智利中部一个受上升流影响的海湾的环流和水文条件

《Journal of Marine Systems》：Circulation and hydrographic conditions in an upwelling-influenced bay of central Chile

智利Algarrobo湾首次综合分析合成与日变化尺度水流和热力结构，基于2021-2022年春季-夏季现场与卫星观测。发现上涌风主导冷分层弱东北向流，短暂下涌风引发暖混合水层及西南向强流，潮汐贡献≤13%。日变化风驱动双层流，滞后于风，地形与风 forcing形成类似“上涌阴影”效应，影响浮游生物、营养盐及污染物的输运与滞留，气候变化下研究此类局部动力学的重要性凸显。

　　

弗朗西斯卡·V·瑟奇（Francesca V. Search）| 奥黛特·A·维尔加拉（Odette A. Vergara）| 法比安·J·塔皮亚（Fabián J. Tapia）| 塞尔吉奥·A·纳瓦雷特（Sergio A. Navarrete）| 佩德罗·A·菲格罗亚（Pedro A. Figueroa）| 洛雷托·孔特雷拉斯-波尔西亚（Loretto Contreras-Porcia）| 冈萨洛·S·萨尔迪亚斯（Gonzalo S. Saldías）

智利瓦尔帕莱索大学海洋科学与自然资源学院物理海洋学与卫星实验室（LOFISAT）

摘要

东边界上升流系统（Eastern Boundary Upwelling Systems, EBUS）的特点是风驱动的环流，这种环流在季节性和天气尺度上都有体现。大多数关于这些系统大陆架动态的研究集中在年际或季节性变化上，而较少有研究关注塑造大陆架内部环流的天气和日变化过程。本研究首次基于2021-2022年春季至夏季两个月的现场流速、温度和风速测量数据以及卫星观测结果，对智利中部一个面向北方的小海湾——阿尔加罗沃湾（Algarrobo Bay）的环流和水文变化进行了评估。时间序列显示，在天气尺度（≥40小时）和日尺度上均存在显著变化。有利于上升流的风占主导地位，形成了寒冷且分层的水体，并产生了微弱的向东北方向的流动；而短暂的有利于下沉流的风则产生了较温暖且混合的水体，并引发了强烈的向西南方向的流动。潮汐对流速变化的贡献较小（≤13%）。在日尺度上，平均风周期驱动的环流响应滞后于风向变化。这些日变化模式在上升流和下沉流事件期间进一步改变，使环流结构从双层转变为单层或三层结构。这些发现首次揭示了阿尔加罗沃湾的物理变化特征，并表明局部地形和风的作用可能形成了类似“上升流阴影”的环境。这种动态在下降流期间表现为海水向外交换，在上升流期间则表现为物质在局部区域的滞留，这对幼体、营养物质和污染物的输送与滞留具有重要影响。在气候驱动的上升流强度加剧的背景下，理解这种局部动态对于这类及其他受上升流影响的海湾尤为重要。

引言

东边界上升流系统（EBUS）是生产力最高的海洋生态系统之一，支撑了全球约20%的渔业产量（Pauly和Christensen，1995；Curi等人，2000；Chavez等人，2008）。其极高的生产力源于风驱动的上升流作用，将富含营养的深层冷水带到光合作用活跃区（Codispoti等人，1989）。EBUS的沿海环流和水文特征受到沿岸风的空间时间变化及其与海岸地形相互作用的强烈影响（Bakun和Nelson，1991；Strub等人，1998；Kirincich等人，2005；Largier，2020）。诸如大陆架地形和海岸线方向变化（如海角、海湾、海底峡谷）等地形特征可以改变沿岸水流方向，增强涡度（Castelao和Barth，2007；Brink，2016；Saldías和Allen，2020）。在较小的海湾（≤1-10公里范围内），环流模式尤为复杂，受海湾形状、封闭程度、底部坡度及其相对于主流方向等因素的影响（Largier，2020）。因此，即使位于同一上升流区域且受到相似风力的两个海湾，其环流动态和溶解物质及颗粒物质的停留时间也可能存在显著差异。鉴于人类活动对海湾环境的压力日益增大（如港口、航运、旅游业、污水排放等），了解不同海湾对风力和上升流的响应至关重要，尤其是在气候驱动的上升流强度加剧的背景下（Sydeman等人，2014；Rykaczewski等人，2015）。 在南洪堡流系统（Southern Humboldt Current System, SHCS）中，智利大部分海岸（19–42°S）的沿岸风受到南太平洋反气旋（South Pacific Anticyclone, SPA）季节性南北移动的影响。SPA在南半球秋季至冬季位于北部，而在春季至夏季向南迁移（Strub等人，1998；Montecino等人，2006；Ancapichún和Garcés-Vargas，2015）。因此，智利中南部（约30–40°S）的沿海上升流表现出明显的季节性周期：春季至夏季有更强且更持久的有利于上升流的风，而秋季至冬季则有较弱的风，期间伴有下沉流事件（例如Garreaud和Mu?oz，2005；Sobarzo等人，2007a；Mu?oz等人，2023）。在智利海岸，单个上升流事件通常在天气尺度（2–7天）内发生，并经常被短暂的风力减弱或下沉流脉冲打断（Garreaud等人，2002；Narváez等人，2004；Sobarzo等人，2007a；Aguirre等人，2021）。 虽然风在季节性和天气尺度上主导着大陆架内部的动态和水文变化（例如Brink，1983；Lentz和Fewings，2012；Largier，2020），但近岸条件还受到更高频率变化的影响，尤其是日变化的海风。海风由陆海温差引起，白天推动冷空气向岸流动（Wexler，1946）。在温带纬度，海风通常从春季持续到秋季，夏季达到最强（Wexler，1946）。海风可以产生复杂的沿岸斜压流（Lerczak等人，2001；Woodson等人，2007），改变河流水流方向（Pi?ones等人，2005；Nehama和Reason，2015），促进近惯性振荡（Sobarzo等人，2007b），增强大陆架表面流（Sobarzo等人，2010），并增加颗粒物、沉积物和幼体的向岸输送（Kaplan等人，2003；Tapia等人，2014b）。此外，在某些地区，海风可能与有利于上升流的风同时出现（例如Sobarzo等人，2010），进一步复杂化近岸环流。 SHCS的研究广泛探讨了上升流对水动力学、生产力和生物地球化学的影响（Sobarzo等人，2010；Aguirre等人，2018；Galán等人，2017；Testa等人，2018；Farías等人，2021），以及这些生产系统对底栖和浮游生物渔业的重要性（Cubillos等人，2007；Hernández等人，2011；Gomez等人，2012）。大多数研究关注长期条件、上升流强度的年际或季节性变化及其生物地球化学后果。相比之下，很少有研究探讨近岸环流对天气尺度上升流风的响应（Sobarzo等人，2010；Sobarzo等人，2022），更少有研究关注地形方向对风驱动环流模式的调节作用（例如Aiken等人，2008），尤其是在智利中部（33°S至34°S）。同样，关于海风对上升流生态系统局部环流影响的了解也很有限（Sobarzo等人，2010；Bonicelli等人，2014）。本研究记录了阿尔加罗沃湾（位于智利中部的一个面向北方的小海湾）在水流和温度对上升流及下沉流响应方面的动态变化，利用现场和遥感数据探讨了天气尺度风变化和日变化海风如何共同塑造该海湾的热结构和环流，并将其与邻近上升流中心进行了比较。

研究区域

阿尔加罗沃湾（图1）是一个开放的、面向西北方向的海湾，相对不受来自南方的强波的影响。两个地形上有利于上升流的区域已被充分记录：北部的普恩塔库拉米利亚（Punta Curaumilla，图1中的PC）（Johnson等人，1980；Silva和Valdenegro，2003；Aiken等人，2008）和南部的普恩塔托罗（Punta Toro，图1中的PT）（Wieters等人，2003；Narváez等人，2004；Aiken等人，2008）。这两个区域都被认为是活跃的上升流区域。

变化的主要尺度

风速的频谱分析显示，在40小时的时间尺度上频谱密度较高，突显了天气过程的重要性。经向变化超过了纬向变化（图2A），分别解释了总方差的88.63%和52.57%。周期较短（≤40小时）的振荡也是风变化的重要组成部分，尤其是在接近昼夜变化的时段（图2A中的阴影区域）。

讨论

大陆架内部的动态是由多种过程相互作用产生的，包括浮力羽流、表面重力波、潮汐、近惯性流、风（包括天气风和海风）以及受远程因素驱动的沿海波动（Lentz和Fewings，2012）。阿尔加罗沃湾也不例外：在这里，天气风和高频风是变化的主要驱动因素，共同解释了超过85%的观测方差。

结论

本研究首次全面评估了智利中部一个受上升流影响的小海湾——阿尔加罗沃湾的环流和热结构，涵盖了天气和日变化尺度。风速、温度和流速的时间序列显示，在40小时及更短时间尺度上存在显著变化，突显了天气强迫和海风动态的联合影响。

CRediT作者贡献声明

弗朗西斯卡·V·瑟奇（Francesca V. Search）：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；资金获取；数据分析；概念构思。 奥黛特·A·维尔加拉（Odette A. Vergara）：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；监督；方法论。 法比安·J·塔皮亚（Fabián J. Tapia）：撰写 – 审稿与编辑；可视化；概念构思。 塞尔吉奥·A·纳瓦雷特（Sergio A. Navarrete）：撰写 – 审稿与编辑；调查；资金获取；概念构思。 佩德罗·A·菲格罗亚（Pedro A. Figueroa）：撰写 – 初稿；方法论；形式化处理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了“千年科学计划”（Millennium Science Initiative Program）——代码ICN2019_015（沿海社会生态千年研究所，SECOS）的财政支持。奥黛特·A·维尔加拉（Odette A. Vergara）、法比安·J·塔皮亚（Fabián J. Tapia）、塞尔吉奥·A·纳瓦雷特（Sergio A. Navarrete）和冈萨洛·S·萨尔迪亚斯（Gonzalo S. Saldías）部分得到了COPAS Coastal ANID的资助。塞尔吉奥·A·纳瓦雷特（Sergio A. Navarrete）还得到了“千年科学计划”（Millennium Science Initiative Program）的资助，项目编号ICM NCN19 056（温带中层光合作用礁生态系统的生态与保护核心项目）。