揭示季节性对大型日内瓦湖中风生近岸流动力学的强烈影响：基于多年观测

《Journal of Great Lakes Research》：Revealing the strong effect of seasonality on wind-induced nearshore current dynamics in large Lake Geneva captured by multi-annual observations

　　

针对大型湖泊中季节性近岸流动力学（nearshore current dynamics）及其对近岸-离岸交换（nearshore-offshore exchange）影响的多年度研究（multi-annual studies）十分匮乏，尽管此类信息对于确定湖泊生态系统的长期演变至关重要。为解决这一不足，研究人员在日内瓦湖（Lake Geneva）北部近岸带（nearshore zone）水深26?m处收集了长达8年的近底温度（near-bottom temperature）和近底海流数据，并辅以气象数据。分析表明，近岸带中持久且发育良好的沿岸流（alongshore currents）以事件形式组织，这些事件由来自东北和西南的两个强主导风驱动。海流事件通常持续数小时至约3天。近底沿岸流速度可超过20?cm?s^?1，引发沉积物再悬浮（sediment resuspension）爆发并增强水平混合。平均沿岸流方向在季节尺度上呈现一致变化：夏季主要向西，冬季转为向东。与向西的沿岸输运相关，Ekman输运（Ekman transport）主要导致夏季的沿岸下降流（coastal downwelling）。冬季，下风岸的下降流占主导，并与向东的沿岸输运相关。因此，在两个季节中，近底处均以离岸输运（offshore transport）为主，离岸流速度可达20?cm?s^?1。不同来源的水团通过近岸带，这反映在近底夏季温度在数小时内从接近表层值连续变化至更大深度记录到的值。这种近岸带与湖泊内部的三维交换和混合可显著影响湖泊的生物-地球-化学平衡（bio-geo-chemical equilibrium）。本研究结果揭示了季节性变率（seasonal variability）对长期近岸带动力学的重要性。

**研究背景与问题**
大型湖泊的近岸带（nearshore zone）是连接浅水波浪破碎带与深水湖心的关键区域，其水动力过程对水质、生态平衡及污染物扩散具有重要影响。然而，目前针对大型湖泊近岸流动力学的多年度研究极为匮乏，尤其是在季节性变化对风生近岸流（wind-induced nearshore currents）及其与湖心交换的作用方面。现有研究多聚焦于单个事件（如上升流或下降流），缺乏对长期、季节尺度动力学的系统认识。为填补这一空白，研究人员在日内瓦湖（Lake Geneva）北部近岸带开展了长达8年的观测研究，旨在揭示季节性风场如何驱动近岸流格局，并评估其与湖心之间的物质交换机制。该研究论文发表在《Journal of Great Lakes Research》。

**研究内容与结论**
研究人员利用位于Buchillon Mast站点的近底海流计（26?m深度）和温度传感器（36?m深度），结合气象数据，连续记录了2008至2016年间的近岸流与温度序列。通过分析发现，近岸流主要由两种强主导风（东北风“Bise”和西南风“Vent”）驱动，形成持续数小时至约3天的沿岸流事件，流速可超过20?cm?s^?1，并引发沉积物再悬浮（sediment resuspension）爆发。关键结论为：沿岸流方向在季节尺度上发生规律性反转——夏季主要向西，冬季主要向东；Ekman输运（Ekman transport）导致夏季沿岸下降流（coastal downwelling）占优，而冬季下风岸下降流主导；两个季节中近底处均以离岸输运为主，离岸流速度可达20?cm?s^?1；温度数据表明，不同来源的水团（包括表层暖水和深层冷水）在数小时内快速通过近岸带，形成三维混合与交换。该研究首次在大型湖泊中系统记录了长期近岸流动力学的季节性反转模式，并指出其对湖内生物地球化学平衡（bio-geo-chemical equilibrium）具有重要影响。

**关键技术方法**
研究主要基于以下技术方法：1）在日内瓦湖Buchillon Mast站位（水深约4?m）设置Aanderaa RCM9声学海流计（acoustic current meter）于26?m深度，测量近底水平流速分量及浊度，采样间隔10?min；2）在相同站位36?m深度部署温度传感器，与气象站（10?m高度）同步记录风速、风向及气温，时间分辨率为1?h；3）利用瑞士联邦气象局（MeteoSwiss）St. Prex站点的10?min间隔气象数据，以及日内瓦湖保护国际委员会（CIPEL）SHL2站点的水温剖面数据作为补充。所有数据覆盖2008至2016年，其中2013至2016年获得连续记录。

**研究结果**
- **3.1 长期强迫特征**：通过分析温度与风场发现，夏季强分层期间（5月至9月），湖心表层与深层温差可达10?°C以上；近岸26?m深度温度变化剧烈，可在数小时内从表层值降至深层值。风场方面，主导风Bise（东北风）和Vent（西南风）具有季节性差异：夏季Bise风频发，冬季Vent风占优，且风速均超过5?m?s^?1时才能驱动显著海流事件。
- **3.2 长期近底流动力学**：基于2013至2016年连续记录，近底流方向呈现两个主导峰值（东向和西向），对应海岸线走向。流速可超过20?cm?s^?1，显著高于湖心流速。通过时滞互相关分析，证实沿岸风与沿岸流之间存在显著相关性，风领先流数小时。
- **3.3 夏季强分层期间近岸流与温度**：Bise风事件触发向西的沿岸流，随后出现离岸坡向下流（downslope current），并导致近底温度骤升，这是典型的沿岸下降流事件。季节尺度上，向西的沿岸输运与离岸流高度相关，且温度出现大幅正异常。
- **3.4 冬季弱分层期间近岸流与温度**：Vent风事件驱动向东的强劲沿岸流，并伴随向岸坡向上流（upslope current），导致近底温度下降，形成沿岸上升流。然而，在季节尺度上，由于Vent风与岸线夹角约40°，下风岸下降流占主导，离岸输运更为显著。
- **3.5 长期近岸流发育**：渐进矢量图显示，近岸流方向在多年间呈现规律性季节反转：夏季向西，冬季向东。冬季沿岸流速度显著高于夏季，且事件持续时间更长（可达数天）。全年近底离岸流分量与沿岸流分量量级相当，但冬季沿岸流占比更大。
- **3.6 小尺度过程**：浊度传感器数据表明，当沿岸流速度超过10?cm?s^?1时，底部剪切应力急剧增加，引发沉积物再悬浮爆发。流速波动显示近岸流呈近各向同性，湍流动能（Turbulent Kinetic Energy, TKE）和水平扩散系数（horizontal diffusion coefficient, K）在下降流事件期间显著增大，量级达10³–10⁴?cm²?s^?1。

**讨论与结论**
讨论部分指出，近岸带动力学受风场主导，且下降流事件在夏季和冬季分别由Ekman输运和下风岸堆积驱动，两者均导致近底离岸输运。温度变化揭示水团快速交换，且这种三维混合对湖泊生态具有重要影响。研究还发现，近岸带内Kelvin波信号微弱，而沉积物再悬浮和混合增强主要发生在下降流事件期间。此外，沿岸流的方向反转频率高（每周1–2次），促进了近岸带与湖心之间的物质交换。

研究结论翻译如下：本研究基于日内瓦湖北部近岸带8年的近底温度和流场数据，结合气象观测，首次在大型湖泊中系统记录了长期近岸流动力学的季节性反转模式。主要结论包括：1）近岸带是高度活跃的区域，流速、流向和温度在所有季节均快速变化；2）风生沿岸流主导近岸流格局，当风速超过5?m?s^?1时，近底流速可超20?cm?s^?1，并引发沉积物再悬浮；3）风向快速反转导致相应的沿岸流反转，无长期稳态流；4）冬季（12月至3月）西南风主导，沿岸流强且向东；夏季（5月至9月）东北风主导，沿岸流较弱且向西；5）Ekman输运产生沿岸上升流和下降流事件，离岸流速度可超20?cm?s^?1，且下降流事件中的离岸流强于上升流中的向岸流；6）夏季下降流占主导，温度升至表层值，并与向西沿岸输运相关；7）冬季西南风导致下风岸下降流，近底流离岸，沿岸流向东；8）全年近底层离岸输运占主导；9）沿岸流与离岸流的相关性产生三维流场格局；10）混合参数在下降流事件期间显著增大，表明这些事件对混合和沉积物再悬浮具有重要贡献；11）沿岸流方向快速反转促进近岸带与湖心之间的水团交换，不同来源的表层暖水和深层冷水在短时间内通过近岸带；12）由于风场在湖心西部/中部区域具有均质性，Buchillon Mast观测到的近岸流动力学模式可推广至北岸其他区域，并对整个湖泊系统产生重要影响。这些发现揭示了近岸带物理过程对水质和湖泊生态演化的关键作用，对类似尺度湖泊的近岸带动力学研究具有参考价值。