估，本研究能够较准确地判断环流模式的年际变化，而这种变化是短期实地观测或季节性模型无法捕捉到的。该方法既为所模拟的动态过程提供了物理解释，也为未来的监测与预测工作提供了简化的分析框架。

本研究的结果为深入理解奥古斯塔湾的水文特征奠定了基础，同时也为研究地中海及其他地区的半封闭海域提供了重要参考。具体而言，通过对年际变化的描述以及对水动力驱动因素的量化，本研究为预测该国家重要区域内工业污染物的长期迁移与归趋提供了更为精确的依据。此外，高分辨率建模与经验正交函数分析的结合，为研究那些观测数据匮乏但亟需基于科学证据进行环境管理的类似海域提供了一种可借鉴的方法。

本文的结构如下：第一部分介绍研究方法，简要概述了所使用的模型、计算设置，以及经验正交函数分析和相关统计工具的使用方法。结果部分首先介绍了模拟数据与卫星测量数据以及现场实测的温度和盐度数据之间的对比验证情况，随后从季节平均值、垂直剖面分析以及运用经验正交函数分析识别模式和驱动因素等方面进行了详细讨论。此外，还进行了年际变化分析以进一步支撑讨论内容。最后，本文总结了主要研究结果。

方法部分
为研究奥古斯塔湾的水动力行为，我们采用了SHYFEM-MPI（水动力有限元建模系统）的并行版本进行高分辨率数值模拟（Micaletto等人，2022年）。SHYFEM-MPI是一种三维自由表面浅水水动力模型，专门用于模拟河口和沿海海洋环境。该模型在静水力和布辛涅斯克近似条件下，通过特定的数学方法求解流体运动的原始方程。

模型验证
为了评估SHYFEM-MPI模型的预测性能，我们采用了双平台验证策略。首先，利用L4卫星提供的海表温度数据来评估空间一致性（Buongiorno Nardelli等人，2013年；Copernicus Marine Service，2025年；Fanelli等人，2024年）。其次，通过意大利区域环境保护局提供的现场实测数据，对垂直热盐结构进行了验证。该局的监测工作采用了……

结论
本研究通过高分辨率数值模型与经验正交函数分析，对奥古斯塔湾四年的水动力特征进行了系统研究。研究结果表明，该海域的环流受到大气作用力、季节性密度变化以及当地海底地形共同影响。对表面流速场的经验正交函数分解显示，前两种变化模式与风应力密切相关，这反映了明显的……

致谢
迭戈·宾多尼：负责原文撰写——初稿、可视化处理、模型验证、方法设计、数据收集与分析、理论构建。雅科波·亚历山德里：负责原文撰写——审阅与编辑、研究指导、概念构思。伊万·费德里科：负责原文撰写——审阅与编辑、研究指导、概念构思。安东内拉·阿巴：负责原文撰写——审阅与编辑、研究指导、概念构思。

资金支持
本研究未获得任何公共部门、商业机构或非营利组织提供的专项资助。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本文所述的研究工作得到了“下一代欧盟”计划下国家复苏与韧性计划（PNRR）第4项任务、第2组成部分——从研究到商业转化（M4C2）中3.3类投资项目——“针对企业创新需求设立创新博士项目并推动企业招聘研究人员”的支持，具体项目名为“海洋中的二氧化碳封存：数值模拟与实验”。我们还要特别感谢……