浅水湾海底冷水排放：浓密羽流动力学与热影响范围限制

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Seabed Cold-Water Discharge in a Shallow Embayment: Dense-Plume Dynamics and Thermal-Footprint Confinement

　　摘要：从开放式架式蒸发器LNG终端排放的大量冷却海水在浅海环境中构成了局部人为热污染源。本研究采用高分辨率非结构化网格模型（SCHISM，排放口周围分辨率约为30米，进水口附近约为5米），来研究海底冷水排放的环境归趋以及调控其近场影响的密集羽流动力学特征。模拟结果表明，这种排放不仅会形成扩散的热异常，相关的密度扰动还会改变近场水流、层结、剪切力以及垂直交换过程。在羽流边缘会形成明显的密度锋面，局部理查森数显著降低，且沿羽流界面会间歇性出现负厄特尔势涡度，这些共同表明该界面环境有利于剪切不稳定性与斜压失衡现象的发生。动能谱和谱通量分析进一步显示，羽流驱动的亚中尺度运动有助于将动能向更小的尺度以及次网格耗散路径传递。这种跨尺度能量传递增强了界面间的物质交换，使得源区与羽流界面之间的向下湍流热通量大幅增加，其数值约为背景水平的10到20倍。在湾域尺度上，所造成的热量亏缺主要通过水平热传输来补偿，从而使近场海洋的热含量异常在持续冷却条件下仍能保持动态平衡。结合羽流驱动的垂直交换作用，这种平衡机制会逐渐削弱底部的冷核区域，使得最强烈的热异常仅局限于较小的近场范围。这些研究结果表明，在评估海底冷水排放影响时，除了考虑远场热扩散范围外，还需充分考虑羽流驱动的亚中尺度运动、向下热通量以及混合带内的近场物理环境状况。

引言：随着开放式架式蒸发器系统在沿海地区的广泛应用，液化天然气接收终端大量排放冷水已成为日益重要的海洋环境问题。这类终端以海水作为热交换介质，在天然气再气化过程中持续排放冷却海水（Agarwal等人，2017；Yao和Zhang，2020）。与河流注入或传统暖水热污染产生的表面浮力羽流不同（Leng等人，2024），许多现代LNG终端为减少表面暴露和视觉影响，采用水下海底排放口，将密度大、负浮力的水直接注入海底边界层（Samad和El-Kheiashy，2014；Park等人，2023；Jeli? Mr?eli?等人，2023）。此类排放可视为局部人为热污染源，会改变近底温度、密度结构以及物质交换过程（Jirka，2004）。因此，排放的冷水往往会形成一种附着在海底的重力流，其流动路径同时受到海底地形（Baines，2001；Legg等人，2009）和背景环流的约束，其动力学特性也与表面浮力羽流有本质区别（Benjamin，1968；Britter和Linden，1980）。

传统上，对LNG冷水排放的影响评估多从环境工程角度出发。人们通常使用CORMIX等积分模型来估算近场稀释程度和混合带范围，进而评估其对底栖生态系统的热影响（Doneker和Jirka，2001；Lai和Lee，2014）。传统的评估方法往往侧重于稀释程度、混合带范围以及温度和盐度异常的空间分布范围（Nigam等人，2013）。这种热影响评估只能说明异常现象的扩散范围，却未能明确分析由此产生的密度扰动如何反过来影响接收水流。在此，我们在热影响评估的基础上，进一步开展了耦合动力响应分析，综合考虑了环流变化、层结状况、剪切力、锋面稳定性、动能传递以及垂直热交换等因素（Griffies，2004；Vallis，2017）。对于海底LNG排放而言，这种耦合效应尤为重要，因为强烈的负浮力能够驱动形成密度大的重力流，该重力流与周围沿海水体的相互作用会形成明显的水平和垂直密度梯度，促进锋面形成，并为亚中尺度过程创造有利条件（Lattemann和H?pner，2008；Fernández-Torquemada等人，2009；Mahadevan和Tandon，2006；Thomas和Ferrari，2008）。这些过程会影响混合效率、近场物理环境状况以及排放冷水的环境归趋。

亚中尺度过程并不仅存在于表层海洋，在存在强烈密度梯度与剧烈剪切力的海底边界层中也会发生（McWilliams，2016；Shcherbina等人，2013；Callies等人，2015）。理论和数值研究表明，重力流边缘的明显密度锋面会减弱地转控制作用，增强锋面剪切力，并促进非地转调整。在厄特尔势涡度变为负值的区域，还可能发生类似对称不稳定性的负失衡现象（Taylor和Ferrari，2010；Gula等人，2016；Wenegrat等人，2018）。在半封闭且地形复杂的湾域中，水流向坡下流动以及与不规则海底地形的相互作用会进一步释放势能，促进涡旋生成，并加剧能量耗散（Molemaker等人，2015）。最终的反应结果由旋转、层结、剪切力、海底地形以及底部摩擦力之间的局部平衡关系决定。

当存在利于不稳定性发生的条件时，能量可以从较大尺度的羽流和背景运动向更小的尺度以及次网格耗散路径传递，从而促进跨密度层的湍流交换（Ferrari和Wunsch，2009；Callies和Ferrari，2013）。在持续冷却条件下，这种垂直方向上的能量交换会直接改变局部的热量和密度分布。因此，一个尚未得到解答的关键环境问题是：海底冷水排放究竟只是作为一种被困在海底的热异常现象扩散开来，还是羽流驱动的亚中尺度运动以及相关的界面交换过程能够调控近场热影响范围以及混合带内的物理环境结构。

许多相关过程发生在数十至数百米的尺度上。因此，分辨率仅为公里级的传统近岸模型无法足够精确地呈现相关的锋面变缓现象或跨尺度能量传递路径（Su等人，2018）。高分辨率跨尺度模拟则能够帮助我们了解人为冷却源是如何产生界面失衡的，这种失衡又是如何通过参数化的湍流热通量表现出来的，以及这些过程又是如何反过来影响局部海洋热含量和热污染物的归趋的。

为了解决这一问题，我们采用了非结构化网格模型SCHISM，对中国南方最大的LNG处理设施之一所在的广东米尔斯湾海域中，海底冷水排放的多尺度动力学特征及其环境归趋进行了研究。该模型在进水口附近实现了约5米的高分辨率，在排放口周围则达到了约30米的分辨率，从而克服了以往同类影响研究存在的常见局限性。这样的分辨率设置能够同时体现羽流尺度与亚中尺度动力学特征，更全面地呈现羽流引发的锋面形成过程、界面剪切力以及动能向更小尺度的传递过程，而这些过程在分辨率较低的模型中往往会被数值耗散效应所掩盖。

通过运用2019年至2023年的五年连续模拟数据，并结合无排放源的对照实验，我们重点探讨了一个核心问题：海底LNG冷水羽流是通过何种机制利用密集羽流动力学来调控其近场热影响范围的？为回答这一问题，我们将三个相互关联的过程联系起来分析：温度-盐度异常范围的季节性变化、沿羽流界面的锋面与稳定性响应，以及由此产生的动能传递和垂直热通量路径。通过将这些过程视为一个整体机制而非独立的问题，本研究旨在阐明密集羽流动力学是如何在限制最强烈热异常的同时，重塑近场物理环境状况的。

模型配置与强迫条件：我们采用了半隐式跨尺度水科学集成系统模型（SCHISM）进行数值模拟，这是一种基于非结构化网格的三维静力斜压模型（Zhang等人，2016）。SCHISM用于求解自由表面高度、水平动量以及温度-盐度输运的布辛涅斯克原始方程；密度则通过海水状态方程与温度和盐度相关联，然后通过斜压压力梯度项纳入动量平衡方程中。

人为温度-盐度异常的环境归趋与时空演变：在恒定流量下的持续低温排放作用下，模型的响应受到强烈季节性背景状态的影响。夏季时，海底动能及相应的水流强度最为弱，而从秋季到冬季则逐渐增强，与此同时混合层也会逐渐加深（图4e、h、k；图4f、i、l）。因此，夏季时排放的水体进入的是弱层结、稳定性强的海底边界层，而秋季到冬季则进入动能更强、混合更充分的边界层，这为后续的变化奠定了基础。

羽流驱动的亚中尺度能量传递：第3节中提到的羽流驱动的亚中尺度运动以及有利于不稳定性发生的界面条件，都需要持续的机械能量输入以及跨尺度能量重新分配。为量化冷却源对能量结构和尺度传递的影响，我们对图6a所示的、受严重扰动的近场区域内的动能场进行了谱分析。空间动能功率谱密度呈现出明显的尺度依赖性（图10；不同位置的谱图具有相似特征）。

结论：大型LNG接收终端持续排放的冷水在浅海环境中构成了局部人为热污染源。通过采用高分辨率跨尺度模型SCHISM，我们研究了在浅海湾域中，下沉型负浮力羽流是如何调控其近场热影响范围的。研究结果表明，海底冷水排放的环境归趋是由平流稀释作用与受季节变化的CRediT作者贡献声明：彭展：写作——审阅与编辑、可视化、验证、研究、数据整理、概念构建。刘志强：写作——审阅与编辑、验证、监督、软件使用、资源获取、项目管理、方法设计、研究工作、资金申请、正式分析、数据整理、概念构建。陈鹏进：资源提供。徐景平：写作——审阅与编辑、资源提供。郑全新：初始稿件撰写、可视化、验证、软件使用、资源获取。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42450181、42276004）以及中国香港特别行政区研究资助局的支持（项目编号：AoE/P-601/23-N）。

郑全新|梁强|魏东红|牛俊峰|陈鹏进|徐景平|彭展|刘志强
中国深圳南方科技大学海洋科学与工程系