跨陆架水交换控制下苏北沿岸海域水体存留时间的数值研究

Water residence time (WRT) is a very useful variable for quantifying the capacity of water exchange, indicating the carrying capacity of marine environment, and understanding the process and mechanism of marine eutrophication and algae bloom. Compared with the study of WRT in semi-enclosed bays or estuaries, our knowledge on WRT in open coastal waters controlled by cross-shelf water exchange is limited. In this project, we will focus on the spatio-temporal distribution and control mechanism of WRT in Subei coast, and try to quantify the impact of cross-shelf exchange on the WRT in an open coast. There are two steps designed in this project: Firstly, diagnosing the spatial difference and seasonal variation of WRT in Subei coast using the numerical simulation and the adjoint method of WRT; Secondly, quantifying the influences of Changjiang runoff, tide, wind, shelf circulation, and fronts on the spatio-temporal distribution of WRT by a series of numerical sensitivity experiments along with particle tracking and dyeing experiments. The result will not only provide quantitative parameters for understanding the biogeochemical processes in open coast, but also can support the coastal management and scientific planning.

水体存留时间（Water Residence Time，WRT）是定量认识海洋水交换能力和估算近海环境容量的重要参数，对阐述水体富营养化、藻华的形成机理具有重要参考意义。相对于海湾、河口等半封闭海域WRT的研究，跨陆架水交换控制下开阔近岸海域的WRT时空分布与控制机制研究尚不清楚。本项目拟以我国苏北沿岸海域为研究区，以WRT为研究对象，从输运时间尺度上定量化认识开阔近岸海域跨陆架水交换能力及其影响因素。研究主要包括两方面：1）通过数值模拟和WRT的伴随方法，诊断苏北沿岸海域WRT的空间差异与季节变化；2）通过敏感性数值实验、粒子追踪、染色示踪等方法，定量分析长江径流、潮汐、风、陆架环流和锋面过程对WRT时空变化的影响。研究结果不仅可为近海生物地球化学过程提供有效物理参数，而且可为我国沿海环境的区域化管理、季节性调控与规划提供科学依据。

近岸海域是连接陆地和海洋的关键区域，也是受人类活动影响最显著、环境污染最严重的海域。水体存留时间（residence time，RT）是定量化某一特定海域水交换能力的重要参数，对研究近海污染和富营养化、制定防治策略有着重要的参考意义。本项目以苏北沿岸海域作为研究区，利用数值模拟的方法，通过建立水体存留时间的伴随模型，利用三维水动力模式的动力场驱动，诊断了研究区水体存留时间的时空变化特征，并分析了潮汐、风、长江径流等不同动力因素对水体存留时间的影响。研究发现，苏北沿岸海域水体存留时间具有显著的空间差异与季节变化，RT年平均约为80天，在春季最低、夏季最高，其他两个季节相当，RT在五月达到全年最低值，约为50天，九月达到最高值，约100天，空间上，近海区域RT高于离岸区，RT最大值超过300天，春季南高北低，秋季北高南低，冬夏两季基本呈中部高、南北两边低的分布；区域存留时间结果显示，水体在水深10-20m区域存留时间最长，而标准化的区域存留时间表明，水深越浅区域水交换速率越慢；粒子追踪实验表明，春季和夏季RT的显著差异主要与苏北沿岸海域余输运速度（residual transport velocity, RTV）的季节变化有关，在向北的春夏季强RTV作用下，春季水体能够持续向北输运出苏北沿海，而夏季水体则是先向北输运，而到了秋季，RTV反向，水体又折返向南，增加了输运的路径和时间，因此夏季水体存留时间要显著长于春季；数值敏感性实验结果显示，动力模式中不考虑潮汐后，RT降低至原来的一半，说明潮汐能够增加苏北沿岸的水体存留时间，去掉风后，RT的平均值基本保持不变，但季节变化特征发生显著改变，季节差异显著减小，说明风是导致RT季节变化的主要因素，若去掉长江径流RT升高，说明长江径流能够降低苏北近岸的水体存留时间，模式开边界的环流对苏北沿岸海域的RT影响不显著。研究结果可为科学制定近海污染防治策略提供科学依据。