《Marine Pollution Bulletin》：Modeling the convergence of buoyant debris in the Indian Ocean: Insights from surface drifter trajectories and Lagrangian simulations
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为揭示印度洋浮游塑料垃圾汇聚区的确切位置与动态，解决现有研究因缺乏现场观测、忽略波浪斯托克斯漂流等因素导致的争议，研究人员利用六枚表层漂流浮标轨迹优化了海流产品，并开展了大规模的拉格朗日模拟。研究首次明确指出，考虑斯托克斯漂流后，汇聚区位于海盆西部，其主要输入路径为厄加勒斯回流和南赤道流，并通过厄加勒斯流存在显著泄漏。该成果为印度洋塑料污染监测与治理提供了关键科学依据，并强调了表面过程模拟的重要性。
每年，数百万吨塑料被排入海洋，但仅有少部分能长期漂浮在海面。这些表面塑料垃圾在风、浪、流的作用下，最终会在全球五大副热带环流中心聚集，形成所谓的“垃圾带”。其中最广为人知的是北太平洋垃圾带，其面积可达约160万平方公里。然而，由于缺乏足够的现场观测数据，南半球海洋，尤其是印度洋的塑料汇聚区，其具体位置、范围和动态特性至今仍不明确。这构成了一个关键的科学与环保问题：我们不知道印度洋的塑料“热点”究竟在哪里，也不知道它们是如何形成和演变的。这种认知空白极大地阻碍了针对性的污染监测与治理。过往的研究对此莫衷一是：一些基于海洋环流模型或15米深度拖拽浮标的研究认为汇聚区位于海盆东部；而另一些考虑了波浪引起的斯托克斯漂流等表面过程，或使用了丢失拖拽的表层浮标的研究，则将汇聚点指向海盆西部。这种争议的核心在于，表层浮游物体的运动究竟在多大程度上受到海面波浪的影响？为了回答这个问题，一项新的研究应运而生。
这项研究发表《Marine Pollution Bulletin》上，旨在基于最接近塑料碎片行为的真实观测数据，构建更优的海流模型，以精确揭示印度洋浮游碎片的汇聚机制。研究人员利用2024年12月至2025年5月期间在南印度洋活跃的六枚MELODI表层漂流浮标的轨迹，这些浮标设计纤薄，可代表小型漂浮碎片（受风阻影响小）的运动。他们将这些实测轨迹与SMOC（表层与融合海流）产品提供的小时分辨率海流数据进行比对。SMOC海流包含三个部分：大尺度环流、潮汐流和斯托克斯漂流。研究者没有直接使用SMOC提供的简单加和“总”流，而是通过线性最小二乘法对其进行优化，构建了两种优化的海流产品（Opti1和Opti2），其核心是调整斯托克斯漂流和环流分量的权重系数，以最小化模型流速与浮标实测流速之间的差异。评估表明，包含斯托克斯漂流可显著降低误差，而优化产品能进一步改善流速的匹配度。基于这些海流产品，研究团队使用拉格朗日模拟软件Ariane，在南印度洋研究区域（25°E-115°E, 5°S-45°S）进行了大规模的粒子追踪实验，以研究碎片的长时期输运和汇聚行为。他们开展了两种模拟：定性模拟，从均匀分布的约51万个粒子出发，运行4年以识别积累区；定量模拟，在选定的初始断面释放代表水通量的粒子，运行20年以计算进入和离开汇聚区的主要路径通量，并推导出拉格朗日流函数来可视化平均输送格局。
3.1. 汇聚区域的识别与表征
通过为期4年的定性拉格朗日模拟，研究人员观察了不同海流产品下粒子的最终分布。结果表明，海流产品的选择显著影响汇聚区的位置。当仅使用大尺度环流（GC）产品时，粒子主要汇聚在盆地东部，中心约在80°E。然而，一旦在模型中加入了斯托克斯漂流（如在Total、DS、Opti1、Opti2产品中），汇聚区便系统地西移。特别是使用优化产品（Opti2）时，汇聚中心移至约54°E，而纬度位置则稳定在28°S附近。这直观地证实了斯托克斯漂流是导致汇聚区西移的关键因素。此外，研究还发现，包含斯托克斯漂流会减弱汇聚的强度，表现为残留在研究区域内的粒子数量减少、汇聚区范围扩大，以及粒子“搁浅”（在模型中触及海岸）的数量增加。这说明斯托克斯漂流具有扩散效应，加速了粒子离开汇聚区或附着于海岸。将模拟延长至20年进一步显示，对于包含斯托克斯漂流的模型，汇聚区内的粒子数量在约2年达到峰值后便迅速衰减，表明该汇聚区不是一个长期稳定的“陷阱”，而是一个存在强烈泄漏的暂态积累区。
3.2. 汇聚区入口与出口路径研究
为了深入理解汇聚区的来源和去向，研究人员进行了为期20年的定量拉格朗日模拟，并计算了拉格朗日流函数。在反向（追溯来源）模拟中，流函数清晰地揭示了两条主要的粒子输入路径：一条来自南部，通过厄加勒斯回流（Agulhas Return Current）输送；另一条来自北部，经由南赤道流（South Equatorial Current）和东南马达加斯加流（Southeast Madagascar Current）输送。斯托克斯漂流的引入增强了两条路径的对比：它强化了来自厄加勒斯回流的南部输入，同时削弱了特别是来自东南马达加斯加流的北部输入。在正向（预测去向）模拟中，流函数显示，无论使用哪种海流产品，粒子从汇聚区泄漏的主要路径都非常一致且强烈：即向西通过厄加勒斯流（Agulhas Current）进入大西洋。斯托克斯漂流对此泄漏路径的强度影响不大。因此，包含斯托克斯漂流后所观察到的汇聚区快速衰减，主要是由于北部输入路径的减弱，而非出口泄漏的增强。研究也指出，由于模拟域未包含厄加勒斯回流（Agulhas Retroflection）区域，可能高估了经厄加勒斯流离开印度洋的粒子损失，因为部分粒子可能通过回流重新进入研究区域。
3.3. 年际变率
研究还探讨了汇聚区位置随时间变化的特性。通过逐年分析模拟结果，发现汇聚区的位置存在显著的年际波动。例如，当仅使用2023年的海流数据运行4年模拟时，汇聚中心比使用其他年份或多年平均数据时明显偏东，甚至在东部海盆出现了高浓度区域。这种异常可能与2023年强烈的厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）事件及印度洋偶极子（IOD）由负转正有关。然而，当使用包含多个年份（2021-2024）的真实时间序列进行模拟时，最终得到的汇聚区位置是多年代平均值和近期影响的折衷，其年际变幅小于单年循环模拟的结果。这表明，在现实海洋中，如果塑料碎片经历了多年的输送历史，观测到的汇聚区位置可能比单年模拟预测的更为稳定。
4. 讨论与结论
本研究通过优化拟合表层浮标轨迹的海流产品，并结合拉格朗日模拟，系统研究了印度洋浮游碎片的汇聚行为。主要结论是：斯托克斯漂流对于准确模拟表层漂浮物运动至关重要。在考虑此因素后，印度洋塑料汇聚区位于海盆西部（约54°E, 28°S），而非仅考虑环流时所预测的东部。该汇聚区主要由南部（厄加勒斯回流）和北部（南赤道流）两条路径供给，并存在一条强烈的泄漏路径通往大西洋（厄加勒斯流）。斯托克斯漂流通过减弱北部输入，加速了汇聚区的消耗，使其成为一个非永久性的积累区。此外，汇聚区的位置表现出明显的年际变率，与ENSO等大尺度气候现象相关，这提示我们在解释不同时间获取的现场塑料浓度数据时需谨慎。
这项研究的意义在于，它首次基于与塑料碎片行为高度一致的表层浮标观测数据，构建了优化的海流模型，从而为印度洋塑料汇聚区的位置争议提供了有力的新证据，明确了表面波浪过程的关键作用。其结论对指导未来印度洋塑料污染的热点区域监测、评估塑料的跨洋输送（如从印度洋进入大西洋），以及理解气候变率对海洋塑料分布的影响具有重要价值。同时，研究也指出了当前模型的局限性，如忽略风阻效应、海岸过程简化、以及数据在时间和空间上的覆盖不足，为未来的深入研究指明了方向。
