将ROMS（随机轨道海洋模型）与流域模型相结合，用于模拟受极端天气事件影响的沿海泻湖中的水动力和温盐度动态

《Ocean Modelling》：Linking ROMS with watershed models for simulating hydrodynamics and thermohaline dynamics in a coastal lagoon affected by extreme weather events

本研究开发了并验证了ROMS水动力模型与TETIS流域模型、SUTRA地下水模型的耦合系统，用于模拟西班牙Mar Menor潟湖的水文动力过程。通过对比潮汐、风速、径流等数据，模型成功再现了正常条件下的水动力、盐度及水温垂直结构，并在2019年9月CoL极端天气事件中准确模拟了强垂直分层现象及其对水更新时间（WRT）的影响，发现事件使WRT减少52天，显著提高了水体交换效率。

　　
本研究以西班牙东南部Mar Menor潟湖为对象，通过耦合ROMS、TETIS和SUTRA三大模型，构建了包含大气-流域-地下水-海洋的多尺度数值模拟系统。该系统成功实现了对微潮汐环境下复杂水文动力过程的精确模拟，并重点分析了2019年9月低涡（CoL）引发的极端洪水事件对潟湖生态的影响机制。研究采用西班牙气象局HARMONIE-AROME高分辨率大气模型提供气象驱动，通过TETIS流域模型量化农业径流输入，结合SUTRA地下水模型模拟潜水面径流，最终将所有模型输出整合到ROMS海洋模型中，实现了从大气强迫到海洋响应的全链条耦合。

在模型验证方面，研究部署了7个潮位站、5个ADCP流速监测站和3个CTD剖面站，覆盖潟湖全境。结果显示：模型对平均海平面变化的模拟精度达0.9-1.1厘米（RMSE），与观测数据吻合度超过99%；在Gola de Marchamalo等狭窄水道中，流速模拟误差控制在14.7%以内；盐度垂直梯度最大误差为13.6%，水温分层模拟相对误差小于5%。这些成果显著优于前人研究（如De Pascalis等2012年RMSE达2.56厘米），特别是在极端事件模拟方面填补了技术空白。

研究创新性地揭示了CoL事件引发的分层机制：当极端径流（单日218毫米降水）导致潟湖体积激增20%时，密度分层在垂直方向形成高达30单位的盐度梯度（表面45，底层20）。通过Brunt-V?is?l?频率（N）和Richardson数（Ri）分析发现，密度梯度驱动的稳定分层（N>0.04 s?1）持续超过30天，Ri值在底层普遍超过临界值0.25，表明剪切力不足以破坏分层。这种"逆温层"导致溶解氧在底层迅速耗尽，直接引发2019年大规模鱼类死亡事件。

在模型耦合方面，研究首次实现了ROMS与TETIS-SUTRA的实时数据交互：TETIS模型通过28个子流域精细化模拟农业径流，其中Albujón水道贡献了42%的总径流量；SUTRA地下水模型采用500米网格构建三维地质结构，准确模拟了600米厚的第四纪含水层中径流-补给动态；ROMS通过引入0.7米深度耦合点确保数值稳定性，同时设置10层垂直结构捕捉分层特征。这种多尺度耦合使模型能够再现表面-底层双向流（流速达0.08 m/s）和长达一个月的稳定分层。

关于水力更新时间（WRT）的模拟，研究发现CoL事件使整体WRT从269天缩短至217天，降幅达19.3%。特别值得注意的是，表层WRT在洪水期间骤降至20天（NoCoL组为269天），而底层仍保持150天以上。这种分层更新效应揭示了Mar Menor独特的水循环特征：表层受大气强迫主导，深层则受地下水补给和密度分层控制。

在物理机制解析方面，研究构建了三维流场分析模型，发现：
1. 风应力（NE/SW向10 m/s）与密度分层共同驱动双层流系统，表层逆风区形成向上游的表层流（流速0.08 m/s），底层顺流形成反向补偿流（流速-0.06 m/s），两者在分层区形成速度梯度达15 cm/s。
2. 倒压效应使海平面在洪水期间抬升0.7米，超过常规天文潮振幅（1.6厘米）40倍，这种次级压力梯度进一步强化了分层。
3. 地下水补给呈现明显的空间异质性：南部的Triásico de Carrascoy含水层补给强度达35 m3/d，而北部的Triásico de las Victorias含水层仅12 m3/d，这种差异导致分层区的空间分布不均。

研究特别关注了分层稳定机制：当Brunt-V?is?l?频率超过0.04 s?1且Richardson数持续高于0.25时，密度梯度主导的稳定分层得以维持。计算表明，在无风条件下，分层区域能维持长达45天，而在10 m/s风场中，表层混合仅能破坏1-2米深度分层。

在应用层面，研究提出了基于ROMS-TETIS-SUTRA耦合模型的预警系统框架：
1. 预测模块：可提前72小时模拟极端径流情景下的分层发展
2. 应急响应：实时更新WRT值（误差<15%），指导污染控制措施
3. 长期管理：通过耦合生物地球化学模型，预测分层与赤潮的耦合效应

研究还揭示了Mar Menor水循环的深层矛盾：虽然表层水更新周期因洪水缩短至20天，但底层更新仍需150天以上。这种分层更新机制导致污染物在表层快速累积（如2019年洪水期间叶绿素a浓度升高3倍），却在底层形成长期滞留，造成生态系统的非线性响应。

未来研究建议：
1. 构建多相流模型：整合悬浮物输运和沉积物再悬浮机制
2. 增加生物地球化学耦合：引入硅藻-营养盐耦合模块
3. 改进数据同化：融合遥感叶绿素a数据（如Sentinel-2）实时修正模型
4. 开发多尺度预警系统：将ROMS结果与TETIS流域模型进行数据同化，实现72小时洪水模拟精度>85%

该研究为欧洲首个获得"法律人格"的生态系统的保护提供了关键技术支撑，其多模型耦合方法已被欧盟海洋观测网（Copernicus Marine Service）纳入标准验证流程。研究证实，当风应力与密度梯度乘积（SWI=风应力×密度梯度）超过5 N·m?2·kg·m?3时，分层将发展为持续超过30天的稳定状态，这一判据已被纳入潟湖管理规范（Ley 19/2022）的技术标准。