原文标题：Circulation and Stratification Changes in a Hypersaline Estuary Due to Mean Sea Level Rise

原文链接：https://www.mdpi.com/2077-1312/12/4/579

期刊名：JMSE

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/jmse

随着全球气候变化引起的平均海平面上升，维持高盐环境的水动力过程可能将会受到影响，基于此，西澳大学Charitha Pattiaratchi教授及其团队联合南安普顿大学的Ivan Haigh教授在JMSE期刊上发表了一篇文章，研究了当前和未来平均海平面上升情景下高盐度河口的水动力变化

文章导读：

沿海海湾、泻湖和河口可分为低盐区（盐度低于海水）和高盐区（盐度高于海水）。全球高盐区系统主要存在于干旱地区，其特点是降雨量低（或季节性降雨），蒸发量高，其中极端高盐区环境（盐度 > 60）常见于水交换受限的系统。随着平均海平面在人类活动引起的气候变化下继续上升，海洋系统中的泥沙输送、淹没事件和水交换率等海洋环境的水动力过程可能会发生变化。该文以位于澳大利亚大陆最西端的鲨鱼湾与法赫岩床（Faure Sill）为研究对象，利用海洋观测数据和水动力模型结果对水动力过程进行了研究，并发现了在当前条件下，法赫岩床观测到潮差大幅衰减、其特性和流速，以及盐度梯度发生了强烈变化，以及强烈的盐度梯度。在平均海平面上升一米的情景下，北部潮位幅度减小高达10%，而南部潮差增大高达15%。法赫岩床两侧均存在强烈的垂直分层区域。该模拟表明，在平均海平面上升情景下，这些区域面积将扩大并表现出更高的垂直分层程度，而盐通量则将保持为扩散的过程。

研究过程及结果：

本文的研究主体是位于澳大利亚大陆最西端的鲨鱼湾（Shark Bay），其包括两个主要水体，即菲欣纳河（Freycinet Reaches）和霍普利斯河段(、Hopeless Reaches)，它们被佩伦半岛(Peron Peninsula)隔开。该海湾为逆向河口，湾内的盐度高于邻近的海洋，而位于霍普利斯河段尽头的哈默林池（Hamelin Pool，图 1）是一个高盐度海湾，平均盐度超过 65，它与霍普利斯河段之间隔着浅的法赫岩床（图 1b），一个由海草稳定的碳酸盐沉积物滩。其高蒸发量（每年 > 2 米）和极低的降水量与径流使哈默林池永久处于高盐状态，因此其水的密度高于鲨鱼湾的其他部分。

该文旨在了解 (1) 哈默林池与霍普利斯河段之间跨越法赫岩床的水交换过程，以及 (2) 在当前和未来平均海平面上升情景下哈默林池的垂直分层。作者使用了一个三维数值模型，并通过现场测量进行了验证

图 1. (a) 西澳大利亚地图；(b) 鲨鱼湾水深（以米为单位，与当地海图基准面相对应）(c) 哈默林 (Hamelin Pool) 和法赫岩床 (Faure Sill)

方法框架：

本研究结合实地观测和数值模拟，探究哈默林池和福法赫岩床内当前的流体动力学和垂直混合的情况。随后利用已验证的数值模型预测了该盆地对不同海平面上升情景的可能响应，并利用势能异常（PEA）量化了系统性垂直混合的变化。

本文作者广泛使用了鲨鱼湾周围多个站点现有的长期海洋和大气参数观测数据，测量了水位、温度和盐度（图三）两台仪器分别被部署在平均水深10米和8米处。2011年9月至11月期间，它们每5分钟以0.5米的深度间隔测量一次整个水柱的流速

图 3. CTD-North（蓝色）和 CTD-South（绿色）的观测结果：（a）潮位；（b）潮位从北向南的衰减；（c）两个 CTD 之间 12 公里距离内的压力梯度；（d）温度；（e）盐度；（f）密度；（g）密度梯度；（h）鲨鱼湾气象站的风矢量。

为了模拟鲨鱼湾内的水动力过程和水体特性，作者则配置了一个二维河口模型（即深度平均，但包括盐度和温度对密度的影响），以研究研究区域内水深、潮汐和风力的影响。在验证了 2D 模型之后，作者配置了该模型的斜压版本，其中包含五个 sigma 层，以检查哈梅林池的 3D 流动和混合/分层状态

模型建立和验证阶段完成后，作者分别以当前海平面高度和不同的预期海平面高度情景进行了为期两个月的模拟，本研究中考虑了 0.5 米和 1 米的海平面上升幅度，同时保持所有其他因素（例如气象因素）的影响不变

该数值模型运行了两个月，并将不同深度、温度、盐度和密度下水位、流速和方向的每小时时间序列 (Xmodel) 预测值与观测值 (Xobs) 进行了比较。为了量化模型验证，使用了三种不同的指标：

预测的水动力参数（模型表面和底部的u和v速度）与观测结果具有非常好的一致性，所有站点深度的偏差均小于0.04 ms⁻¹，均方根误差（RMSE）小于0.18 ms⁻¹，模型技巧（Model Skill）值高于0.9。预测的水性质参数（底部温度、盐度和密度）在两个站点均显示出较小的偏差和均方根误差值，模型技巧值也处于可接受水平。

随后，该模型扩展至三维，并通过水柱的视觉和统计比较将预测结果与观测结果进行了对比，此外还比较了南北两个地点海底附近的盐度、密度和温度的观测值和预测值（图7，图8）

图 7. 水动力模型预测与观测结果的比较

图 8. 水动力模型预测与底层观测结果的比较：(a) 温度；(b) 盐度；(c) 密度。

河口系统的分层状态可以通过势能异常（PEA）来定义，其是指单位体积的能量，必须达到该能量才能将分层水柱转变为相应的均质状态，作者分别计算了三个不同时期（两天小潮、两天大潮以及一个完整的大潮/小潮周期）的现今，海平面上升0.5米和1米情景下的势能异常。

研究总结与展望：

通过研究作者发现更高的平均海平面高度导致了更大的分层区域（图11， 12，图11为现今，图12为上升0.5米（a-c）, 和上升1米（d-f ））

图11 法赫岩床和哈默林池在当今 不同时期的势能异常 ：(a) 大潮-平均持续 2 天；(b) 小潮-平均持续 2 天；(c) 完整的大潮-小潮周期-平均持续 2 周。

图12：平均海平面上升0.5-1米情况下的相应变化

研究结果表明，平均海平面上升将导致法赫岩床和哈默林池相对加深，并导致哈默林池盆地的潮差、流速和分层增加。在逆向河口的情况下，涨潮时分层（低密度水体覆盖高密度水体），落潮时去分层， 在平均海平面上升的作用下，这些区域的面积将扩大，分层程度更高。这两个区域都受到输入增加的影响：退潮时，更多的高盐度水向北输送，而涨潮时，更多的低盐度水向南输送，而哈默林池的盐水排放预计仍将保持扩散的过程。总体而言，鲨鱼湾哈默林池的潮汐动力和水交换将因平均海平面上升导致变化。

此外，由于平均海平面上升将导致大潮期间的能量释放增加，哈默林池和法赫岩床将存在着强烈的水分层和交换。这对于稳定法赫岩床的海草群落意味着什么尚不清楚，但增强的洋流可能会侵蚀相对稳定水道中的海草，水深的增加则或将使法赫岩床中的海草群落得以进一步扩张，这一点需要进一步的研究。

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