渤海环流对近岸海域无机氮分布特征的影响

刘喜惠，刘 方，丁 页，李 曌，李翔宇，卢勇夺

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.国家海洋环境预报中心，北京 100081 3.大连市环境监测中心，辽宁 大连 116023

海洋环流动力状况是海洋中物理、化学和生物等过程发生的背景和载体，海洋中物质的分布和迁移、动量和能量的传递皆取决于海洋环流长期持续的输运过程，同时海水中理化要素的变化以及沉积元素的运移在很大程度上也受制于流场的分布及其消长变化[1-3]。污染物进入水体中，通常经历3种净化过程，即物理、化学和生物过程，其中物理过程是最基本的，主要是指污染物在水域中的混合与输运过程，包括时均流动引起的污染物的输移以及紊动引起的污染物紊动扩散[4]。多年来人们针对海洋物理过程(如潮流、风暴潮等)作用下污染物的输移扩散及海域环境容量进行大量数值模拟研究，分析了在潮流、风暴潮等物理过程下，海域的水交换能力及其对各污染源的响应关系，并计算得到排污布局和最大排放量[5-20]，笔者基于监测数据和数值模拟结果，分析渤海环流对无机氮分布特征的影响。渤海作为中国唯一的内海，三面环陆，仅通过渤海海峡与黄海相通，平均水深只有18 m，面积小却承接了十分广阔的流域范围。由于其所处的特殊地理位置，渤海内部水交换和物质输运存在与其他开阔海域鲜明的差异，而环流是影响这种差异的主要因素[21]。

2006—2017年《中国近岸海域环境质量公报》[22]显示，渤海近岸海域水质一、二类点位比例为55.1%～73.4%，污染分布主要集中在辽东湾、渤海湾和黄河口，主要污染因子均有无机氮，氮是污染影响最大的污染物之一。按照无机氮评价渤海的污染范围与按照全项评价的污染范围基本一致，该研究以无机氮作为近岸海域污染分布特征的指示性指标，来分析渤海环流对其近岸海域污染分布特征的影响。

1 数据与处理方法

2017年“全国近岸海域环境监测网”对渤海近岸海域表层国控环境质量点位(图1)进行了春、夏、秋季的无机氮监测，春季监测时间为3—5月，夏季监测时间为7—8月，秋季监测时间为10—11月。该研究所指无机氮是氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的总和，测定方法参见《海洋监测规范》(HY 003.4—1991)，其中氨氮测定采用靛酚蓝分光光度法，亚硝酸盐氮测定采用萘乙二胺分光光度法，硝酸盐氮测定采用镉柱还原比色法，检测设备为美国哈希公司DR6000型双光束紫外可见分光光度计。

图1 渤海近岸海域环境质量监测点位Fig.1 Environmental quality monitoring points in the coastal waters of the Bohai Sea

渤海流场数据是美国海军的混合坐标海洋环流模式HYCOM(Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model)输出的再分析资料[23-25]。研究中使用的是HYCOM模型自身输出的流场逐日数据，水平网格分辨率是1/12°×1/12°，时间尺度为2017年1—12月，垂向深度为表层至20 m。分别取HYCOM模型流场数据的3—5、7—8、10—11月的海流平均值作为春季、夏季、秋季渤海海区平均流场。

图件使用ArcGIS 10.2.2、MATLAB R2014a软件平台绘制。

2 渤海环流概况

渤海环流的基本概念最早是管秉贤等[26-28]基于20世纪50年代全国海洋综合调查的结果确定的，主要依据海流观测，并结合温、盐结构，推断得到了渤海冬、夏季环流的基本流型，之后进行了完善。渤海环流系统主要由外海进入的黄海暖流余脉和渤海沿岸流组成，冬季，黄海暖流余脉通过渤海海峡北部进入渤海，西进至渤海西岸，受海岸阻挡分为南、北2支，北支沿辽东湾西岸北上，与沿岸流相接，而辽东湾的低盐水则沿辽东湾南下，构成了辽东湾的一个顺时针环流，南支进入渤海湾，沿岸南下，通过莱州湾后，由渤海海峡流出渤海，形成一个逆时针的大流环；夏季，环流流型与冬季相近，但黄海暖流在渤海海峡西北口即产生分支，一支同冬季一样西行，一支沿辽东湾东岸北上。

3 结果与讨论

从渤海近岸海域春、夏、秋季表层无机氮空间分布来看，无机氮污染高值区主要集中在辽东湾北部(锦州、盘锦、营口海域)，普兰店湾，秦皇岛近岸海域，渤海湾湾顶(天津、沧州海域)，山东半岛北部(滨州、东营海域)和莱州湾近岸海域，详见图2。

图2 2017年春、夏、秋季渤海近岸海域表层无机氮空间分布Fig.2 Spatial distribution of surface inorganic nitrogen in coastal waters of the Bohai Sea in the spring,summer and autumn of 2017

2017年春季，渤海无机氮含量高值区集中在辽东湾北部(盘锦、营口海域)，并向外部海域扩展。造成上述分布特征的主要原因是在偏北季风作用下，流动自渤海西岸沿近岸北上，在辽东湾湾顶西部海域转向，沿辽东湾东岸南下。

辽东湾湾顶北上流平均流速约为0.40 cm/s，而从湾顶流出的南向流平均流速约为0.30 cm/s，进流流速大于出流流速，导致污染物在辽东湾湾顶东部不易扩散(图3)。盘锦、营口海区有大辽河、辽河、大凌河和小凌河4条入海河流，均有较大的无机氮输入[29-30]，受环流影响，污染物不易扩散，因此在该海域出现一个无机氮含量高值区。

夏季，辽东湾湾顶东部海域平均流速约为0.69 cm/s，西部海域平均流速约为1.21 cm/s(图4)，与春季相比，两者均较大，在盘锦、营口近岸海域的无机氮含量同样存在高值，但与春季相比，污染范围和强度均较小，见图2(b)。

秋季，辽东湾湾顶环流结构与春季大致相同，但整个渤海海区平均流速、渤海西岸流速、辽东湾北部(锦州海域)流速均比春季和夏季大，辽东湾北部(盘锦、营口)近岸海域无机氮的污染范围、强度均比夏季小，见图2(c)和图5。

2017年夏季，在偏南季风作用下，流动自辽东湾东岸北上，在西岸向南流出，污染物随流动自东岸输移至西岸(图4)，与春季和秋季监测结果相比，夏季在辽东湾(锦州)近岸海域出现无机氮含量高值区，见图2(b)。

普兰店湾春、夏、秋均出现高值区(图2)，沿岸注入该湾的有普兰店河、石河等[31]，主要由于湾内流动很小，同时近年来湾内的大面积养殖行为已经破坏了原始岸滩地形地貌，造成海湾纳潮量急剧减少[32]，污染物在湾内难以扩散。

2017年夏季，在秦皇岛、葫芦岛近岸海域2股流动交汇(图4)，其环流结构与春季、秋季不同(在春季和秋季，流动沿岸一路北上进入辽东湾)，造成夏季秦皇岛近岸海域出现无机氮含量高值区,见图2(b)。

2017年春季，渤海湾北部存在一个顺时针流环，湾顶西岸存在一个沿湾顶南下的流动，在沧州近岸海域与鲁北沿岸流交汇(图3)，天津、沧州、滨州近岸海域受蓟运河、永定新河、北塘排污河、海河等影响[6,33]，在渤海湾湾顶南部、山东半岛北部(东营、滨州海域)近海出现无机氮含量的高值区。与春季相比，夏季高值中心随流沿岸迁移，主要集中在渤海湾湾顶，并且无机氮含量等值线均随流向向高值中心扩展，见图2(b)。秋季渤海湾环流结构与春季大致相同，流速大于春季，秋季渤海无机氮含量高值区与春季监测结果基本相同，但污染范围及强度均减小，见图2(c)。

2017年春季，莱州湾内呈现一个从湾西岸流入，湾东岸流出的大流环，湾西岸平均流速约为1.22 cm/s，湾东岸平均流速约为0.74 cm/s，湾内污染物扩散能力差(图3)。黄河是中国北方和西北部最大的河流之一，其流经9个省(区)最终流入莱州湾，是莱州湾陆源输入的主要部分[34-36]，污染随流扩散，致使春季莱州湾无机氮含量均较高。莱州湾位于黄河口东南侧，黄河冲淡水对莱州湾内的环流结构有很大影响[21]，6—9月为黄河雨季，径流大，研究发现夏季和秋季，莱州湾内流向均与春季不同，尤其是在秋季，黄河径流量增加后，黄河口附近海域流动增强，流动在到达莱州湾中部后甚至转而向西，在黄河口附近形成逆时针流环，与寿玮玮等[21]研究结果相一致，流环的出现导致污染物在此聚集，故在夏季和秋季，污染物聚集在莱州湾西部，无机氮含量高值区集中在莱州湾西部近岸海域，见图2(b)和(c)。

图3 2017年春季渤海深度环流分布(左)和深度平均流速大小分布(右)Fig.3 Distribution of vertical averaged circulation (left) and currents (right) of the Bohai Sea in the spring of 2017

图4 2017年夏季渤海深度平均环流(左)和深度平均流速大小(右)Fig.4 Distribution of vertical averaged circulation (left) and currents (right) of the Bohai Sea in the summer of 2017

图5 2017年秋季渤海深度平均环流(左)和深度平均流速大小(右)Fig.5 Distribution of vertical averaged circulation (left) and currents (right) of the Bohai Sea in the autumn of 2017

整体来看，与以往研究人员[37-39]获得的结论基本一致：渤海不同海域的交换能力基本取决于其环流结构，辽东湾东岸、莱州湾东岸能很快地与外海水交换，污染物不容易聚集；在渤海湾，夏季偏南风吹刮，海水向渤海湾西北角聚集，秋季风转向后渤海湾污染物浓度再次降低，辽东湾西部海域水体交换能力弱，导致污染物再次迂回富积。

4 结论

根据2017年渤海近岸海域无机氮监测数据和HYCOM数值模拟结果，分析渤海环流对无机氮污染分布特征的影响，结果表明渤海无机氮的空间分布特征与其环流结构密切相关，具体结论如下：

1)渤海无机氮含量高值主要集中在辽东湾北部(锦州、盘锦、营口)海域，普兰店湾，秦皇岛近岸海域，渤海湾湾顶，山东半岛北部(滨州、东营海域)和莱州湾近岸海域。

2)受渤海环流的影响，在春、夏、秋季，无机氮含量高值区呈现不同的强度和范围。在辽东湾，与春季相比，夏季环流结构与春季相反、平均流速大于春季，盘锦、营口近岸海域夏季无机氮污染范围缩小、含量降低，在锦州近岸海域亦出现高值；秋季，辽东湾环流结构与春季大致相同，但整个渤海海区平均流速、渤海西岸平均流速、辽东湾北部(锦州海域)平均流速均比春季和夏季大，盘锦、营口海域无机氮污染物范围和强度比夏季还小。在渤海湾和莱州湾，与春季相比，夏季和秋季无机氮含量高值区范围缩小，无机氮含量等值线均随环流向高值中心扩展。

3)由渤海环流对近岸海域无机氮分布特征的影响分析可以看出，无机氮含量的高值区范围、强度与环流的季节变化密切相关，污染区域处于扩散能力弱的海域；不同季节的高值区位置大致与陆源输入的位置相同，应严格控制这些区域的陆源输入。