通量与示踪剂分析揭示沿海海洋对切萨皮克湾的影响

《Ocean Modelling》：Coastal Ocean Influence on the Chesapeake Bay Revealed by Flux and Tracer Analyses

　　

摘要 切萨皮克湾（CB）水质模型研究主要集中在流域营养盐输入的生物地球化学响应上，而沿海海洋对 CB 的影响尚未得到充分探索。本研究旨在调查沿海海洋在影响 CB 生态系统中的作用，特别关注湾下部（LB）。了解湾 - 海交换对于量化海洋水体如何影响河口系统至关重要，特别是在气候变化条件下。
使用一个高分辨率、跨尺度的三维模型，该模型能够解析河口及邻近沿海海洋，我们首先表征了 LB 多个断面交换通量的时间、水平和垂直变化。我们的结果显示，海水主要从湾口北部进入 CB。尽管横截面几何形状复杂，净海洋流入集中在深槽沿线，而流出主要与浅滩相关。月均海洋流入与流域径流（WSF）的中位比值为 2.66。示踪实验进一步揭示，LB 中的大部分水体源自海洋。在低 WSF 条件下，海水可延伸至湾中部甚至渗透到湾上部。输运时间分析表明，海水可在 15-25 天内沿底层到达 LB 的大大多数区域。通过将输运时间与溶解有机碳输入联系起来，我们发现 LB 中的溶解氧受到湾 - 海交换的强烈调节。这些结果突显了沿海海洋对 CB 水质和生态系统的显著影响，以及其在未来气候变化情景下的影响。总体而言，本研究强调了跨尺度过程在切萨皮克湾研究中的重要性。

引言 切萨皮克湾（CB）是美国东海岸最大的河口，为多种生物（如鱼类、贝类和鸟类）提供栖息地，是重要的渔场和休闲区 (Baird and Ulanowicz, 1989; Kemp et al., 2005; Taft et al., 1980; Todd Egertonk et al., 2014)。因此，政府机构和当地社区历史及未来都投入了大量资源和精力来保护 CB 的水质 (Boesch et al., 2001; Cerco and Noel, 2017; Hood et al., 2021)。众多因素影响了海湾生态系统，包括河流径流、河口环流、流域营养盐输入、大气营养盐沉降和气候变化 (Da et al., 2018; Li et al., 2016; Shen et al., 2022; Wang et al., 2020; Xiong et al., 2021; Ye et al., 2018)。
湾口处的湾 - 海交换是 CB 的一个重要控制因素，并从不同角度进行了研究 (Cai et al., 2022; Hinson et al., 2022; Hong and Shen, 2012; Valle-Levinson et al., 2001)。Wang (1979a, 1979b) 基于潮汐数据研究了远距风对海湾的影响。Valle-Levinson 等 (1995; 2001) 利用现场观测研究了 CB 与海洋之间的交换，考察其与水深和风场的相关性。Wong 和 Valle-Levinson (2002) 进一步利用湾口观测数据研究了局地风和远距风效应。Xiong 等 (2021) 采用数值模型分析了 CB 与海洋之间的流入和流出，及其与河流径流和风场的相关性。Du 等 (2018) 和 Hong 与 Shen (2012) 深入研究了海平面上升对 CB 盐水入侵和潮汐响应的潜在影响。除了水动力学，沿海对 CB 水质的影响也得到了广泛研究。Da 等 (2018) 模拟了沿海氮通量对 CB 低氧状况的影响。Li 等 (2016) 进一步探索了气候变化如何驱动 CB 低氧的年际变率，而 Cai 等 (2022) 调查了海平面上升如何影响 CB 的低氧和浮游植物生长。然而，大多数应用于海湾的模型在湾口或近湾口处设置开放边界条件 (Bever et al., 2021; Cerco et al., 2010; Hong and Shen, 2013)，并由水位、温度和盐度强迫，由于附近边界条件的限制，使得难以调查海洋如何影响 CB。因为营养盐可以从海洋输送到海湾，了解湾 - 海交换如何影响海湾生态系统至关重要，特别是在气候变化下。
要全面了解沿海对 CB 生态系统的影响，必须全面了解海洋水体的流入。这包括关于流入的时空模式及其对风和河流径流等外部因素响应的详细信息 (Li et al., 2016; Najjar et al., 2010; Scully, 2010)。此外，调查海水如何在 CB 内部输送和分布也是至关重要的。与水体不同，在调查有机质和营养盐的输运时，不仅要了解输送到海湾的物质数量，还要了解沿海海洋水体到达特定地点的输运时间 (Deleersnijider et al., 2001; Hong and Shen, 2013; Shen et al., 2022, 2013)。获取这些信息具有挑战性，但为了量化到达目标位置的海洋水体及伴随营养盐的数量，并评估其与当地物理和生物过程相比的贡献，这是必要的。虽然之前的研究已经考察了进入 CB 的海洋流入，但缺乏对不同尺度上的年际变率、水平和垂直变化及其与海湾生态系统联系的全面理解。弗吉尼亚海洋科学研究所（VIMS）正与环境保护署（EPA）、马里兰大学环境科学中心（UMCES）及其他利益相关者合作，为管理目的开发第 7 阶段切萨皮克湾水质模型 (https://www.chesapeakebay.net/what/programs/modeling)。这一合作努力产生了一个高分辨率的耦合物理 - 生物地球化学模型 (SCHISM-ICM) (Wang et al., 2026; Wu et al., 2026; Ye et al., 2018; Zhang et al., 2016)。
在本研究中，我们将利用模型结果进一步调查沿海 - 海洋水体对 CB 的潜在影响。第 2 节将简要描述方法论，第 3 节将从不同角度详细探讨海洋流入。第 4 节将讨论海水在整个 CB 的分布及其对生态系统的影响，重点关注 LB 区域。最后，第 5 节将提供一个简短的总结。

章节片段
水动力学模型设置 图 1a 显示了模型网格，由三角形和四边形单元组成。模型区域涵盖整个 CB 以及邻近沿海海洋的广阔区域，延伸至大陆架坡折。网格分辨率从海洋中的几公里到海湾内的几十米不等。在海湾和作为主要流量通道的支流河道中使用更精细的分辨率。在海洋边界处，时空变化
通量和流域径流的时间序列 在图 2 中，我们比较了 QB 与 1991 年至 2014 年进入 CB 的总 WSF（以下称为 QR），并过滤了高频（> 1120 天 -1）信号（图 2a-b）。图 2c 显示了年均 WSF。图 2a-b 的结果验证了我们计算通量的方法。QB 和 QR 之间的一致性表明，进入海湾的总 WSF 通常由流出海湾的总通量平衡。在 24 年期间，QB 的显著年际波动是
海洋与海湾之间的通量交换 切萨皮克湾是一个部分混合河口，以强烈的重力环流为特征 (MacCready and Geyer, 2010; Pritchard, 1952)，由表层和底层水体之间的密度差异驱动。在第 3 节中，我们提供了 LB 多个断面的出流和入流的高分辨率估计。Qin 描述了海水在海湾内的传播以及季节性变化。B 断面处的 Qout 和 Qin 表征了沿海
结论 在本文中，我们采用一个覆盖 CB 及其邻近沿海海洋的高分辨率三维水动力学模型来调查海洋对海湾的影响，特别关注 LB。系统考察了 LB 区域多个断面上海洋与海湾之间交换通量的时空变率。
在湾口附近，流入主要集中在北部区域，而流出倾向于主导南部区域。在内
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被视为影响了本论文报告中所述的工作。
作者贡献 Zhengui Wang：概念化，数据整理，形式分析，调查，方法论，验证，可视化，撰写初稿，审查和编辑 Yinglong J. Zhang：概念化，方法论，审查和编辑，资助获取，项目管理，监督，资源 Jian Shen：概念化，方法论，调查，验证，可视化，审查和编辑 Wenfan Wu：方法论，审查和编辑 Richard Tian：方法论，审查和编辑 Lewis
未引用参考文献 Malone et al., 1992, Wang, 1979b
CRediT 作者贡献声明 Zhengui Wang：写作 - 审查 & 编辑，写作 - 初稿，可视化，验证，方法论，调查，概念化。Yinglong J. Zhang：写作 - 审查 & 编辑，监督，项目管理，概念化。Jian Shen：写作 - 审查 & 编辑，方法论，概念化。Wenfan Wu：写作 - 审查 & 编辑。Richard Tian：写作 - 审查 & 编辑。Lewis Linker：写作 - 审查 & 编辑。Gopal Bhatt：写作 - 审查 & 编辑。Carl Cerco：写作
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被视为影响了本论文报告中所述的工作。
致谢 本研究由环境保护署，切萨皮克湾项目办公室（资助 CB96392201）资助。本论文中使用的模拟是使用 William & Mary 研究计算进行的 (URL: https://www.wm.edu/it/rc)
Zhengui Wang|Yinglong J. Zhang|Jian Shen|Wenfan Wu|Richard Tian|Lewis Linker|Gopal Bhatt|Carl Cerco
弗吉尼亚海洋科学研究所，威廉玛丽学院，美国弗吉尼亚州格洛斯特角 23062, USA