基于水龄视角量化河流与海洋对沿海海水盐度的控制作用

《Ocean Modelling》：Quantifying riverine and oceanic controls on coastal-sea salinity from a water-age perspective

　　

• 径流变化对渤海中黄河水路径的影响微乎其微。
• 随着河流径流量增加，黄河水和黄海北部水的水龄减小。
• 在气候稳定的情况下，海平面上升对渤海盐度变化的影响微乎其微。

引言
盐度是海水最基本的物理化学性质之一，在海洋系统中发挥着关键作用。其时空变化显著影响沿海水域的水柱分层、密度分布、斜压环流和悬浮沉积物动力学（MacCready 等人，2018 年；Zhang 等人，2019 年；Zhang 等人，2021 年）。此外，盐度波动通过塑造微生物群落结构（Li 等人，2019 年；Rojas-Jimenez 等人，2019 年；Telesh 和 Khlebovich，2010 年）并对盐度敏感物种在快速盐度变化期间造成生理挑战（Ayache 等人，2019 年；Chen 等人，2019 年），深刻地影响河口生态系统。全球海洋盐度模式主要受蒸发、降水和来自河流及融冰的淡水输入之间的平衡控制（Talley 等人，2011 年；Yu 等人，2020 年）。然而，在沿海和半封闭海域，这种平衡因陆地径流与开阔大洋交换之间的局部相互作用而变得更加复杂。

半封闭海域与开阔沿海系统存在根本区别，因为它们与开阔大洋的连接受限，导致水输送时间延长，并对淡水输入表现出放大的敏感性（Valle-Levinson，2010 年）。在此类系统中，盐度分布反映了河流淡水径流与海洋咸水入侵之间的动态平衡，对分层、营养循环和生态系统稳定性具有长期影响（Di Iorio 和 Castelao，2013 年；Fichez 等人，2017 年；Wagawa 等人，2024 年；Xu 等人，2018 年）。尽管总量交换指标已量化了淡水 - 咸水流（Jackson 等人，2021 年；Vargas 等人，2017 年；Xu 等人，2018 年），但它们往往过度简化了空间异质性（MacCready 等人，2018 年），并且未能将水滞留时间尺度与盐度梯度联系起来（Hetland，2010 年）。

组分导向的年龄和滞留时间理论（CART）提供了一个统一的框架来解决这些差距，特别是在半封闭海域，水龄提供了关于淡水和咸水水团输送历史的信息，并有助于表征它们的空间分布和混合过程（Deleersnijder 等人，2001 年；Delhez 和 Deleersnijder，2002 年）。与拉格朗日粒子追踪方法不同，CART 通过追踪水团起源和历史提供欧拉视角（Deleersnijder 等人，2001 年），能够明确量化特定源的渗透尺度（Huang 等人，2022 年；Luo 等人，2021 年；Mouchet 等人，2016 年；Rayson 等人，2016 年；Shang 等人，2019 年；Wu 等人，2024 年）。尽管部分年龄可以提供更详细的区域输送历史描述（Mouchet 等人，2016 年），但经典的基于 CART 的水龄方法对于本研究已经足够，因为它有效地表征了源水输送历史和空间再分布。此外，实施部分年龄需要额外的年龄示踪剂并大幅增加计算成本，这超出了当前高分辨率模拟的范围。

在涉及水龄和盐度的研究中，基于盐度的方法已被用于估算水龄（Hosseini 等人，2018 年；Largier 等人，1997 年；Mudge 等人，2008 年）。然而，该方法实用性有限，且在应用于长时间尺度时可能具有高度误导性（Lin 等人，2024 年；Zhang 等人，2010 年）。相反，现有研究主要集中在风和潮汐等动力过程如何调节沿海和海洋系统中盐度和水龄的时空分布（Lin 等人，2022 年；Shang 等人，2019 年）。这些研究表明，淡水年龄和盐度表现出高度相似的空间模式（Du 等人，2018 年；Yang 等人，2019 年），而淡水年龄的时间变化通常在淡水通量变异性相关的环流和混合变化背景下进行解释。

渤海是中国北部一个浅水半封闭边缘海，是这种竞争的典范，其中盐度变化受多种淡水和海洋过程的影响，其中黄河（YR）径流和黄海北部（NYS）入侵代表了两个重要的对比源水影响。由于水深较浅（平均 <18 米）和多盆地结构突出了空间变异性（图 1），季风风和可变的黄河径流引起的显著季节性强迫，以及由竞争的人为和自然强迫驱动的已记录盐度趋势，即黄海北部高盐度水入侵增强（Lin 等人，2001 年）、海表面蒸发增加（Fang 等人，2002 年）和黄河径流减少（Ma 等人，2006 年；Wu 等人，2004 年），它适合研究半封闭海域的盐度动力学。以前的研究强调了黄河径流在调节渤海盐度变化中的重要作用（Ji 等人，2024 年；Lin 等人，2001 年；Ma 等人，2006 年；Wu 等人，2004 年）。在本研究中，我们也选择黄河水作为代表性淡水来源，以诊断其输送路径及其对渤海盐度变化的贡献。

虽然研究确认了通过渤海海峡的渤海 - 黄海北部剧烈交换（Ding 等人，2019 年；Ju 等人，2020 年；Xia 等人，2019 年；Xing 等人，2020 年），但最近的示踪剂分析揭示，大多数入侵的黄海北部水迅速再循环回黄海北部，而没有深入渗透到渤海（Xu 等人，2023 年；Zheng 等人，2020 年）。水输送时间尺度在渤海子盆地间表现出显著的空间变异性（2–10 年），具体取决于计算方法（Liu 等人，2012 年；Luo 等人，2021 年；Shang 等人，2019 年）。这凸显了总量交换指标在解析路径方面的局限性，这一差距由基于 CART 的水龄追踪解决。

除了季节性变化外，人类活动和气候相关强迫还可能进一步改变淡水输入和环流条件，从而改变源水输送和盐度变化（Miller，2022 年；Qiao 等人，2024 年）。人类活动，特别是管理的淡水排放，引发了沿海系统中盐度的快速下降和营养负荷的再分配（Qiao 等人，2024 年）。同时，海平面上升（SLR）等自然强迫通过加剧潮汐动力学和放大咸水入侵改变了河口盐度状态（Chen 等人，2021 年；Li 等人，2016 年）。气候变化通过增加河流洪水事件的频率和规模进一步加剧了这些影响（Alifu 等人，2022 年；Zhang 等人，2022 年），这可以改变河口和半封闭海洋系统中的淡水输送和混合过程（Aleshina 等人 2021 年；Tan 等人 2021 年；Wu 等人 2024 年）。因此，对这些协同强迫进行全面评估对于阐明驱动渤海盐度变化的潜在机制至关重要。

本研究通过在 FVCOM 中应用 CART 作为基于模型的诊断工具，将盐度变化与输送路径、选定的源水影响和水龄联系起来，超越了总量通量估算，推进了以往的工作。CART 的实施使我们能够推导黄河淡水和黄海北部咸水的平均水龄时空模式；通过结合水龄和水动力场分析确定主要输送路线；并表征不同水团的时间演变和空间分布。我们的研究利用 CART 框架来解决三个相互关联的问题：（i）沿海海域中水龄与盐度之间的关系是什么？（ii）渤海中黄河淡水和黄海北部咸水的主要输送路径和分布是什么？（iii）控制渤海水龄和盐度分布的主要强迫是什么？

章节片段
水动力模型
有限体积社区海洋模型（FVCOM）（Chen 等人，2003 年）领域涵盖渤海、黄海和东海（图 1a），在渤海的水平分辨率为 1–2 公里，以解析沿海过程。模型由真实的表面风、热通量、降水和蒸发以及开边界条件（水位、流、温度、盐度）强迫，并在以前的研究中针对观测到的潮汐和流进行了验证。降水和

水龄和盐度的分布
量化了淡水输入和渤海海峡交换通量，以表征影响渤海盐度变化的主要外部过程（公式 6）。2017 年，淡水输入主要由河流径流和降水组成，而蒸发代表了主要的淡水损失。在河流来源中，黄河贡献了最大的淡水输入（1.34 × 10^10 m3），其次是辽河（0.36 × 10^10 m3）。降水和蒸发通量

水龄和盐度对黄河径流变化的响应
该研究调查了黄河径流和 WSRP 对渤海水交换过程和盐度分布的影响，并通过计算每个子区域黄河水的入流量，量化了它们对渤海水交换和盐度的调节作用。流入输送计算在补充信息（文本 S2）中提供。季节分析显示实验场景（Exp 2-4）之间的差异极小，这值得关注年度尺度

总结
总之，本研究在 FVCOM 中应用 CART 作为基于模型的诊断框架，为研究渤海水团动力学提供了方法论途径和分析视角。我们方法的核心是一种基于 CART 的水源追踪技术，它通过提供关于水输送路径和相关水龄特征的特定源见解，补充了传统的被动示踪方法。将该框架应用于新区域需要

CRediT 作者贡献声明
宋德海：概念化；写作 – 初稿准备；写作 – 回顾与编辑；资金获取。
齐磊：形式分析；写作 – 初稿准备。
李旭然：方法论；验证。
丁阳：方法论；软件。
刘泽东：写作 – 回顾与编辑；资源。
余晓霞：概念化；数据整理；写作 – 回顾与编辑。

数据可用性声明
本研究中使用的包含 CART 方法的水动力模型 FVCOM 代码可在 https://github.com/DehaiSong/FVCOM-waterage.git 获得。黄河径流数据来源于水利部黄河水利委员会。http://www.yrcc.gov.cn/。支持本研究结果的其他数据可根据合理请求从通讯作者处获得。

CRediT 作者贡献声明
宋德海：写作 – 回顾与编辑，资金获取，概念化。齐磊：写作 – 初稿，形式分析。李旭然：验证，方法论。丁阳：软件，方法论。刘泽东：写作 – 回顾与编辑，资源，项目管理。余晓霞：写作 – 回顾与编辑，数据整理，概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢
这项工作得到了国家自然科学基金（编号 42476158）、中央高校基本科研业务费（编号 202562003）和泰山学者工程项目专项经费（编号 tsqn202211056）的支持。数据和样本是在考察船“东方红 2"号上收集的，实施了由 NSFC 船时共享项目（编号：41349901, 41449901, 41549901）支持的研究巡航 NORC2014-01, NORC2015-01, NORC2016-01。我们要感谢海洋大数据

宋德海 | 齐磊 | 李旭然 | 丁阳 | 刘泽东 | 余晓霞