半封闭海湾相关海洋通量的动力学研究：以巴塔哥尼亚北部为例

《Journal of Marine Systems》：Dynamics of ocean fluxes associated with semi-enclosed gulfs: A case study in northern Patagonia

　　

• 热量与盐度平衡是在阿根廷的马蒂亚斯湾内计算的。• 使用区域高分辨率数值海洋模型进行气候态模拟。• 海湾的季温度形貌由表层加热和通过湾口的热量输入所塑造。• 表层蒸发是推动全年盐度增加的主要驱动力，也是导致该海湾高盐度的原因。• 海湾的高盐度水正通过其北口段向陆架输出。引言半封闭海湾在沿海生态系统中发挥着基础性作用，无论是在半封闭海湾内部还是在相邻的大陆架上，因为它们具有滞留和改造水团的能力。阿根廷巴塔哥尼亚北部海岸是大西洋南部的一个独特海洋与河口生态系统，以三个半封闭海湾（马蒂亚斯湾、圣何塞湾和新海湾）和丰富的生物多样性为特征。我们的案例研究聚焦于马蒂亚斯湾，这是其中最大的一个海湾。它位于41°S至42°S之间，从西部的海岸线（约65°W）延伸到其东缘64°W，南接阿根廷里奥内格罗省和丘布特省。马蒂亚斯湾向南与圣何塞湾相连，向东通过一个宽约100公里、水深不足100米的宽阔湾口与大陆架相通（图1）。马蒂亚斯湾总面积为19,700平方公里，其地形呈碗状，有两个相对高点，海拔接近180米。马蒂亚斯湾及其周边构成了一个高产海洋生态系统，受独特海洋水文特征塑造，为丰富多样的鸟类和哺乳动物提供了不可或缺的觅食和繁殖场所。这包括正在恢复数量的濒危南露脊鲸，它们在该区域进行社交活动，此外还有象海豹、海狮、企鹅和虎鲸（Crespo等，2014；Arias等，2018）。该地区于1999年被联合国教科文组织宣布为世界遗产，同时还拥有有利于鱼类和贝类种群繁衍的丰富生态系统，由此产生了渔业产业，为当地社区带来显著的经济效益（González等，2007；Narvarte等，2007）。潮汐和环流动力学在增强与再循环模式和锋面结构相关的生物活性方面发挥着关键作用，这些结构有助于形成幼体海洋生物的生产性育幼场并实现幼虫滞留（Amoroso等，2011）。早期的遥感研究和海洋观测数据证实了马蒂亚斯湾内部存在一个热潮汐锋面（马蒂亚斯锋面），在春夏季期间将海湾分为两个不同的水团：北部和西部的水体温度高、盐度高、温跃层强、硝酸盐浓度低；而东南部的水体温度和盐度较低、硝酸盐浓度较高，且缺乏分层结构（Carreto等，1974；Piola和Scasso，1988；Rivas和Beier，1990；Williams等，2010）。Gagliardini和Rivas（Gagliardini和Rivas，2004）利用高分辨率LANDSAT TM和ETM+卫星图像，在巴尔德斯半岛以东识别出另一个潮汐锋面（巴尔德斯锋面）。首次尝试研究马蒂亚斯湾年热量通量的工作是利用原位数据和简化的热守恒方程进行的（Rivas，1990）。该研究表明，从4月到9月，马蒂亚斯湾向大气释放能量，而海湾温度则从3月中旬持续下降至9月中旬。这一时间滞后是由于通过湾口发生的热量损失所致。由于原位数据匮乏，加之该区域相对较小，卫星测高数据和其他低分辨率卫星图像的实用性受到限制，我们对马蒂亚斯湾内部海洋动力过程的理解仍然有限。尽管如此，过去几十年来的一些研究已使我们能够表征马蒂亚斯湾的主要特征。Piola和Scasso（Piola和Scasso，1988）在利用历史数据描述马蒂亚斯湾环流的早期尝试中，提出了在41.8°S处存在一个温盐锋面，该锋面将环流分为锋面以北直径约70公里的逆时针涡旋和南部区域的一个较小涡旋。2019年1月沿马蒂亚斯湾布放的拉格朗日漂流器轨迹也证实了这一闭合环流（Saraceno等，2020）。冬季，当海水开始向大气释放热量时，检测到充分混合的水柱，表明存在深度对流（Rivas和Beier，1990）。利用卫星反演海表温度和原位数据，Pisoni等（Pisoni等，2014）发现由有利风场驱动的沿岸上升流是控制马蒂亚斯湾西海岸高频温度波动的过程，该区域水温比更远的海区低1.5°C。此前，Tonini等（Tonini等，2013；Tonini和Palma，2017；Tonini和Palma，2022）曾尝试使用数值模型研究该海湾。这些数值结果与夏季北部和南部区域存在两个强逆时针涡旋的现象一致，并检测到受风场驱动的冷水平流控制形成的夏季纬向锋面，这些冷水源自巴尔德斯半岛以东均质化的水团。海湾南部区域受到大陆架上来自巴尔德斯锋面系统的富营养冷水的强烈影响（Carreto等，1974；Rivas和Beier，1990）。这些来自大陆架的营养盐被滞留，浮游生物在圣何塞湾的东部区域被保留，从而产生了持久的高初级和次级生产者生物量，这些生物量继而通过从圣何塞湾流出的射流输运至马蒂亚斯湾中部（Amoroso等，2011；Amoroso和Gagliardini，2010；Hernandez Moresino等，2013）。SeaWiFS卫星反演的叶绿素a数据显示，全年大部分时间在湾口区域呈现高值，这归因于强烈潮汐混合引起的沉积物再悬浮。这些高值在春夏季延伸至马蒂亚斯湾南部区域。相反，西北部区域的层化水体呈现低值，可能与真光层营养盐耗竭有关，且营养盐向光照充足的表层输运受到限制，季节性温跃层作为物理屏障加剧了这种限制（Romero等，2006；Rivas等，2006）。Crespi-Abril等（Crespi-Abril等，2013）基于延绳钓CPUE数据分析了阿根廷鱿鱼在马蒂亚斯湾的空间分布。鱿鱼主要集中分布在海湾北部区域，那里的有利海洋水文条件（例如水体分层和叶绿素a峰值）为摄食和产卵提供了支撑。此外，作者指出，由春夏季形成的闭合环流所强化的季节性温跃层，在维持卵群悬浮于水柱中方面发挥着关键作用；其中性浮力防止卵群沉降至海底，从而避免了胚胎死亡。季节性热分层的解体和建立还产生了两个主要的叶绿素a浓度峰值，这是鳀鱼和鱿鱼仔的直接食物来源。此外，在大西洋鳕鱼在马蒂亚斯湾热锋面附近11月至3月间获得最大捕捞率（Williams等，2010；Romero等，2013；Ocampo等，2013）。利用同步野外和卫星年度数据揭示了浮游植物生物量的季节模式，其中双峰周期（春季和秋季各一个峰值）主导西部和北部水体，而低年际变率的单峰周期则表征南部和湾口水体（Williams等，2021）。首次利用三维数值模型在马蒂亚斯湾进行的环流研究可追溯至上世纪末（Beier和Akaprahamyan，1991）。尽管所得结果在当时具有开创性，但强迫输入数据匮乏、计算数值局限性，加上刚性上边界近似（无潮汐）和低分辨率（15公里），使模型误差较大。近年来，利用高分辨率区域模型（ROMS），进行了大量季节实验以研究产生环流的物理机制，以及热锋面、上升流、潮汐动力学和涡旋（Tonini等，2013；Tonini和Palma，2017；Tonini和Palma，2022；Tonini等，2006）。这些先前的工作集中于研究巴塔哥尼亚北部海湾的海洋环流及产生主要季节模式的物理机制。作者发现潮汐动力学与复杂海底地形和分层结构相互作用，在塑造季节海洋环流、浅水区全年持续模式和春夏季热锋面方面发挥着关键作用。本研究在此基础上，仅聚焦于马蒂亚斯湾（自然包含相连的圣何塞湾）及其相邻的大陆架。具体而言，我们通过数值模型考察环流、温度和盐度场，改进内陆盆地的海气相互作用，加入河流入海径流，更新海底地形，并利用月度再分析数据和全球模型输出以更大细节表征该区域。此外，我们利用湾口处的原位数据（系泊观测）对模型进行验证并提供额外信息，以实现本研究的主要目标：获取并表征海湾与相邻大陆架之间的交换流。各章节片段模型设置马蒂亚斯湾的研究使用区域海洋模型CROCO v1.1进行（Auclair等，2022）。CROCO是一个基于ROMS（Shchepetkin和McWilliams，2005）构建的三维海洋建模系统，求解原始方程，能够分辨沿海区域极细尺度的过程。该模型假设静力平衡、Boussinesq、不可压缩和湍流封闭条件，以及球面地球和薄壳近似。具体研究区域为马蒂亚斯湾验证如第一节所述，该地区，特别是其潮流，受高潮汐能量支配。为检验模型性能，我们比较了七个潮流测站（见图1中的位置）M2分潮潮汐椭圆的长半轴长度和倾斜角，M2分潮占据了大部分潮汐能量（Glorioso和Flather，1997）。我们还将结果与此前的区域模型输出进行了比较（盐度、温度和潮流模型在马蒂亚斯湾的年均海表盐度特征为北部区域出现最大值（>34 psu），并向西北方向延伸至相邻大陆架形成一个舌状高盐区（图4右图）。在海湾南部区域观测到最小盐度信号。该马蒂亚斯湾表层盐度分布与历史观测一致（图4左图）。然而，两个面板之间存在一些差异：观测显示较低的……讨论尽管马蒂亚斯湾的原位数据稀缺，但模型成功捕捉到了其主要特征，这些特征也在历史出版物和最新卫星观测中有所体现。具体而言，春夏季期间海湾内形成一个双逆时针涡旋，使中部和北部区域留下较高盐和较温暖的水体，而沿南部和西部海岸则为较低盐和较冷的水体。这些环流模式与……相当作者贡献声明N. Aubone：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，软件，调查，概念化。M. Tonini：监督，概念化。M. Saraceno：监督，项目管理，概念化。利益冲突声明作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Nicolas Aubone报告获得了阿根廷科学技术与创新部提供的资金支持。Nicolas Aubone报告获得了法国国家空间研究中心提供的资金支持。如有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文研究结果或结论的财务利益冲突或个人关系。致谢本工作由CNES通过OSTST项目SABIO和TOSTO以及阿根廷Mincyt通过Pampa Azul B6项目资助。原位盐度数据由国家渔业研究与开发研究所物理海洋学柜-区域海洋数据库（BaRDO）的Graciela Molinari和Harold Fenco慷慨提供。我们感谢Elbio Palma对本论文早期草稿提出的宝贵意见和建议。N. Aubone|M. Tonini|M. Saraceno