杭州湾盐锋的时空变异性与锋面锁定环流

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Spatiotemporal variability and front-locked circulation of salinity fronts in Hangzhou Bay

　　

摘要

河口盐度锋面显著调节着海岸系统中的环流、沉积动力和污染物输运过程。在杭州湾中，已观测到一条持续存在的东北—西南向盐度锋面；然而，其三维结构及动力维持机制仍缺乏充分约束，尤其是在气候变化和人为压力加剧的条件下。本研究基于有限体积共同体海洋模式（FVCOM）发展了高分辨率三维水动力模型，以研究杭州湾盐度锋面的形成、变率及主导动力学机制。结果表明，锋面强度在季节和潮汐时间尺度上表现出显著的时空变率。表层锋面强度在雨季小潮时达到峰值，这由增强的盐度层化和减弱的潮汐混合驱动；而旱季的变化主要受强北风及相关的埃克曼输运调制。锋面结构在湾口南北两侧呈现明显的空间不对称性：湾口以北水柱充分混合，产生以垂直为主的前锋面结构；而湾南则表现为部分混合至分层条件，形成倾斜锋面，其中最强的盐度层化出现在雨季小潮期间。在锋面区内，发展出连贯的锋锁定环流，以单一或双顺时针环流形式出现，伴随约10^-6~10^-5 m/s量级的垂直速度。表层余流普遍强于底层流，后者在锋面附近因底摩擦和科里奥利效应而显著衰减。动量诊断表明，该锋面系统由摩擦修正的斜压平衡维持，风强迫为次要调制因素。本研究提供了一个过程导向的分析框架，可推广应用于其他大潮汐河口系统。

引言

河口是高度动态和复杂的海岸系统，其形态受潮汐强迫与陆地淡水输入相互作用的塑造。其水动力特征受多种过程控制，包括潮汐、径流、风和沿岸环流，通常表现出喇叭形和半封闭地形特征（Scanes等，2017；Cardoso，2022）。在此类环境中，水文属性常出现急剧梯度，由此形成锋面系统，在河口动力学中发挥着核心作用。

锋面的概念最初源于气象学，后被引入海洋学中用以描述表层密度快速变化的带状区域（Cromwell和Reid，1956）。自20世纪90年代以来，河口与海湾锋面日益受到关注，特别是其在调节环流、物质输运和生态系统功能中的作用。在河口环境中，淡水外流与近岸海水的相互作用产生盐度、温度和密度的强烈水平与垂直梯度，形成盐度锋面，组织局部环流和交换过程。这些锋面已被证实能够增强生物生产力（Belkin等，2009；Miller和Christodoulou，2014），控制沉积物输运与沉积（Wang等，2024），影响污染物的积累与扩散（Wang等，2022），并通过锋面环流、水体辐合和垂直混合等机制促进海气相互作用；通过这些过程，它们促进了溶解氧、热量和碳等关键物质在混合层中的交换（Ferrari，2011）。

中国沿海水域因黑潮暖流辐合、沿岸上升流和淡水稀释的综合作用，孕育了多种锋面系统（Hickox等，2000）。在此大背景下，中国沿海河口盐度锋面因其在沉积物输运、污染物扩散和跨锋物质交换中的作用而备受关注（Ning等，2004；Liu等，2022；Tian等，2025）。然而，由于锋面结构和动力学强烈受局地地形、潮汐制度和径流变率的调制，其时空演化过程和动力维持机制仍高度依赖具体系统特征，在大潮汐环境下尚未得到充分理解。

杭州湾（HZB）是中国最大的喇叭形海湾，是大潮汐河口的典型代表，以规则的半日潮为主（Li等，2022）。从地理位置上看，其北岸毗邻长江口（YRE），西界连接钱塘江（QTR），东侧开敞至舟山群岛和东海。湾内全年存在一条东北—西南（NE-SW）向锋面，可进一步细分为钱塘江羽流锋面和长江（YR）次生羽流锋面。该锋面系统的形态、垂直结构和空间位置受多种动力因素共同控制，包括长江和钱塘江径流、潮汐强迫和沿岸风（Su，1992；Du等，2010；Wang等，2013）。在生态效应方面，锋面系统的动力学过程对河口生态系统具有多重调节功能。锋面辐合引起的上升流，以及锋面环流及其固有不稳定性，可显著影响底栖营养盐的输运过程（Lohmann和Belkin，2014；Lévy等，2018）。同时，锋面位置的移动进一步调节着湾内浮游生物群落的时空分布格局（Xu等，2024）。此外，该锋面系统还对杭州湾水体中细菌丰度产生显著影响，从而在一定程度上作为湾内水质动态状态的指示器（Su，1992）。

尽管已有数十年的观测研究，以往关于杭州湾盐度锋面的工作主要依赖于自20世纪90年代以来的断面观测和二维模型（Huang，1993），使得其三维结构、层化-环流耦合、维持的动量平衡以及潮汐混合与风强迫的相对作用尚未得到充分量化。为弥补这些知识空白，本研究基于有限体积共同体海洋模式（FVCOM）发展了高分辨率杭州湾三维水动力模型。通过对不同季节（雨季和旱季）和潮汐（大潮和小潮）条件下的模拟，我们研究了盐度锋面的时空变率、垂直结构及层化控制机制，以及相关的锋锁定环流。通过动量诊断和风强迫分析，进一步阐明锋面系统的主导动力学平衡及其风驱动过程的次要调制作用。通过整合上述结果，本研究旨在建立杭州湾盐度锋面动力学过程导向的理解框架，并为其他大潮汐河口系统提供可推广的概念框架。

章节摘要

模型设置

本研究使用有限体积共同体海洋模式（FVCOM）（Chen等，2006）构建了杭州湾三维水动力模型。模型区域涵盖钱塘江上游的富春江大坝、长江上游的江阴，以及部分东海陆架，经度范围为119.6°E~124.5°E，纬度范围为28.3°N~34.3°N（图1）。为更好地适应该区域复杂的海岸线和不规则地形，采用了非结构三角形网格。

模型验证

模型性能使用平均绝对误差（MAE）、相关系数（CC）和技能得分（SS）进行评估（Warner等，2005）。

盐度锋面主导动力学平衡

第3.4节确定的锋锁定环流为诊断杭州湾盐度锋面维持的动量平衡提供了明确的动力学目标。利用高分辨率三维FVCOM模拟得出的动量诊断，我们考察了控制余流的dominant forces。

参考文献Chen等（2006）的x方向动量方程表达如下：$$其中$$表示垂直湍流粘性系数，$$代表

结论

本研究利用高分辨率FVCOM水动力模型，在不同季节和潮汐条件下，研究了杭州湾盐度锋面的时空变率、垂直结构和环流动力学。主要结论如下：

• (1)
  杭州湾盐度锋面是一个持续存在但受动力过程调制的特征体，由钱塘江径流、外海高盐水体和长江冲淡水之间的相互作用所驱动。锋面形态和强度表现出

作者贡献声明

李硕：撰写——审阅与编辑，数据整理。刘金贵：撰写——审阅与编辑，项目管理，经费获取，概念构思。张家威：撰写——原稿撰写，可视化，验证，方法论，形式分析。潘顺奇：撰写——审阅与编辑，监督指导

未引用文献

Jing等，2016；Su和Wang，1989。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

张家威|刘金贵|李硕|潘顺奇

广东海洋大学（GDOU）海洋灾害预测与海岸海洋变异广东省重点实验室，广东湛江 524088，中国