澳大利亚新南威尔士州巴特曼斯湾在河流和波浪作用的驱动下的河口环流及海湾-大陆架物质交换

《Ocean Modelling》：Estuarine circulation and bay-shelf exchange under river and wave forcing in Batemans Bay, New South Wales, Australia

　　•河流的浮力和波浪塑造了BB湾的环流和湾-大陆架之间的交换流。•在洪水期间，河流作用占主导地位；而在正常情况下，波浪控制着水流。•冲刷时间各不相同：内部湾响应河流变化，北部湾则同时响应河流和波浪的变化。

引言
沿海海洋环境，包括河口和半封闭的海湾，是海洋系统中最为动态和脆弱的组成部分之一。它们正日益受到海岸侵蚀、海岸线后退、水质退化以及人为活动和自然气候变化共同影响所带来的生态系统压力的威胁（Wang, 2024）。因此，理解调节这些系统中环流和水交换的物理过程对于预测沉积物输送、污染物扩散和生态系统响应至关重要，并为基于证据的海岸管理提供支持。河口和海湾的环流是由河流径流、风应力、潮汐、大陆架水流和表面波浪共同驱动的（Huthnance, 1995; MacCready and Geyer, 2010）。虽然传统的河口理论强调了由河流径流和潮汐混合引起的浮力驱动的环流，但最近的研究表明，表面波浪可以通过波浪-水流相互作用显著改变近岸和河口的流体动力学（Mellor, 2003; Lentz & Fewings, 2012）。这些相互作用涉及多种过程，包括在波浪和水流共同作用下的底部应力增强、波浪辐射应力梯度、波浪耗散、波浪引起的压力垂直传输（形式阻力）、斯托克斯漂移以及波浪能量的平流和折射。这些过程共同作用可以改变环流模式、分层以及河口与相邻大陆架之间的物质交换。

先前的建模和观测研究表明，波浪-水流相互作用可以强烈影响马里兰沿海湾（Kang et al., 2017; Mao and Xia, 2018）、胶州湾（Gao et al., 2018）、大亚湾（Song et al., 2021）、渤海（Song et al., 2020）和巴特曼斯湾（Wang and Yang, 2022; Yang et al., 2022）等半封闭海湾中的沉积物输送和环流。除了这些区域研究外，波浪驱动的环流还被认为是广泛暴露在波浪影响下的海湾中的主要驱动力机制。McCarroll等人（2018）通过研究表明，由波浪折射和岬角处波浪变浅效应产生的波浪辐射应力梯度可以在不同波能范围内驱动大规模的海湾内部分流。同样，De Vos等人（2023）利用耦合波浪-水流模型识别了南非Table Bay中的涌浪驱动的表面环流特征，发现当忽略波浪作用时，这种环流现象会消失。本研究的对象巴特曼斯湾也发现了这种主要由波浪辐射应力梯度驱动的环流特征（Wang and Yang, 2022）。在波浪和河口作用共同存在的海湾入口处，Stokes等人（2024）表明，它们的相互作用可以产生比单独任一作用都更强的空间交替的入流-出流结构。然而，尽管取得了这些进展，波浪作用与其他驱动因素（特别是河流径流、风力和开阔海域边界作用）的相对重要性仍不明确。特别是，在不同的分层情况和主要驱动机制下，表面波浪如何改变海湾尺度环流模式和湾-大陆架之间的交换仍不甚清楚。

位于澳大利亚新南威尔士州东南海岸的巴特曼斯湾（BB）为研究这些过程提供了一个理想的自然实验室。BB是一个半封闭的漏斗形海湾，水平尺度约为10公里，平均深度约为10米，并且完全开放通向大陆架（图1）。这种几何形状促进了与大陆架水体的有效交换，同时允许强波浪进入内部湾（Wang et al., 2021）。与许多受潮汐主导的河口不同，BB持续暴露在来自开阔海域的高能表面波浪中，使得波浪作用成为其流体动力学的第一驱动力（Deng et al., 2026）。这些特点使得BB代表了全球中纬度大陆边缘常见的、暴露在波浪影响下的微潮汐海湾。作为典型的河口海湾，BB还受到克莱德河和库伦杜拉溪的淡水输入影响，其气候平均径流量约为6.75立方米/秒（Yang et al., 2022）。尽管通常较小，但在极端降雨事件中，河流径流量会显著增加。2022年4月，一次大规模的高河流流量事件产生了超过300立方米/秒的记录流量，导致了海湾内部强烈的分层。这类偶发事件为研究浮力作用如何与波浪驱动过程相互作用以调节环流和湾-大陆架交换提供了独特的机会，这一问题在以往的研究中较少受到关注（例如，Lentz & Fewings, 2012; Song et al., 2021）。

尽管对波浪-水流相互作用的重要性的认识日益增加，但对于BB及其类似系统仍存在几个关键知识空白。具体来说，尚不清楚：（i）在弱分层与强分层条件下，表面波浪对平均环流和交换路径的影响程度；（ii）波浪作用如何与偶发的河流径流相互作用以改变垂直结构和横向环流；（iii）在对比不同的驱动情景下，波浪、河流径流、风力以及东澳大利亚洋流（EAC）的相对贡献如何变化。解决这些空白对于提高波浪暴露河口系统的预测能力以及为与侵蚀缓解、水质管理和生态系统韧性相关的海岸管理策略提供信息至关重要。

因此，本研究的主要目标是：
1. 量化表面波浪、河流径流、风力和大陆架边界作用对巴特曼斯湾尺度环流的相对贡献。
2. 评估波浪-水流相互作用在不同分层条件下的环流模式和湾-大陆架交换的影响。
3. 确定两种代表性事件（大规模波浪事件和极端河流流量事件）期间波浪驱动和浮力驱动流动的主导物理机制。
4. 评估这些过程对波浪暴露海湾中沉积物输送和海岸管理的影响。

为了实现这些目标，我们将应用一个耦合波浪-环流的数值模型来研究BB，并分析两种代表性的驱动情景：一个典型的低流量期和2022年4月上游洪水期间的极端河流流量事件。尽管模拟关注的是短期（多天）时段，但这些事件能够捕捉到对侵蚀、沉积物重新分布和水质影响最相关的极端环流物理过程。

本文的结构如下：第2节描述了用于验证的数值模型配置和观测数据。第3节展示了在不同驱动情景下的模拟流体动力学。第4节讨论了不同驱动因素的潜在机制及其对海湾冲刷时间的影响。第5节总结了主要发现及其对波浪暴露河口和海湾系统的更广泛意义。

**观测数据**
2022年1月6日至1月9日的水位和波浪数据来自曼利水力学实验室（MHL, https://www.mhl.nsw.gov.au/）。使用了BB附近的Princess Jetty以及Bermagui和Ulladulla两个站点的15分钟间隔水位数据来验证模型模拟的海平面输出（图1a）。在BB口东侧大陆架（35°44′25′S, 150°19′03′E）部署的波浪浮标记录的每小时波浪数据也被用来验证模型结果。

**高河流流量情景**
图4显示，克莱德河和库伦杜拉溪的日均流量均超过250立方米/秒，因此在三天内有超过500立方米的淡水进入海湾。这是一个异常的高河流流量事件，因为克莱德河的气候平均径流量仅为约6立方米/秒。模型模拟得到的表层和底层的水温、盐度和速度分别如图5和图6所示。

**不同主导驱动力下的独特驱动机制**
基于上述分析和发现，我们将水循环和交换模式分为两种情景：一种是河流流量大但波浪作用小的情况；另一种是河流流量小但波浪作用大的情况。本节讨论了这两种主导驱动力的不同机制及其对应的过程。为了分别量化不同主导因素的作用，进行了模型敏感性实验（表1）。

**结论**
本研究使用了一个高分辨率、非结构化网格的耦合波浪-水流FVCOM模型和现场观测数据，研究了典型海湾巴特曼斯湾（BB）的三维环流及其与相邻大陆架的水交换。FVCOM与SWAN的FVCOM版本（FVCOM-SWAVE）进行了耦合，从而更好地解析了波浪-水流相互作用。通过将其输出与多种来源的观测数据（包括海平面、水流等）进行比较，验证了模型的准确性。

**作者声明**
Deng Yongfei：概念化、方法论、软件开发、可视化、数据分析、正式分析、初稿撰写。
Wang Xiao Hua：数据管理、资源协调、写作 - 审稿与编辑。
Zhou Xiangqian：可视化、数据分析、软件开发。
Yang Gang（通讯作者）：概念化、资源协调、方法论、软件开发、数据管理、写作 - 审稿与编辑。

**数据可用性声明**
用于模型数据比较的模型配置文件和观测数据将在论文接受发表后通过在线版本控制存储库公开。

**作者贡献声明**
Deng Yongfei：写作 - 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论研究、正式分析。
Wang Xiao Hua：写作 - 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、数据分析、概念化。
Zhou Xiangqian：写作 - 审稿与编辑、验证、软件开发。
Yang Gang：写作 - 审稿与编辑、验证、监督、软件开发、项目管理。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**
Yang Gang得到了中国国家自然科学基金（编号42406073）和江苏省自然科学基金（编号BK20240719）的资助。他还得到了江苏省高等学校自然科学研究的支持（编号24KJB170018）。Deng Yongfei在访问新南威尔士大学堪培拉分校期间得到了中国留学基金委的资助。这是中澳海岸管理研究联盟的第110篇出版物。

Yongfei Deng | Xiao Hua Wang | Xiangqian Zhou | Gang Yang