在干燥的冬季，珠江四个出海口排放的羽流（即水体）的扩散情况及其水龄

《Marine Pollution Bulletin》：Dispersal and water age of the plumes from the four outlets of the Pearl River during the dry winter

珠江口四个人海口冬季河流扩散输运路径及水龄研究 通过COAWST耦合模型量化分析冬季水文要素对水龄及输运路径的影响，发现低流量与强北向风导致扩散受限、西向扩展加剧及水龄升高。潮汐混合作用增强西 Shoal 水龄降低约0.5天，东南口因波浪作用水龄增加超2天。人海口间扩散与水龄相互作用显著，Humen 浓度降低邻近水龄1-7天，Hengmen 浓度阻碍主流西侵并引发局部水龄变化1-2天。研究成果为类似亚热带河口污染物迁移、营养盐累积及赤潮风险评估提供理论支撑。

　　

张光|胡鹏鹏|胡璇|陈宇伦|赵俊鹏|马春雷|张恒|龚文平

中山大学海洋科学学院，珠海，519082，中国

摘要

本研究利用经过充分验证的耦合海洋-大气-波浪-沉积物传输（COAWST）模型，定量分析了在干燥冬季，水动力因素对珠江口四个出水口河流羽流传输路径和水质年龄（WA）的影响。由于流量减少以及有利于下沉气流的风力增强，冬季羽流被限制在河口范围内，并且具有强烈的横向重叠现象，这促进了向西的扩散并导致水质年龄增加。河流流量是影响水质年龄变化的主要因素，其中表层水质年龄比底层水质年龄更敏感。强劲的北风增强了向海方向的平流作用，而波浪引起的斯托克斯漂移在西部浅滩区域使水质年龄减少了约0.5天，但在东南部河口区域则使水质年龄增加了超过2天。东风的影响较弱。潮汐通过增强垂直湍流混合作用减少了西部浅滩区域的水质年龄，并改变了残留水流，尤其是在春潮期间，这进一步增加了虎门羽流的水质年龄。羽流之间的相互作用也调节了水质年龄：虎门羽流使其他侧向羽流的水质年龄减少了1-7天，而横门羽流则阻碍了主流羽流向西的侵入，并导致局部水质年龄变化1-2天。作为所有陆地输入物质传输的基本指标，量化的水质年龄分布揭示了流量、风力、波浪、潮汐以及羽流之间相互作用在调节河口动态中的复杂机制，这对类似亚热带河口的污染物传输、营养物质积累和有害藻类爆发风险评估具有直接意义。

引言

河流流入沿海海洋的时间尺度影响了许多生物地球化学和环境过程（Nixon等人，1996年；Zhang等人，2010年）。分析水质年龄（WA）和停留时间对于估算通风率、推断环流和垂直湍流混合以及评估生物地球化学过程至关重要（Jenkins，1987年；Weiss等人，1991年；Fine，1995年）。在河口中，水质年龄定义为从河口处初始年龄为零的水团到达特定位置所经过的时间（Bolin和Rodhe，1973年；Zimmerman，1976年）。由于无法直接测量水质年龄，通常使用瞬态示踪剂、同位素或人为标记物来估算（Zhang等人，2010年）。成分导向的年龄和停留时间（CART）理论（Deleersnijder等人，2001年）提供了用于模拟水成分时空分布的控制方程，并已广泛应用于湖泊、河口和海洋中的传输时间尺度研究（Shen和Wang，2007年；Gong和Shen，2009年；Zhang等人，2010年；Liu等人，2012年；Sun等人，2020年；Zhang等人，2021b年）。

水动力因素，如河流流量、风力、波浪和潮汐，可以调节河口环流和淡水通量，从而影响水质年龄（Shen和Wang，2006年；Shen和Wang，2007年；Gong等人，2009年；Liu等人，2012年；Zhang等人，2025a年）。较高的河流流量通常会导致水质年龄降低（Shen和Wang，2007年）。风力驱动影响河口环流，而风生成的波浪和涌浪会进一步改变流动模式和水质年龄（Shen和Wang，2007年；Lai等人，2016年；Zhang等人，2021a年）。在具有深水通道和浅滩的河口中，潮汐作用也起着重要作用，较强的潮汐会将水流集中在深水通道内，从而影响水质年龄（Pan等人，2014年；Liu等人，2020年；Li等人，2023a年；Zhang等人，2025a年）。

许多河口和海湾，如切萨皮克湾（Gong等人，2009年；Du和Shen，2016年）、湄公河（Nowacki等人，2015年；Zeng等人，2022年）和恒河-布拉马普特拉河（Passalacqua等人，2013年），都是多出水口系统，受到异质河流输入和陆地输入（如沉积物和污染物）的影响。这些输入在量和组成上存在显著差异（Zhang等人，2019年）。此外，水质年龄本质上是一个与单一来源相关的示踪剂（Bolin和Rodhe，1973年；Zimmerman，1976年）。虽然可以从技术上计算所有出水口的水质年龄总和，但这种方法在理论上不够严谨，并且违背了水质年龄的基本定义。由于每个出水口提供不同的淡水、营养物质和污染物负荷，来自多个出水口的垂直湍流混合信号会掩盖单个来源的水和物质的独特传输路径、停留时间和环境影响（Du和Shen，2017年；Zhang等人，2019年）。因此，识别来源解析的水质年龄提供了一个更符合物理规律且信息更丰富的框架（Zhang等人，2025a年）。然而，大多数研究集中在单出水口系统上，或将多出水口羽流视为单一的均匀特征，从而忽略了与各个羽流相关的不同扩散模式和水质年龄。因此，阐明多出水口河流羽流的独特动态至关重要。

我们以中国的珠江口（PRE）为例。珠江是中国第二大淡水河流，拥有八个主要出水口，其中横门、洪奇利、嘉门和虎门四个出水口的流量占河流总流量的半以上（Xia等人，2004年）。PRE的季节性风力和波浪模式有明显差异：夏季为南风或西南风，冬季为北风或东北风，波浪模式也随之变化（Zhang等人，2021a）。PRE属于微潮半日潮系统，潮差从退潮时的0.7米增加到春潮时的2米（Mao等人，2004年）。季节性变化还影响水柱分层，夏季分层明显，而冬季则部分或完全发生垂直湍流混合（Dong等人，2004年）。

先前的研究已经考察了PRE不同季节河流羽流的总体水质年龄和停留时间（Ren等人，2014年；Sun等人，2020年；Zhang等人，2021b）。值得注意的是，Zhang等人（2025a）专门研究了单个羽流的水质年龄，但仅关注河流流量较高的夏季。尽管我们对夏季羽流动态的理解有所进步，但对于干燥冬季各个出水口的羽流分布、传输和水质年龄的了解仍然有限。特别是，不同出水口之间的羽流相互作用尚未得到研究。在冬季，河流流量较低，北风增强，波浪活动增强，但这些水动力因素（如河流流量、风力和波浪）对羽流行为和老化过程以及羽流之间的相互作用的影响尚未系统地进行研究。本研究使用耦合海洋-大气-波浪-沉积物传输（COAWST，v3.4）模型（Warner等人，2005年；Warner等人，2008年；Warner等人，2010年）来探讨水动力因素如何控制冬季羽流的扩散、来源解析的水质年龄、羽流相互作用以及来自珠江四个主要出水口的传输路径。关键问题包括：

(1)

在干燥冬季，四个出水口的示踪剂分布、扩散、传输和水质年龄的模式是什么？

(2)

水动力因素和河流出水口之间的羽流相互作用如何影响这一时期的羽流相关水质年龄？

章节摘录

耦合模型系统

本研究采用了经过充分验证的COAWST建模系统（Warner等人，2005年；Warner等人，2008年；Warner等人，2010年），该系统通过模型耦合工具包（MCT）（Jacob等人，2005年；Larson等人，2005年）整合了区域海洋建模系统（ROMS）（Shchepetkin和McWilliams，2005年；Haidvogel等人，2008年）和近岸波浪模拟（SWAN）（Booij等人，1999年），以模拟中国南海北部大陆架（图1a）的水动力过程，包括珠江口（图1

冬季的风力、波浪和斯托克斯漂移

图2显示了控制运行期间干燥冬季（2017年10月1日00:00至2018年3月31日24:00）的平均表面风应力、有效波高和表面波浪引起的斯托克斯漂移情况，其中(a–c)面板展示了平均场，(d–f)面板显示了研究区域（22.1°–22.8° N，113.5°–114.15° E）的风速、有效波高和表面波浪引起的斯托克斯漂移的玫瑰图。

冬季平均风力

易受有害藻类影响的西部浅滩热点地区的水质年龄对水动力条件的响应

控制运行的结果描述了基于冬季平均值的染料浓度、传输通量、路径和表层-底层水质年龄的冬季分布。然而，我们也关注水质年龄的时间变化，因为固定位置的变化反映了羽流传输或扩散的波动（Liu等人，2012年）。这些变化可以为理解河口和沿海生态系统状况提供有价值的信息。水质年龄的增加表明陆地物质已经

结论

本研究利用经过充分验证的COAWST建模系统，定量分析了在干燥冬季，水动力因素对珠江口四个出水口河流羽流传输路径和水质年龄的影响。冬季羽流通常被限制在河口范围内，并且与夏季相比表现出更强的横向重叠。冬季条件也促进了更向西的羽流扩散和更高的水质年龄。我们的结果表明，河流流量仍然是主要

作者贡献声明

张光：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，资金获取，概念化。胡鹏鹏：撰写 – 审稿与编辑。胡璇：撰写 – 审稿与编辑。陈宇伦：撰写 – 审稿与编辑。赵俊鹏：撰写 – 审稿与编辑。马春雷：撰写 – 审稿与编辑。张恒：撰写 – 审稿与编辑。龚文平：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不恰当地影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，对于任何可能影响手稿“干燥冬季珠江四个出水口羽流的扩散和水质年龄”中所述观点的产品、服务或公司，我们没有任何专业或其他个人利益。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号42306015, 42276169）和中国博士后科学基金（资助编号2023M743988）的资助。龚文平得到了南方海洋科学与工程广东实验室（珠海）（SML2023SP238）的支持。我们感谢主编Michel C. Boufadel博士和三位匿名审稿人对本文提出的宝贵建议，这些建议有助于改进本文的质量。