潮汐剪切锋对风力的响应及其对泥沙输送的影响：以黄河口为例

《Ocean Modelling》：Response of Tidal Shear Front to Wind Forcing and Its Influence on Sediment Transport: Case Study of the Yellow River Estuary

　　•潮汐剪切front（TSFs）在风的变化影响下会发生显著变化。•波浪驱动的电流会导致底部应力的显著变化，从而增强TSF的作用。•变化的TSFs增强了沉积物的捕获/释放，形成了强烈的门效应。

引言
河口锋面是一种小尺度的海洋锋面，可以根据其形成机制分为河口羽流、潮汐混合和剪切锋面（O'Donnell, 1993; Wang et al., 2022）。剪切锋面是由两侧水动力条件的明显差异形成的电流剪切界面。其特征是电流速度、悬浮沉积物浓度（SSC）、温度和盐度的强水平梯度，并且与河口地形和局部水动力条件密切相关（O'Donnell, 1993; Shen & Kuo, 1999; Wang et al., 2011）。锋面汇聚区的捕获机制改变了颗粒物质的时空分布，从而强烈影响污染物、微塑料和沉积物的聚集和运输（Largier, 1993; Rios et al., 2007; Wang et al., 2022）。因此，这些过程可以改变河口和沿海地区的地貌、环境条件和生态系统结构（Li et al., 2001; Wang et al., 2007）。

河口剪切锋面的形成主要与潮汐驱动和河口地形有关，但也受到河流径流和其他环境因素的影响。这种锋面通常在河道内以及河口三角洲外海区域观察到。河道内的剪切锋面通常与河道轴线平行，常见于河道或河口地形变化明显的区域。这些锋面是由于水流在突出地形特征周围汇聚产生的大速度梯度而形成的，并在潮汐周期内由于河流径流和潮汐流之间的相互作用而发生周期性变化，例如在约克河、康威河和长江的河口中观察到的情况（Nunes et al., 1985; Huzzey et al., 1988; Zhu, 1995）。河口三角洲外的剪切锋面通常与海底等深线平行，并沿着水下三角洲前沿的斜坡活跃。由于这些斜坡上的底部摩擦力强，潮汐流在浅水区的流速比在深水区慢，从而产生潮汐相位差异。这促进了在潮汐周期内形成规则且均匀的反向锋面，并伴随着锋面边界两侧的温度、盐度和浊度的强烈梯度。此外，在河流流量大的情况下，径流和潮汐流之间也可能形成剪切锋面，如在黄河河口（YRE）和艾耶亚瓦迪河三角洲观察到的情况（例如，Li et al., 1998a, 2001; Giosan et al., 2018）。位于季风影响区的河口，剪切锋面还受到季风驱动和极端天气事件的影响。这些过程可以强烈改变河口系统内的物质运输。然而，河口剪切锋面的天气尺度变化、形成机制和动态过程仍然知之甚少，其对河口沉积物运输的影响需要进一步阐明。

黄河河口是研究河口剪切锋面的典型区域。大多数由河流携带的沉积物在河口大约30公里的范围内迅速沉积，受到羽流、密度流和剪切锋面的共同作用，只有少量沉积物进入莱州湾（LZB），并且很少穿过锋面区（Li et al., 1998b）。最近，黄河的水量和沉积物排放量急剧下降到历史峰值的大约10%。因此，人工水和沉积物调节（AWSR）已成为常规管理措施，每年的水量和沉积物排放量保持在相对较低的水平，除非在短期的人工“脉冲型”高峰期间（Wang et al., 2011; Wang et al., 2019）。随着径流和密度流对河口影响的减弱，水和沉积物的运输越来越受剪切锋面的控制。黄河河口的剪切锋面是由三角洲前沿的陡峭斜坡和显著的底部摩擦梯度引起的潮汐相位不对称性产生的。这一特征被称为潮汐剪切锋面（TSF），主要由潮汐动力学和河口地形控制，而不是河流径流（Wang et al., 2007; Qiao et al., 2008）。TSF表现出明显的潮汐相位特性，并在潮汐周期内可分为三种类型：内退-外涨（IEOF）锋面、内涨-外退（IFOE）锋面和退潮均匀TSF。每种类型持续2-3小时，在此期间反向TSF从浅水区向相对较深的区域迁移（Wang et al., 2007; Bi et al., 2010; Wang et al., 2017; Wang et al., 2024b）。TSF还表现出受河口地形影响的年度变化。锋面系统的迁移主要局限于三角洲的陡峭水下斜坡（通常在水深约15米的范围内），那里的速度剪切梯度与海底坡度成正比。这种动态反映了陆地-海洋过渡区中锋面、沉积物运输和地形之间的耦合相互作用（Li et al., 2001; Wang et al., 2017; Wang et al., 2024b）。

黄河河口的水和沉积物运输表现出“夏季储存、冬季运输”的季节性模式，这是由东亚季风驱动的（Yang et al., 1992; Hoshika et al., 2003）。相对较弱的夏季风限制了海洋环流，使大量陆地沉积物在进入海洋后迅速沉积在三角洲上（Xu et al., 2006）。尽管沉积物运输偶尔受到热带气旋或洪水事件的影响，但由于有限的跨架运输限制，大约90%的河流沉积物在距离河口30公里范围内沉积（Bornhold et al., 1986）。冬季的区域性风暴主要与频繁的寒冷波事件有关。平均而言，每月有12-18天北风达到Beaufort Force 6或更高。这些强风导致海平面显著变化，从而在大陆架上引起水位波动（Ding et al., 2019）。它们还影响渤海（BS）环流系统的强度和结构，产生大浪和沿海电流，促进黄河河口内沉积物的大量重新悬浮。大部分沉积物通过潮汐和海洋环流被输送到莱州湾，而较少的一部分穿过锋面区并分散到中央渤海，最终通过渤海海峡进入黄海。这一机制被描述为“波浪悬浮沉积物和潮汐流运输”（Cao & Wang, 1993; Jiang et al., 2004; Lu et al., 2011; Bian et al., 2013; Qiao et al., 2016; Wang et al., 2019; Wang et al., 2024a）。

风暴驱动的运输是河口向海输送沉积物的主要组成部分。在美国加利福尼亚北部海岸、马萨诸塞湾和英国约克郡的河口中，超过66%的细粒沉积物在占比不到年度总时间5%的风暴事件期间被运输（Ogston et al., 2000; Smith et al., 2003; Warner et al., 2008）。在强冬季风期间，沉积物运输构成了黄河河口“冬季运输”过程的主要部分。在这些事件中，悬浮沉积物浓度可以达到正常条件下的10-100倍，而沉积物通量可能增加5-10倍（Jiang et al., 2004; Pang et al., 2016; Zhou et al., 2017）。此外，在这些时期，穿过锋面区的沉积物通量可以达到正常水平的60倍（Wang et al., 2019）。这种天气尺度的沉积物运输可以克服锋面区带来的限制。然而，现有的关于其动态机制的研究很少考虑锋面本身在强风事件中对风-波相互作用的响应。强冬季风和波浪可以迅速改变甚至破坏锋面结构，使悬浮沉积物穿过锋面区并分散。然而，这一过程背后的机制仍然不清楚。

本研究使用有限体积社区海洋模型（FVCOM）波-流-沉积物耦合模型来探讨以下研究问题：（i）风速和方向如何调节黄河河口TSFs的持续时间、长度和强度？（ii）波浪驱动和风驱动的电流对这些变化有何相对贡献？（iii）在不同风况下，这种锋面变化如何调节跨锋面的沉积物运输？第2节描述了研究区域。第3节介绍了数据和方法论。第4节提出了模拟结果的分析。第5节讨论了风强迫下TSF变化的机制以及不同风条件下陆地沉积物运输的模式。第6节总结了主要结论。

研究区域
黄河携带大量悬浮沉积物，主要由淤泥和粘土组成，这促进了快速沉积，从而导致河流路径的频繁改变。在现代历史上，黄河河口经历了两次主要的河道改变。第一次改变是自然发生的，从刁口河道（1964-1976年）转变为清水沟河道（QC，1976-1996年）。第二次改变是1996年人为工程的，形成了新的河道。

数据
水位数据来自C1、WF和LK站的水位计。测量数据收集时间为2018年10月19日下午4点至11月20日下午3点，共持续1个月，时间分辨率为1小时。对于电流观测，C1站使用两台2 MHz Aquadopp声学多普勒流速剖面仪（ADCP）进行监测，采样间隔为20分钟，时间从2018年10月23日至11月5日。C2、C3、C5和C6站使用400 kHz Nortek ADCP进行测量，采样间隔同样为20分钟。

锋面结构的持续时间在一天内的两个潮汐周期中在不同风条件下表现出明显的变化。在纯天文潮汐驱动下，IFOE锋面的持续时间约为5小时，占涨潮阶段的38%，而IEOF锋面持续约4小时，占退潮阶段的31%（图2a）。在气候学风条件下（5.4 m s?1），TSFs的持续时间没有显著变化。在强风条件下（12 m s?1），NEMechanisms underlying the wind-driven change in TSF

鉴于在气候学风条件下TSF的变化相对较小，但在风暴条件下（20 m s?1）完全被破坏，强风的影响为分析锋面变化提供了更清晰的基础。因此，研究了强风强迫下锋面变化的机制，以阐明TSFs对风条件的响应。

结论
本研究使用FVCOM模型进行了数值实验，研究了风、波浪、TSFs和沉积物运输的耦合动态。分析了黄河河口中TSFs对风强迫的响应及其对沉积物运输的影响，揭示了风和波浪在控制TSF动态中的重要作用。主要发现如下：

a. 风对TSFs的影响
• 不同类型的TSFs对风强迫的变化有不同的响应：与内海岸对齐的风...

作者贡献声明
Yuanqi Dong：正式分析、方法论、软件、验证、可视化、写作——原始草稿。Yang Ding：方法论、软件、监督、验证、写作——原始草稿、写作——审阅与编辑。Nan Wang：概念化、数据管理、正式分析、调查、方法论、资源、监督、可视化、写作——原始草稿、写作——审阅与编辑。Xianwen Bao：资金获取、项目管理、资源、监督。

数据可用性
模型代码可在https://github.com/DehaiSong/FVCOMv4.0-MDOwave获取。本研究中用于表面强迫的ERA5数据可在https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-single-levels找到。TPXO9-atlas版本可在https://www.tpxo.net/global/tpxo9-atlas获取。其他模型输入文件可在https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22638907获取。

未引用参考文献
Hersbach, 2020, Huzzey and Brubaker, 1988, Longuet-Higgins and Stewart, 1964, Nunes and Simpson, 1985, Pascolo et al., 2018, Shen et al., 1999, Booth et al., 2000, Vre?ica et al., 2022, Burchard and Rippeth, 2009光学·物理李光学：撰写——利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或可能影响本文所报告工作的个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号42130403、42476158、U1706215）、中央高校基本科研业务费（202562003）、基础科技资源专项科学调查计划（项目编号2025FY200100）以及泰山学者专项基金（李光学项目，编号tsqn202211056）的支持。我们感谢中国海洋大学海洋深海研究院海洋大数据中心提供的支持。

作者名单：
董远|杨丁|王楠|包先文|李光学|董平|姚志刚|李九龙|余航|宋德海