拉格朗日路径与北南中国海跨大陆架输运的风调制动力学：以2020年6月为例

《Ocean Modelling》：Lagrangian Pathways and Wind-Modulated Dynamics of Cross-Shelf Transport in the Northern South China Sea: A Case Study of June 2020

　　胡鹏鹏|张光|胡栓|梁少飞|张恒|龚文平
中山大学海洋科学学院，中国珠海519082

**摘要**
中国南海北部（NSCS）的跨架运输在养分交换和碳循环中起着关键作用，但其拉格朗日路径和对风强迫的动态响应仍不够清楚。本研究采用高分辨率的ROMS水动力模型结合拉格朗日粒子追踪框架，定量研究了2020年6月夏季季风期间释放的表层粒子的跨架运输过程。模拟结果显示运输模式存在明显的空间异质性：虽然内架主要受沿岸流限制，但东部架的开阔地形成为重要的外海“泄漏”通道；中架和外架的跨架交换非常活跃，主要由西部中尺度气旋涡旋的卷吸作用驱动，形成将水输送到1000米等深线以外的丝状结构。尽管增强的西南风预计会增强外海艾克曼输运，但我们的研究表明，它们通过调节沿岸压力梯度同时抑制了涡旋介导的出输。动量平衡分析揭示了其中的机制：强沿岸风在东北架引起水体积聚，抬高海平面并产生向西南（下游）的压力梯度，这种下游力破坏了西部涡旋捕获粒子所需的准地转平衡，导致尽管风强迫增强，但跨架粒子出输量却减少。因此，在强风条件下，粒子沿岸迅速传输；而弱风则有利于形成向东北（上游）的压力梯度，提高涡旋捕获效率。本研究阐明了季风强度、架地形和中尺度涡旋之间的复杂相互作用，为边缘海域中的污染物停留时间和生物地球化学通量提供了重要见解。

**引言**
从海岸到架坡顶（大约200米等深线）的区域被称为大陆架（Combes等，2021；Gan等，2009；Hu等，2026）。跨架运输指水团和水载体物质在海岸与架之间，以及架与深海之间的交换（Brink，2016）。在海岸和架系统中，高能量的沿岸流通常在超过一天的时间尺度上主导流场（Allen，1980；Huthnance，1995）。受风强迫和显著地形变化等因素影响的大尺度环流无法严格遵循等深线，从而产生跨架流动（Allen和Durrieu de Madron，2009）。由于地球旋转的约束，跨等深流相比沿等深流相对较弱。然而，示踪剂（如温度和盐度）在跨架方向上表现出明显梯度，使得跨架运输对架系统的物理和生物动力学具有重要影响（Brink，2016；Hu等，2026）。架与斜坡之间的水团交换（跨架交换）结合垂直传输，对水团更新、海洋施肥和碳循环至关重要（Brink，2016）。

中国南海北部（NSCS）拥有广阔的大陆架，通过台湾海峡和吕宋海峡分别与南海和东中国海及西北太平洋相连（图1a）。受季风、架地形、黑潮侵入和中尺度涡旋的影响，NSCS具有复杂的动态结构和环流模式（Shu等，2018；Song等，2024；Wang等，2020；Zu等，2019）。一般认为NSCS架上的沿岸流具有季节性变化，在夏季向东北方向流动，在冬季向西南方向流动，主要受季风驱动（Shu等，2018；Wang，2022；Yang等，2002）。在大陆坡（200–1000米等深线）上，存在持续的向西南方向的坡流，受南海季风和黑潮侵入的共同作用（Jilan，2004；Shu等，2018）。在风驱动的沿岸流系统中，架地形的沿岸变化主要限制了沿岸流的方向，并非地转地调节了跨架运输的强度（Gan和Allen，2002）。夏季西南季风期间，外海艾克曼输运将表层水带走，将较冷、富含养分的底层水带到表面（Chen等，2025）。相反，冬季东北季风驱动表层水向架方向流动，外海输运发生在底部艾克曼层。为了保持连续性，夏季会发生沿岸上升流，特别是在广东东部尤为明显（Liu等，2010）。除了风强迫外，NSCS架上的局部地形效应还会增强底部摩擦并调节沿岸压力梯度。例如，广东东部的开阔架可以加强等深线汇聚区域上的平流，导致底部摩擦增强和局部沿岸流增强（Gan等，2009）。

NSCS斜坡经常被中尺度涡旋占据，涡旋诱导的跨架流是开放海洋与架之间交换的关键机制（Chen等，2012；Su等，2020；Wang等，2018；Yang等，2019）。中尺度涡旋可以从不同方向接近架，并根据其相对于斜坡的位置和旋转方向产生额外的跨等深流速（Brink，2016）。涡旋可以卷吸架水，促进物质向深海的输出（Everett等，2015；Macdonald等，2016），或将深海水上升到架（Malan等，2018；Thévenin等，2019）。此外，中尺度涡旋可以形成偶极结构，产生更强的向岸流，将海底咸水带入中架区域（Malan等，2020）。Wang等（2018）通过东沙群岛附近的系泊观测证实，涡旋的水平和垂直结构不对称性会导致净跨架运输。

虽然NSCS架内的流动模式和主要驱动机制（如风、地形和河流排放）相对清楚，但大多数先前的研究都集中在欧拉框架内的固定点的流场和运输特性上。仍有一些关键问题尚未解决，例如架内水团的具体运动特性和轨迹、架水输出机制以及这种运输的区域变化。尽管拉格朗日输运模式在开放海洋流中已被广泛用于理解海洋系统的复杂性（Mao等，2024；Ohlmann和Mitarai，2010；Veatch等，2025），但关于NSCS跨架粒子运输的拉格朗日研究相对较少。在本研究中，我们使用ROMS模型再现了NSCS的夏季流场，并应用拉格朗日粒子追踪技术来研究不同架区的粒子轨迹。NSCS架区根据经典架分类方法（Combes等，2021）划分为内架（海岸到50米）、中架（50到100米）和外架（100到200米）。此外，还进行了多次风诊断实验以探讨风强迫的影响。

**论文结构**
第2节描述了海洋模型的构建和拉格朗日粒子模型的配置；第3节展示了控制模拟和诊断实验中不同架区的拉格朗日粒子分布和轨迹；第4节讨论了不同架区间风强迫的动力学及其影响；第5节给出了本研究的结论。

**模型配置**
使用区域海洋建模系统（ROMS，Shchepetkin和McWilliams，2005）建立了高分辨率的三维水动力数值模型。模型网格包含622×562个正交单元，覆盖了从海南岛到福建省南部的沿海区域，并从广东省海岸延伸到菲律宾北部（图1）。以下将NSCS的东北部/西南部分别视为上游/下游区域。

**叶绿素-a和瞬时粒子位置的比较**
2020年6月的HYCOM流场（图1b）显示，架上的表层沿岸流主要向东北方向流动。一个显著的气旋涡旋位于架的下游侧，其北部边缘位于200–1000米等深线附近。在该涡旋上游，形成了一个较小的气旋涡旋，局限于200–1000米等深线内（图1b）。然而，由于其速度较弱，因此不是本分析的主要关注点。

**不同架区间的粒子拉格朗日动力学**
为了进一步研究不同架区间粒子输出的拉格朗日动力学，我们使用沿岸动量方程（x方向，正负值分别代表上游和下游）进行了动态分析（图1a）：
$$
\frac{\partial u}{\partial t} = -\frac{1}{\rho}\frac{\partial P}{\partial x} + f_v \cdot \vec{C} - \left(\frac{\partial u}{\partial x} + v \cdot \frac{\partial u}{\partial y}\right) \cdot \vec{H}_{\text{adv}} - w \cdot \frac{\partial u}{\partial z} \cdot \vec{V}_{\text{adv}} + A\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} \cdot \vec{H}_{\text{visc}} + \frac{\partial}{\partial z}(\frac{\partial A}{\partial u \cdot \partial z}) \cdot \vec{V}_{\text{visc}}
$$
其中u和v分别为沿岸和跨架流速，P为压力，ρ为海水密度。

**结论**
本研究以2020年6月释放的粒子为例，研究了NSCS中架水的传输路径及其背后的动态机制。通过将高分辨率ROMS水动力模型与拉格朗日粒子追踪框架相结合，我们量化了不同架区（内架、中架和外架）的粒子输出效率和命运，并讨论了风强迫的影响和机制。结果揭示了显著的空间差异。

**数据来源**
HYbrid Coordinate Ocean Model的输出数据来自：https://tds.hycom.org/thredds/catalogs/GLBy0.08/expt_93.0.html。表面强迫和热通量数据来自ERA-Interim再分析产品，网址为https://doi.org/10.24381/cds.adbb2d47。潮汐成分数据来自TPXO10，网址为https://www.tpxo.net/。AVISO海平面异常数据（https://doi.org/10.48670/moi-00148）来自Copernicus海洋环境监测服务，网址为//marine.copernicus.eu/

**作者声明**
胡鹏鹏：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、软件、方法论、形式分析、数据管理、概念化。
张光：撰写——审阅与编辑、资金筹集。
胡栓：撰写——审阅与编辑。
梁少飞：撰写——审阅与编辑。
张恒：撰写——审阅与编辑。
龚文平：撰写——审阅与编辑、资金筹集。

**未引用参考文献**
Hu, 2026
CRedI

**作者贡献声明**
胡鹏鹏：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查研究、形式分析、数据管理、概念化。
张光：撰写——审阅与编辑。
胡栓：撰写——审阅与编辑。
梁少飞：撰写——审阅与编辑。
张恒：撰写——审阅与编辑。
龚文平：撰写——审阅与编辑、资金筹集、形式分析、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究由中国国家自然科学基金（项目编号42276169和42306015）和中国博士后科学基金（项目编号2023M743988）资助。龚文平得到南方海洋科学与工程广东省实验室（Zhuhai）（SML2023SP238）的支持。