非旋转河口处残余流横向结构的 fortnightly variability（即每两周的变化情况）

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Fortnightly Variability of the Lateral Structure of Residual Flows Along Non-Rotating Estuaries

本研究通过三维数值模拟揭示，在理想化半封闭河道中，主导残余流驱动机制随潮汐周期变化，从夏潮（低潮）的密度梯度主导（baroclinic）转变为春潮（高潮）的潮汐力主导（barotropic），并发现新横向结构随驱动平衡而形成，为潮汐影响下的河口管理提供理论支撑。

　　残余环流在河口系统中扮演着至关重要的角色，它不仅影响盐水入侵的长度，还决定了溶解物质和悬浮颗粒物的净输送，以及生态系统功能的维持。因此，理解残余环流的形成机制和其在不同潮汐条件下的变化，对于全球沿海地区的管理具有重要意义。尽管残余环流的重要性已被广泛认可，但其横向结构的驱动机制，尤其是在考虑双周潮汐变化的情况下，仍存在许多未解之谜。本研究旨在揭示河口系统中残余环流的主要驱动因素可能在双周潮汐周期内发生变化，从低潮时的热力驱动（baroclinic）转变为高潮时的水位驱动（barotropic）。通过使用三维、过程导向的数值模拟，研究团队构建了一个理想化的、非旋转的河口-大陆架系统模型，以模拟实际河口环境中的复杂动力学过程。

研究模型基于一个长度为80公里、横截面呈高斯分布的半封闭通道，这一设定受到葡萄牙和西班牙交界处的瓜迪亚纳河口（Guadiana Estuary）的启发。瓜迪亚纳河口的长期观测数据显示，在双周潮汐变化下，残余环流的横向结构会发生显著变化，这为本研究提供了重要的实证基础。为了再现这种双周潮汐变化，模型在河口入口处施加淡水输入，并在海洋边界处引入M2和S2潮汐谐波，这两种潮汐成分在实际河口中具有显著影响。谐波的振幅是通过敏感性分析确定的，以确保模拟结果能够反映真实的物理过程。

在模拟过程中，研究团队使用了一个无量纲参数来表示沿河口轴向的横向结构变化。该参数来源于残余入流，并能够区分不同对称性的横向残余环流结构。模拟结果显示，残余环流的横向结构在低潮和高潮时分别表现出热力驱动和水位驱动的特征，这与理论预测相吻合。进一步分析残余动量方程的各项表明，这种结构的变化确实是由主导驱动因素的切换所引起的。在低潮期间，热力驱动占据主导地位，导致近底残余流较强，其方向也反映出热力作用的主导性；而在高潮期间，水位驱动成为主要因素，近底流的方向和强度也随之发生变化。

研究还发现了一种此前未被记录的横向残余环流结构，该结构在热力和水位驱动相对平衡的条件下出现。这种结构主要由近底和浅滩区域的入流组成，其形成与Stokes漂移密切相关。Stokes漂移是指在波浪运动中，水流因波浪的非线性效应而产生的平均漂移现象，这种现象在潮汐周期中可能对残余环流的结构产生重要影响。通过引入无量纲参数，研究团队能够更清晰地识别和区分这些不同的横向结构，并揭示它们在不同潮汐条件下的演变规律。

本研究的数值模拟结果不仅验证了理论预测，还提供了新的视角来理解河口系统中残余环流的复杂性。传统的理论研究往往将热力驱动和水位驱动视为独立的过程，分别进行分析后再进行叠加。然而，本研究通过结合这两种驱动因素，并考虑它们在双周潮汐周期内的相互作用，揭示了它们在塑造横向残余环流结构中的协同效应。这一发现对于深入理解河口系统的动力学机制具有重要意义，也为河口管理提供了新的理论依据。

研究团队在实验中发现，河口系统的横向结构变化不仅取决于潮汐振幅的变化，还受到其他因素的影响，如河口几何形态、摩擦力和风力等。然而，在本研究中，这些因素被简化或排除，以突出热力和水位驱动之间的相互作用。这种简化使得模型能够更清晰地聚焦于双周潮汐变化对残余环流的影响，同时也为后续研究提供了基础。在实际河口中，这些因素可能会更加复杂，因此未来的研究需要进一步考虑它们的综合作用。

通过本研究的模拟，可以观察到在双周潮汐周期内，河口系统的残余环流结构会发生显著变化。这种变化不仅体现在流速和方向上，还可能影响水体的混合过程、污染物的扩散以及生态系统的稳定性。例如，在低潮期间，由于热力驱动的影响，近底区域的流速可能更快，从而促进水体的垂直混合；而在高潮期间，水位驱动可能导致更强烈的横向流动，进而影响盐水入侵的范围和强度。这些变化对于河口生态系统的健康和可持续发展具有重要影响，尤其是在面对气候变化和人类活动干扰的情况下。

此外，研究还指出，在热力和水位驱动相对平衡的条件下，可能会出现一种新的横向残余环流结构。这种结构的出现可能与Stokes漂移密切相关，因为当两种驱动因素的力量相近时，Stokes漂移可能在横向结构的形成中起到关键作用。这一发现为河口系统的动力学研究提供了新的方向，并可能对未来的水文建模和环境预测产生重要影响。由于Stokes漂移通常被忽略在传统模型中，因此本研究的结果可能有助于改进现有模型，使其能够更准确地模拟河口系统的复杂行为。

本研究的模型和方法为理解河口系统中残余环流的驱动机制提供了一个重要的框架。通过使用三维数值模拟，研究团队能够捕捉到流体在不同潮汐条件下的动态变化，并揭示这些变化背后的物理机制。这种方法不仅可以应用于瓜迪亚纳河口，还可以推广到其他具有类似特征的河口系统。此外，本研究的无量纲参数为区分不同的横向残余环流结构提供了一个简便的工具，这有助于后续研究在不同河口环境中进行比较和分析。

研究团队还强调，由于河口系统的复杂性，其动力学行为可能受到多种因素的共同影响。因此，未来的模型需要更加全面地考虑这些因素，以提高模拟的准确性和适用性。例如，在实际河口中，Coriolis效应和风力可能对残余环流产生重要影响，这些因素在当前研究中被排除，但在更复杂的模型中应予以考虑。此外，河口的地形变化和水深分布也可能对残余环流的结构产生显著影响，因此在未来的实验中，这些因素需要被纳入模型中。

总体而言，本研究的成果不仅加深了对河口系统中残余环流机制的理解，还为河口管理提供了新的理论支持。通过揭示热力和水位驱动在双周潮汐周期内的主导性变化，研究团队为预测和管理河口的水文和生态过程提供了重要的依据。这些发现可能对沿海地区的水资源管理、污染物扩散控制以及生态保护策略产生深远影响。未来的研究可以进一步探索这些机制在不同河口环境中的适用性，并结合实地观测数据，验证模型的准确性。

研究的实施依赖于Delft3D FLOW这一三维数值模型，该模型基于Navier-Stokes方程，采用雷诺平均浅水方程来模拟不可压缩自由表面流动。在模型中，引入了盐度输运方程和k-ε湍流闭合方案，以更精确地描述水体的混合过程和湍流特性。这些模型的细节由Deltares（2013）进行了详细阐述，为本研究提供了坚实的理论基础和技术支持。通过调整模型的输入参数，研究团队能够再现瓜迪亚纳河口的潮汐和淡水输入条件，并观察残余环流的动态变化。

研究团队还指出，虽然本研究的模型简化了某些因素，如Coriolis效应和复杂的地形，但这些简化并未影响对热力和水位驱动机制的理解。相反，这种简化使得模型能够更专注于双周潮汐变化对残余环流的影响，从而避免了其他因素的干扰。因此，本研究的结果可以作为未来更复杂模型的参考，同时也为实际河口系统的管理提供了理论依据。

在实验过程中，研究团队特别关注了残余环流在不同潮汐条件下的时空变化。通过分析模型输出数据，他们发现残余环流的横向结构在低潮和高潮期间表现出显著差异。这种差异不仅体现在流速的大小和方向上，还可能影响水体的混合程度和污染物的输送路径。因此，理解这些变化对于预测河口系统的环境行为具有重要意义。

本研究的发现对于河口管理具有重要的应用价值。首先，它可以帮助管理者更好地理解盐水入侵的动态过程，从而制定更有效的水资源保护策略。其次，它可以为污染物的扩散和输送提供理论支持，有助于优化污染控制措施。此外，这些发现还可以用于评估河口生态系统的健康状况，为生态修复和保护提供科学依据。

研究团队在结论部分强调，本研究通过构建一个简化但具有代表性的河口模型，成功再现了双周潮汐变化对残余环流结构的影响。这一成果不仅验证了理论预测，还揭示了一种新的横向残余环流结构，为河口系统的动力学研究提供了新的视角。通过深入分析热力和水位驱动因素在不同潮汐条件下的作用，研究团队为理解河口系统的复杂行为奠定了基础。

总之，本研究的成果为河口系统的动力学研究和管理提供了重要的理论支持和实践指导。通过揭示残余环流的驱动机制在双周潮汐周期内的变化，研究团队不仅深化了对河口系统内部过程的理解，还为未来的水文建模和环境预测提供了新的思路和方法。这些发现对于全球范围内的河口管理具有重要意义，尤其是在应对气候变化和人类活动对河口系统的影响方面。未来的研究可以进一步扩展本研究的模型，以涵盖更多实际因素，并探索其在不同河口环境中的适用性。