地形和夏季锋面阻碍老铁山水道北部与渤海内部的水交换
作者:sio
时间:2023年03月31日
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  近期,我所近海动力与生态环境方向周锋研究员团队在Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography上发表了题为“How do topography and thermal front influence the water transport from the northern Laotieshan Channel to the Bohai Sea interior in summer?”的研究成果。第一作者为我所与中国海洋大学联合培养的博士研究生徐银凤,通讯作者为周锋研究员,合作者包括我所的孟启承副研究员和曾定勇工程师,自然资源部北海局的闫涛高级工程师和德国赫姆霍兹协会海岸带研究所张文彦研究员。

  渤海水质经过持续治理已有较大改善,但其水质变好的速度与治理的力度和强度不相匹配,整体改善的挑战依然较为艰巨。主要原因,一方面是环渤海地区经济较为发达,周边地区向渤海输入的污染通量保持在较高水平。另一方面,渤海仅通过渤海海峡与黄海相连,其水体更新很大程度上依赖于渤海与北黄海之间的水交换。以往研究表明,渤海海峡流量高峰通常出现在夏季,然而,夏季渤海的水体存留时间与其他季节相比并没有明显地减少。在这项研究中,主要目标是揭示夏季渤海与北黄海之间较强的水交换为什么不能进入到渤海内部,为什么不能引起渤海总体水质显著变好。本文基于国际先进的ROMS模型,构建了一个包括渤海与黄海的三维海洋环流数值模型,利用模型结果刻画了夏季北黄海水从老铁山水道向渤海西部输运并形成Ω形环流的结构和动力学特征。

  夏季,渤海季风较弱,密度流是低频环流的主要成分。在地形影响下,渤海每年夏季均有较为类似的密度结构,以及与此相匹配的稳定的环流结构。为了研究水体输运的平均状态,该研究主要基于气候态的强迫来驱动模型。同时,为了全面掌握气候态结果是否具有足够的代表性,研究中还结合现有观测数据的年份,分别模拟了2006年和2016年的温盐流特征。研究结果表明,尽管夏季有大量的北黄海水进入渤海海峡,但进入渤海海峡后的大部分水体被限制在渤海中央浅滩和大连之间的老铁山水道,被Ω形状的较强的潮汐锋所包围,加上其北侧有一显著类似门槛的地形隆起(Sill)所起的阻挡作用,无法继续向北深入辽东湾(图1和图2)。进入渤海海峡后的水体受地形引导,形成气旋式的沿锋面强流,大部分水体在地形隆起处折向西,在中央浅滩以东转向南,与渤海南部流经渤海海峡南部的出流汇合,流出渤海。中央浅滩和老铁山水道北部的地形隆起不仅作为一个屏障,也是潮汐锋形成的重要因素,大大削弱了海峡海域和渤海内部海域(首先影响的是辽东湾)之间的水交换。拉格朗日粒子跟踪试验表明,北黄海释放的粒子最终到达渤海内部(Zone 2)的比例不到10%,其中只有非常小的部分(<0.5%)能够向北进入到辽东湾。海水运动方程的动量诊断表明,海峡西北部的沿Ω形的潮汐锋运动的水体,主要是受地转平衡控制。


图 1夏季北黄海水向渤海内部输送示意图(红色箭头)。等高线表示25、30和50米的等深线。百分比表示进入不同区域的粒子的平均值。蓝色带状线代表Ω形潮汐锋的位置。

图 2 渤海海峡附近夏季平均环流。(a)表层;(b)5米层;(c)20米层;(d)25米层;(e)30米层;(f)50米层。黑色虚线为25米,30米,50米和60米等深线。

  此外,考虑潮汐的混合以及潮余流可能在渤黄海的平均环流中也有重要的作用,研究中还设计了无潮的数值模拟试验。无潮与有潮的模拟结果做了对比,分析表明,潮汐促进了表层海水从北黄海向渤海内部的输运。相比月平均的气候态风场,高时间分辨率(包括天气尺度事件在内)的现实风场通过调节正压和斜压梯度力,可以促进从海峡到渤海内部的水体输运。

  近海的生态环境是我所长期关注的问题。自承担国家自然科学基金重大项目“渤海生态系统动力学与生物资源的持续利用”以来,我所联合德国汉堡大学、中国海洋大学、中国水产科学院黄海水产研究所等中外合作单位对渤海的海洋环流、滨海湿地保护等做了大量调查研究,坚持为渤海的可持续发展献计献策,助力深入打好污染防治攻坚战的战略目标。


论文引用

Xu Y., Zhou F., Meng Q., Zeng D., Yan T.,Zhang W., 2023. How do topography and thermal front influence the water transport from the northern Laotieshan Channel to the Bohai Sea interior in summer? Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 208, 105261, doi:10.1016/j.dsr2.2023.105261.