长江口瞬态双向流：驱动机制与时空演变特征

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Transient bidirectional flow in Yangtze River Estuary: Driving mechanisms and spatiotemporal variations

　　

研究人员结合现场观测与数值模拟，针对长江口（中国，位于长江与东海交汇处）开展了瞬态双向流（Transient Bidirectional Flow, TBF）事件的发生规律、驱动机制、环境影响及时空特征的系统研究。研究发现，长江口TBF事件表现为表层持续向海、底层持续向陆的瞬时流速结构，且可维持多个潮周期，这与经典河口交换流在潮汐主导下瞬时流场通常呈垂向单向的特征存在显著差异。尽管类似瞬时双向流结构此前已在其他河口被观测到，但其环境影响、主控机制及时空分异特征仍缺乏系统性认知。研究结果表明，TBF显著增强了水体层化强度，并提升了水体和盐度的净输运通量。通过动量诊断与敏感性数值试验，研究人员揭示了其驱动机制：落潮阶段，强北风通过增强盐度入侵形成持续的向陆斜压压力梯度，逆转底层落潮流方向使其向陆流动；涨潮阶段，径流与盐楔的共同作用抬升上游水位，产生强向海正压压力梯度，逆转表层涨潮流方向使其向海流动。

本研究聚焦长江口瞬态双向流（TBF）这一新型水文现象，旨在弥补经典河口交换流理论在瞬时尺度动力过程认知上的不足。当前学界对河口环流的研究多集中于潮平均尺度的残余环流，对瞬时尺度的双向流结构关注有限，且其驱动机制与环境效应尚未明确。长江口作为典型的巨混合型河口，受径流、潮汐、风场及地形多因子耦合影响，2022年现场观测中发现的TBF事件为揭示此类过程的动力机理提供了契机。研究人员通过开展多源观测与高分辨率数值模拟，明确了TBF的识别标准、形成条件及物质输运效应，相关成果发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》，为完善河口动力学理论及淡水资源管理提供了新的科学依据。

为开展研究，研究人员采用了以下关键技术方法：一是构建了覆盖117.5°E–125°E、28°N–33.5°N的高分辨率Delft3D三维水动力模型，水平网格分辨率为100–800 m（河口段）至4000 m（开边界），垂向分10个σ层，模拟时段为2022年7月15日至12月15日，包含3个月spin-up期；二是集成了多源观测数据，包括2022年8–12月的12个验潮站水位、10个船测断面盐度剖面、7个水文站表层盐度及3个浮标站的流速盐度连续观测数据，辅以大通站日径流量与ERA5再分析风场数据；三是设计了包含控制试验与6组敏感性试验的数值试验体系，分别隔离盐度、径流、潮汐、风场（风向、风速、远场风生增水）对TBF的贡献；四是采用梯度理查德森数（Richardson number, Ri）、体积理查德森数（bulk Richardson number, Ri_b）及势能异常（Potential Energy Anomaly, PEA）量化水体层化与混合特征，并通过动量方程各项诊断明确动力平衡机制。

研究结果部分，首先通过定义表层与底层流速矢量夹角θ>90°且持续至少1个潮周期为TBF事件，识别出2022年10月17–20日在北港（North Channel, NC）S3站发生的持续72小时（约6个潮周期）的典型事件。该事件中表层向海流频率为0.95，底层向陆流频率为0.82，θ>90°的时间占比达0.79，显著区别于潮周期的垂向单向流特征。其次，水动力分析显示事件期间平均潮差仅0.79 m（小潮），表层盐度从事件前的2.10升至3.13，底层盐度骤增808.12%至19.09，体现强烈盐度入侵；径流仅为历史同期均值的34.16%，局地与远场风场均以7–9 m/s的北风为主。第三，层化与输运特征表明，Ri_b在事件期间持续高于0.25，中层层化程度最高；北港全水柱净输运通量向陆，表层向海、底层向陆的双向输运形成显著河口交换流，S3站单位宽度净水量通量较事件前增长37倍，净盐通量增长243倍。第四，时间变化分析显示，2022年TBF事件集中发生于9–10月，与低径流、强北风季节吻合，月累计持续时间与月均径流量呈显著负相关（r=-0.71），2022年低径流条件下事件总时长显著高于2021年。第五，空间变化分析表明，TBF在北港、南港及北槽均有较高发生概率，海向端发生频率更高，北港中段（盐楔上游界限）及深槽区域TBF比例最高，水深与TBF比例呈显著正相关。

讨论部分，研究人员通过动量平衡诊断发现，事件期间表层流主要受正压压力梯度力（均值6.05×10^-5 m/s²，向海）驱动，被纵向平流项部分抵消；底层流主要受斜压压力梯度力（均值-1.37×10^-4m/s²，向陆）驱动，正压压力梯度力与垂直动量扩散为主要阻力项。敏感性试验进一步验证了各因子的定量贡献：盐度缺失会完全抑制TBF，因斜压压力梯度消失；径流通过增强向海正压梯度促进表层向海流，同时通过盐楔抬升增强斜压梯度，但过高径流会削弱盐度梯度；潮汐强度是TBF形成的先决条件，小潮弱潮环境下正压梯度较弱，利于重力环流克服潮汐强迫；北风通过远场Ekman输运与局地风应力增强盐度入侵与重力环流，西风（顺河口向海）亦有促进作用，而南风与东风则抑制事件；风速存在阈值效应，过低风速无法驱动足够盐度入侵，过高风速则破坏层化并引发流向逆转；远场风生增水是盐度入侵的重要驱动力，忽略该因子会显著低估TBF强度。基于上述分析，研究人员提出了TBF形成的动力竞争机制：当重力环流流速振幅与潮流流速振幅之比R_gt>1时，重力环流可克服潮汐强迫，形成瞬时双向流结构，该阈值在2022年事件中达1.32。TBF与经典河口重力环流（Estuarine Gravitational Circulation, EGC）的区别在于前者作用于瞬时尺度，受多因子联合驱动，后者在瞬时尺度受潮汐正压梯度主导。

结论部分，研究明确了长江口TBF是小潮期间瞬时垂向双向流结构，2022年典型事件持续72小时，伴随强烈中层层化，水盐净输运通量较事件前分别增长37倍与243倍。其驱动机制为落潮阶段强北风驱动的盐度入侵形成向陆斜压梯度逆转底层流，涨潮阶段径流与盐楔抬升形成向海正压梯度逆转表层流，弱潮混合是关键前提。时空分布上，TBF在年内高发于9–10月（低径流、强北风），年际上在低径流年份更频繁，空间上海向端发生频率高，盐楔上游界限及深槽区域强度最大。该研究丰富了河口海岸动力学理论，为河口淡水资源管理提供了新的科学视角，未来需进一步耦合泥沙与生态过程以全面评估其对地貌演化与生态系统的影响。