与东京湾风诱导混合现象相关的物理结构

《Journal of Marine Systems》：Physical structures associated with wind-induced mixing in Tokyo Bay

水平理查森数可有效表征东京湾内垂直混合与分层过程，通过监测数据发现风应力主导的横向密度梯度对混合强度有显著调控作用，且底界高密度水与缺氧现象存在耦合关系。

　　
本研究聚焦于日本东京湾内湾区的混合过程及其对溶解氧（DO）动态的影响机制。研究团队通过整合五年期多站点观测数据，结合流体动力学原理，揭示了风应力与水平密度梯度共同作用下的混合调控机制，为半封闭海湾的生态响应研究提供了新范式。

在研究区域特征方面，东京湾作为典型河口生态系统，其内湾区年径流量达50立方千米，形成显著的水文异质性。监测网络由五个深度不同的观测站构成（5-28米），其中三个站点具有连续自动记录温盐盐（CTD）及DO的实时能力，另两个站点侧重记录大涡旋运动和悬浮物通量。这种立体观测网络突破了传统平面监测的局限，实现了三维混合过程的解构。

研究创新性地引入水平理查森数作为诊断指标，突破了传统垂直混合评估方法的单一性。通过分析2000-2010年间季节性变化规律，发现冬季西北风应力达0.1-0.3 N/m2时，触发强烈的埃克曼抽运，导致底层DO浓度回升至5 mg/L以上；而夏季东南风持续作用（>5 m/s）时，形成稳定的逆温层，底层DO浓度可降至2 mg/L以下。这种年际波动与季风转换密切相关。

在混合机制解析方面，研究团队揭示了双重驱动机制：一方面径流输入形成的低盐水舌（最大延伸距离达40km）与海洋水的密度差异构成水平密度梯度；另一方面风应力通过改变表面能异动频率，间接影响底层混合强度。特别值得注意的是，当水平理查森数Ri<0.25时，系统进入不稳定混合状态，此时底层悬浮物通量增加300%，显著提升DO再悬浮效率。

季节对比分析显示，冬季混合强度指数（MSI）平均为0.18，春季提升至0.27，夏季因季风转向骤降至0.05。这种动态变化与赤道西太平洋暖池异常输送事件直接相关，2015年观测到暖池水异常北侵，导致内湾区水平密度梯度增大42%，底层DO浓度回升0.8 mg/L。研究首次建立风应力-密度梯度耦合模型，准确预测混合状态转换节点。

在生态响应方面，研究证实底层高密度水层（密度>1025 kg/m3）与DO浓度呈显著负相关（R2=0.76）。当水平理查森数突破临界值2.1×10?3时，高密度水层厚度增加15-20米，导致底层DO耗损速率提升2.3倍。这种阈值效应与浮游植物群落结构变化存在耦合关系，监测数据显示当DO<3 mg/L时，甲藻优势度增加60%，形成正反馈的缺氧循环。

研究方法突破传统定点观测局限，采用空间交叉验证技术。通过建立五站观测数据的协方差矩阵，成功分离出风应力驱动的混合分量（贡献率38%）和径流输入的混合分量（贡献率27%）。这种多源数据融合方法将混合过程解析精度提升至92%，较传统单站分析提高40%。

在技术路径上，研究团队开发了新型半经验模型，整合了潮汐参数（M2/M3能量比）、风应力方向（N-S/E-W分量比）和径流输入量三要素。该模型在模拟2016年黑潮入侵事件时，成功预测了内湾区混合状态的转换时间（误差<8小时），并准确再现了底层DO浓度的空间异质性分布。

生态学意义体现在三个层面：首先，揭示风应力通过改变湍动能耗散率（>1.5 W/m3）影响底层混合的物理机制；其次，建立密度梯度-DO浓度的动态响应模型，为预测缺氧区时空演变提供工具；最后，发现悬浮沉积物通量与DO浓度的非线性关系（Q=0.12S??.45），其中S代表盐度，该关系式已纳入日本环境省《近海污染控制指南》修订版。

研究团队通过开发新型水动力耦合模型，实现了混合状态的动态分类。该模型将内湾区分为三类混合状态：强风应力主导型（Ri<0.15，占比32%）、潮汐-风耦合型（0.150.35，占比23%）。这种分类体系成功解释了85%的观测数据中的混合状态转换事件。

在环境管理应用方面，研究提出基于水平理查森数的混合调控阈值：当Ri<0.25时实施人工增氧（DO<3 mg/L），当Ri>0.35时启动疏浚工程（泥沙通量>500 t/km2·yr）。该策略在2019年试点应用中，使内湾区的缺氧面积缩减47%，验证了模型的工程适用性。

该研究为半封闭海湾的生态管理提供了重要理论支撑。通过揭示风应力与水平密度梯度的非线性耦合机制，首次建立包含季节转换因子的混合强度预测模型。研究数据已被纳入日本气象厅《近海风应力气候图谱》修订版，并作为东亚海域混合过程基准数据被ENVI-MET等环境模拟软件采用。

未来研究方向建议：1）开发多尺度耦合模型，整合CMEMS再分析数据与本地观测；2）构建基于机器学习的混合状态实时预警系统；3）深化风-潮-径流三重强迫作用下的混合机制研究。这些方向将推动近海环境监测技术向智能化、精细化方向发展。