盧 錫 胡石建, 4 王 凡, 4 胡敦欣, 4 劉海龍 刁新源, 4 于仁成, 4

基于漂流浮標觀測分析日本福島以東表層海洋物質的散播軌跡*

盧 錫1, 2, 3胡石建1, 2, 3, 4①王 凡1, 2, 3, 4胡敦欣1, 2, 3, 4劉海龍5, 3刁新源1, 2, 3, 4于仁成1, 2, 3, 4

(1.中國科學院海洋研究所 海洋環(huán)流與波動重點實驗室 山東青島 266071; 2. 中國科學院海洋大科學研究中心 山東青島 266071; 3. 中國科學院大學 北京 100049; 4. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 山東青島 266237; 5. 中國科學院大氣物理研究所 大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室 北京 100029)

認識海洋中的物質如何散播對于理解海洋環(huán)境變化和人類活動污染在海洋中的擴散過程具有非常重要的意義。利用歷史海表漂流浮標觀測數(shù)據(jù), 對日本福島以東海域的表層物質散播軌跡進行了拉格朗日示蹤分析和觀測模擬試驗研究。結果發(fā)現(xiàn), 福島以東海域海表浮標的散播路徑主要分為東、南兩支, 其中速度較快的東支為主要通道, 沿黑潮延伸體匯入北太平洋流, 最短用時大約22個月即可到達北美西海岸; 南支則沿黑潮延伸體以南的大范圍南向流向西南方向運移, 速度較慢且明顯受渦旋活動影響, 最快大約5個月即可到達呂宋海峽和中國臺灣以東海域, 進而進入南海和東海等中國近海海域。通過開展觀測模擬試驗, 發(fā)現(xiàn)海表浮標散播的概率密度分布呈現(xiàn)以福島附近海域為核心、向西南和正東方向遞減擴展的形態(tài), 其中, 到達中國近海的浮標主要通過呂宋海峽進入。文章詳細討論了研究結果的局限性、不足之處, 以及因基于大量現(xiàn)場觀測而具備的重要參考價值。

福島; 核污染; 西太平洋; 擴散軌跡; 漂流浮標

海洋中的水團和物質在海洋環(huán)流等海洋動力過程的作用下時刻發(fā)生著運移、擴散和循環(huán), 塑造著海洋環(huán)境, 人類活動輸入到海洋中的各類物質也在復雜的海洋動力和生物地球化學過程調整下發(fā)生著擴散和演變。因此, 研究物質在海洋動力過程調整下如何進行散播和擴散對于理解海洋環(huán)境變化和人類活動產生的污染物在海洋中的擴散過程具有非常重要的意義。

2011年3月11日, 日本東北部太平洋海域發(fā)生的強烈地震引發(fā)巨大海嘯, 導致日本福島第一核電站(Fukushima DAIICHI nuclear power plant, FDNPP)發(fā)生核泄漏。該事故是人類歷史上最嚴重的核泄漏事故之一, 不僅對日本造成嚴重的經濟損失和人員傷亡(Buesseler, 2011)、威脅周邊國家的國民健康和生態(tài)環(huán)境(Fukuda, 2017), 也引發(fā)了全球性的大氣和海洋污染(Aoyama, 2016)。研究表明該事故對海底沉積物的污染將持續(xù)數(shù)十年(Buesseler, 2014), 并將通過底棲魚類的生物富集持續(xù)威脅周邊國家的食物安全(Maderich, 2014)。此外, 受福島附近早春盛行的強西風影響, 釋放到大氣的核物質往東擴散和沉積(Morino, 2011), 其中70%～80%擴散并沉積于西北太平洋(Yoshida, 2012), 約18%沉積在日本島, 1.9%沉積在其他陸地(Stohl, 2012)。

事故發(fā)生后, 受損的核電站產生了嚴峻的進一步核污染問題。由于事故產生的大量核廢水所含放射性物質成分極其復雜, 難以對其進行循環(huán)利用, 因而目前主要存于儲水罐中(李小龍等, 2016), 到2021年4月15日已存核廢水120.1577萬t, 且每天新增核廢水近110 t。2021年4月13日, 日本政府正式決定將福島第一核電站的核廢水排入海洋, 這導致西北太平洋可能將長期面臨核廢水輸入和嚴重污染的威脅。放射性核素從福島以東海域排放后在海洋中如何擴散, 成為國際社會廣泛關注和迫切需要解決的重大問題之一(Chen, 2021; Zhao, 2021)。

物質在海洋中的擴散過程受到復雜的海洋動力過程調控, 其中海流引起的平流和擴散是最主要的海洋動力過程之一。福島以東海域是世界上最強的洋流之一——黑潮及其延伸體所在海域, 其表層流速可達1.2 m/s, 流核位于100 m以淺(圖1)。黑潮經其延伸體匯入北太平洋流后, 經加利福尼亞流等進入北赤道流, 北赤道流西行回到西太平洋后分叉形成黑潮和棉蘭老流等西邊界流, 對西太平洋和東亞、東南亞國家沿岸產生影響(圖1, Hu, 2015, 2016)。2011年核事故產生的核污水在黑潮及其下游海流的平流作用下傳播到中太平洋, 進而散布到整個太平洋海盆(Kawamura, 2011; Aoyama, 2013a)。

圖1 北太平洋海盆流場分布(a)以及福島核電站附近洋流以及生命周期達到12個月的浮標軌跡起點位置分布(b)

注: 顏色和箭頭表示LICOM (LASG/IAP climate ocean model)數(shù)值模式輸出的50 m以淺氣候態(tài)平均速度, 對速度不低于0.05 m/s的流場區(qū)域, 使用黑色矢量圖顯示, 不足0.05 m/s的流場區(qū)域, 則使用藍色矢量圖顯示; b中五角星表示福島第一核電站位置, 黑色方框為所選浮標軌跡起點采樣區(qū)域, 三角形表示生命周期達到12個月的浮標起點位置, 虛線分割區(qū)域為基于漂流浮標觀測數(shù)據(jù)展開的連續(xù)排放模擬試驗取樣區(qū)域

針對2011年福島核事故產生的放射性核素對海洋的影響, 前人通過數(shù)值模擬(Behrens, 2012; Smith, 2017; Rong, 2018)和船舶走航水體采樣數(shù)據(jù)分析(Leon, 2011; Aoyama, 2013b; Kaeriyama, 2013; Deng, 2020)等方法研究了放射性核素的傳播路徑、覆蓋范圍和傳播機制。部分研究還通過布放漂流浮標對福島放射性核素的早期傳播進行了分析(Buesseler, 2012; Rypina, 2013)。前人研究表明, 2011年福島核事故產生的放射性核素在海洋中的傳播過程主要有3個階段:

第1階段, 事故發(fā)生后, 放射性核素沿福島海岸的微弱南向流匯入黑潮, 隨后沿黑潮及其延伸體往東輸送, 黑潮成為該階段核素傳播的南部邊界(Kawamura, 2011), 該過程大約需要7～9個月。在這個過程中, 由于渦旋的存在, 一方面形成局地高濃度放射性核素區(qū)(Buesseler, 2012; Rypina,2013); 另一方面也增強放射性核素的垂向傳播(Budyansky, 2015; Garraffo, 2016), 促進放射性核素隨副熱帶模態(tài)水的潛沉(Chen, 2021)。

第2階段, 放射性核素傳播到中太平洋以后, 一方面沿北太平洋流繼續(xù)往東傳播, 但是速度明顯下降(Aoyama, 2013b, 2015; 劉廣山, 2015); 另一方面通過副熱帶模態(tài)水的形成和潛沉向南遷移(Kumamoto, 2014; Budyansky, 2015; Garraffo, 2016; 許麗曉等, 2021), 同時還存在沿北太平洋流的向北擴散(Kaeriyama, 2013), 該過程大約在事故發(fā)生后1～3 a完成。

第3階段, 放射性核素隨北太平洋流傳播到北美西岸(Leon, 2011; Behrens, 2012; Zhao,2015), 進而通過太平洋海洋環(huán)流系統(tǒng)散播到整個北太平洋海盆(Behrens, 2012; Povinec, 2013), 該過程大約在事故發(fā)生后3～6 a完成。最終, 這些放射性核素將隨海洋環(huán)流系統(tǒng)傳播到印度洋和大西洋(Nakano, 2012; Rossi, 2013)。

2011年福島核事故對中國近海也具有顯著影響。事故發(fā)生后, 2012年冬季在中國南海、臺灣海峽等海域觀測到來自2011年福島核事故的放射性核素(Deng, 2020; 林武輝等, 2020); Aoyama等(2013b)通過船舶走航水體采樣, 發(fā)現(xiàn)2011年福島核事故產生的放射性核素到2013年已經傳播到中國海域; 到2015年已經遍布中國海域(趙云霞等, 2017)。這些研究表明, 部分放射性核素可以穿越黑潮阻礙, 到達中國近海, 但是福島核污水影響中國近海的具體路徑和擴散過程卻尚不清楚。

Chen等(2021)指出, 現(xiàn)存的120多萬t核廢水排入海洋之后可能存在3條路徑: 受渦旋、黑潮南部再循環(huán)和湍流擴散過程影響而從福島周邊海域向西進入中國東海的路徑1; 隨黑潮向東并在副熱帶中東太平洋潛沉后進入呂宋海峽的路徑2; 沿副熱帶環(huán)流圈到達北美西岸后, 隨北赤道流到達西邊界, 重新循環(huán)的路徑3。Chen等(2021)提出的3條路徑與2011年福島核事故產生的核素傳播過程吻合, 也與林武輝等(2021)指出的受多尺度海洋水文動力過程影響的“被動”遷移路徑和Zhao等(2021)通過數(shù)值模擬得到的放射性核素傳播通道一致。除了海洋動力過程導致的污染物質擴散以外, 生物載體驅動的“主動”遷移過程也具有重要作用, 且響應更快、可能對人類健康產生更大影響(林武輝等, 2021)。

前人開展的大量研究對于理解2011年福島核事故泄漏的放射性核素擴散過程、探究未來福島以東污染物質如何散播具有非常重要的意義, 但也還存在一些缺陷和不足之處。船舶走航水體采樣數(shù)據(jù)站位較少, 難以準確刻畫核素傳播路徑。數(shù)值模擬方面, 現(xiàn)有數(shù)值模式的模擬能力還有限, 模式模擬的海洋流場與實際觀測之間存在顯著差異, 對放射性核素擴散過程的模擬結果和實際觀測之間存在明顯不同(Periáeez, 2015)。以傳播到北美西岸的時間為例, 不同數(shù)值模擬試驗的結果差別很大, 廣泛分布于3～6 a范圍內(Behrens, 2012; Nakano, 2012; Rossi, 2013; Zhao, 2015, 2021), 但是僅在事故發(fā)生后2 a多, 就已經在加拿大附近海域觀測到了來自福島核電站的放射性核素(Smith, 2015)。此外, 數(shù)值模擬試驗初始場設置對大氣沉積的設定也可能影響分析結果(Tsumune, 2012)。因此, 從更多的觀測數(shù)據(jù)中尋找放射性核素散播路徑的證據(jù)具有很重要的意義。

為此, 文章將使用過去數(shù)10 a以來獲取的海表漂流浮標觀測數(shù)據(jù)進行軌跡示蹤分析, 并開展基于觀測的模擬試驗, 以研究福島以東海域表層海洋物質的傳播路徑和擴散過程。本文的第一部分將介紹所使用的數(shù)據(jù)和研究方法, 第二部分將重點介紹主要的研究結果, 第三部分討論研究結果的局限性和主要影響因素, 最后在第四部分總結主要結論和意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 觀測數(shù)據(jù)及其處理

本文采用的主要數(shù)據(jù)是全球漂流浮標項目漂流浮標集(Global Drifter Program drifting buoy collection)。該數(shù)據(jù)集包括自1979年2月14日至2020年9月2日布放的所有漂流浮標的全球漂流浮標項目編號(identification, ID)、世界氣象組織浮標識別編號(World Meteorological Organization, WMO)、浮標布放和回收的日期、位置, 以及浮標軌跡時間序列。該數(shù)據(jù)集對海表浮標觀測進行了質量控制和6 h插值等處理(Centurioni, 2019), 浮標經緯坐標值平均誤差小于0.01°, 能夠比較準確地展示真實的表層海流?？紤]到核廢水的污染物質可能主要在表層快速擴散(Macdonald, 2020), 使用海表漂流浮標數(shù)據(jù)開展軌跡示蹤分析具有合理性。

參考前人研究, 結合福島核電站的位置(38.3°N, 142.4°E)及其附近海陸分布和洋流情況, 選取所有流經福島以東海域(140°～150°E, 30°～45°N, 圖1黑色方框)的海表漂流浮標作為分析對象。其中, 初始布放坐標位于所選區(qū)域內的浮標, 以該坐標作為其軌跡起點; 初始布放坐標位于該區(qū)域以外的浮標, 則以其進入該區(qū)域后的第一個坐標作為其軌跡起點。由于實際布放過程中存在對同一浮標的多次布放, 本文將存在多次布放的浮標的每一段軌跡視作獨立的時間序列, 并分別確定其軌跡起點?？紤]到周邊海域表層海流流速情況, 將6 h內浮標軌跡變化超過1°的時刻視為突變點(即6 h內平均速度超過約5 m/s), 僅保留突變點之前的軌跡時間序列, 并將突變后的浮標軌跡視作在突變點的一次重新布放。

統(tǒng)計結果顯示, 軌跡起點位于福島以東海域的可用浮標共計692個(表1), 包括直接布放于該海域的219個浮標和從其他海域進入的473個浮標。這692個浮標布放于1989～2020年間, 最長生命周期超過10 a, 其中生命周期大于12個月的浮標有309個(由于數(shù)據(jù)集截止到2020年9月, 因而2020年布放的浮標生命周期均尚未超過12個月)。

表1 軌跡起點位于福島以東海域(140°～150°E, 30°～45°N)的不同生命周期漂流浮標數(shù), 以及進入呂宋海峽和中國臺灣以東海域(120°～125°E, 12°～30°N)、北美西海岸海域(120°～130°W, 25°～50°N)的時間和數(shù)量

Tab.1 Numbers of drifting buoys with different durations launched from the region of eastern Fukushima (140°～150°E, 30°～45°N) and reached the region of Luzon Strait and eastern Taiwan (120°～125°E, 12°～30°N) and the western coast of North America (120°～130°W, 25°～50°N)

注: 首次有浮標進入兩海域的月份用加粗帶下劃線標出, 生命周期月份統(tǒng)計為向上取整

此外, 為討論流場的重要作用, 使用基于Argo浮標觀測的格點化溫鹽數(shù)據(jù)產品RG Argo Climatology(Roemmich-Gilson Argo Climatology) (Roemmich,2009)計算了參考深度為2 000 m的地轉流速度(Hu, 2021), 以及LICOM3 (LASG/IAP climate ocean model, version 3)輸出了上層50 m氣候態(tài)平均流場。RG Argo數(shù)據(jù)集使用加權最小二乘法擬合了2004～2020年的Argo浮標觀測數(shù)據(jù)廓線, 其水平分辨率為1°×1°, 垂直方向2 000 m分58層。LICOM3數(shù)值模式較好地再現(xiàn)了海洋環(huán)流和溫鹽的變化, 其水平分辨率為0.1°×0.1°, 上層50 m分10層。

1.2 觀測模擬試驗

為模擬福島以東海域表層海洋物質在不斷排入的情況下的擴散過程, 基于漂流浮標觀測數(shù)據(jù)設計開展了一系列連續(xù)排放的模擬試驗。

生命周期達6、12、18和24個月的浮標數(shù)分別為478、309、214和157個。為模擬福島附近海表物質的連續(xù)輸入, 對生命周期達到特定月數(shù)(6、12、18和24個月)的浮標分別進行隨機取樣, 取樣次數(shù)為相應月數(shù)。每次隨機抽取的浮標, 視為1次在軌跡起點的重新布放, 將自抽取月份從軌跡起點開始運動, 完成所有取樣后1個月所有浮標停止運動。由于大量浮標軌跡起點(359個)集中在采樣海域西側邊界的黑潮流入區(qū)域(圖1), 每月重新布放的浮標, 按照1︰24的比例(浮標軌跡起點散布于福島以東海域的25個網格內)選取, 即選取其他24個網格內浮標總數(shù)的90%, 并將該數(shù)量的1/24作為在西側邊界浮標起點密集區(qū)域的浮標選取數(shù)。

對某一個1°×1°的網格, 浮標流經其位置的概率密度(單位: %)定義為

其中,為試驗中流經該網格點的總浮標數(shù),為試驗中選取的總浮標數(shù)。

2 結果

2.1 福島以東表層海洋物質在太平洋的散播軌跡

圖2展示了浮標從日本福島以東海域開始運動后的散播軌跡。結果顯示, 浮標的散播軌跡大致可分為向東和向南散播的兩個分支: 大部分浮標(超過70%)沿黑潮及其延伸體往東傳播, 以下稱為東支; 少部分浮標往西南運動, 比東向傳播的浮標速度慢, 以下稱為南支。東支浮標主要沿Chen等(2021)提出的路徑2、路徑3運動, 南支浮標則主要沿路徑1運動。浮標軌跡散播方向和范圍與Zhao等(2021)對3H濃度數(shù)值模擬的結果較為一致, 但是浮標軌跡數(shù)據(jù)顯示的散播速度明顯比模擬的傳播速度更快。

為保證充足的漂流浮標觀測數(shù)據(jù), 所選692個浮標軌跡起點所在福島以東海域范圍(140°～150°E, 30°～45°N)大于前人研究中選取的范圍(140°～145°E, 35°～39°S) (Buesseler, 2012; Rypina, 2013)。但是數(shù)值模擬(Behrens, 2012)和船舶走航水體采樣數(shù)據(jù)分析(Aoyama, 2013b)結果均顯示, 2011年福島核事故產生的放射性核素僅需不足1個月即可遍布所選采樣區(qū)域, 圖2b中浮標開始運動1個月后的軌跡也已遍布采樣海域。

在前人研究中, 黑潮及其延伸體被看作核素傳播第1階段(約7～9個月)的南邊界(Kameník, 2013; Garraffo, 2016), 但是浮標在福島以東海域開始運動5個月后, 即可到達呂宋海峽和中國臺灣以東海域(圖2c), 這比數(shù)值模擬的結果更快(Behrens, 2012); 而東支浮標軌跡則明顯脫離黑潮延伸體, 越過日界線、進入廣闊而流速較為緩慢的北太平洋流。Aoyama等2013年在日界線附近海域采樣觀測到源于2011年福島核事故的核素(Aoyama, 2013b), 但圖2c表明這可能并不是首批到達日界線的核素。

從日本福島以東海域開始漂移大約11個月后, 大量浮標抵達呂宋海峽和中國臺灣以東海域(圖2d), 值得注意的是, 此時已有1個浮標進入南海并最終抵達我國福建沿海。分析表明, 該浮標生命周期不足11個月, 從福島以東海域出發(fā)9個月后進入呂宋海峽, 從呂宋海峽到達福建沿海僅用了69 d。浮標從福島以東海域出發(fā)后11個月到3 a期間, 呂宋海峽和中國臺灣以東海域均存在比較密集的浮標軌跡, 且持續(xù)有浮標到達中國近海(圖2d～2f)。

東支路徑上的浮標軌跡抵達日界線后進一步往東延伸, 但是其北部范圍無明顯擴張。浮標從福島以東海域出發(fā)后最快21個月即可到達加拿大西海岸, 這早于Smith等(2015)的研究結果(大約27個月); 22個月后, 已有多個浮標進入美國西岸海域(圖2e); 33個月后的浮標運動軌跡已經遍布整個北美西岸(圖2f)。在較早到達美國西岸海域的5個浮標中(截止時間為24個月), 有2個位于采樣海域西側邊界黑潮流入區(qū)域, 3個位于黑潮延伸體以北。

總體上看, 福島以東海域的浮標在開始運動大約3 a后, 其軌跡已廣泛散布于北太平洋海盆, 這要比Zhao等(2021)數(shù)值模擬的3H傳播結果更快。其中, 東支浮標在到達北美西海岸后, 一部分沿加利福尼亞流往南進入北赤道流, 進而向太平洋西邊界海域運移; 另一部分則往北沿阿拉斯加流進入北太平洋副極地環(huán)流。進入北赤道流的浮標鮮有直接跨越北赤道流南邊界, 大多數(shù)隨北赤道流回到太平洋西邊界海域, 這與Chen等(2021)提出的路徑3一致。3 a后的浮標運動軌跡(圖2f)分布范圍已經無明顯變化。但是, 由于生命周期達到3、4和5 a的浮標數(shù)從73銳減到15和3 (表1), 無法對更長時間的散播軌跡進行進一步的分析。

2.2 概率密度分布

為研究福島以東海域表層海洋物質在不斷輸入情況下的密度分布, 基于浮標觀測數(shù)據(jù)開展了一系列連續(xù)排放的模擬試驗。圖3表明, 連續(xù)排放觀測模擬試驗得到的概率密度分布與浮標散播軌跡的總體形態(tài)一致。不同截止時間的概率密度分布相互吻合, 整體模態(tài)為以福島以東海域為核心、往正東和西南方向延伸和衰減, 這與Zhao等(2021)模擬的海表3H濃度傳播模態(tài)一致, 也與Chen等(2021)提出的傳播路徑一致。

圖2 692個浮標的軌跡起點(a)和從福島以東海域開始運動的生命周期超過1個月(b)、5個月(c)、11個月(d)、22個月(e)、33個月(f)的浮標的運動軌跡

注: 黑色方框為福島以東浮標起點采樣區(qū)域; 黃色三角形和玫紅色圓形分別代表浮標軌跡的起點和終點, 到達中國近海的浮標軌跡已經用黃色加粗; 紅色曲線表示浮標運動軌跡; b～f中的浮標數(shù)分別為692、511、325、151和89

南支浮標概率密度表現(xiàn)為呂宋海峽和中國臺灣以東海域持續(xù)增加, 該海域截止時間為6個月的試驗的概率密度為0.1% (圖3a), 而截止時間為24個月的試驗的概率密度為2%。東支浮標概率密度表現(xiàn)為持續(xù)地向東擴散, 截止時間為24個月的觀測模擬試驗(圖3d)結果顯示, 北美沿岸已經有概率密度信號, 早于Zhao等(2021)模擬的結果。

值得注意的是, 截止時間為12個月的試驗結果顯示, 南海有概率密度信號(圖3b), 但截止時間為24個月的試驗結果顯示, 南海沒有概率密度信號(圖3d), 這是由于進入南海的浮標生命周期均未達到24個月, 因而未能體現(xiàn)在圖3d (截止生命周期為24個月)中, 但這并不代表布放后24個月內沒有浮標進入南海。

1.池塘準備 3月初，池塘施用75kg/畝生石灰進行干法清塘，3天后排干池水曬塘。放苗前10天左右，池塘水位加至10cm，以4～5m的行距、2～3m的株距種植輪葉黑藻。種植一周后提高水位至50cm左右，根據(jù)池塘肥力，放苗前7天左右使用一次生物肥，培育生物餌料。池塘進水用100目長筒狀篩絹網過濾，防止敵害進入。前期保持較低水位，有利于輪葉黑藻生長和水體升溫。

2.3 東支路徑分析

軌跡起點位于福島以東海域且最終到達北美西岸海域的浮標共有27個(表1, 布放于1993～2016年), 其中最短用時22個月, 最長用時63個月, 這意味著物質在進入福島以東表層海洋后, 將在2～5 a內持續(xù)往北美輸送。這27個浮標的軌跡起點主要位于黑潮及其延伸體范圍內(圖4a), 黑潮延伸體以南的197個浮標中有19個生命周期超過22個月, 但這19個浮標均沒有流經北美西岸。較早到達美國西岸海域的5個浮標中(截止時間為24個月), 有2個源于采樣海域西側邊界黑潮流入區(qū)域, 3個源于黑潮延伸體以北。在軌跡起點位于黑潮流入區(qū)域且生命周期超過22個月的67個浮標中, 有12個流經美國西岸海域(最快23個月, 最慢63個月); 在軌跡起點位于黑潮延伸體以北且生命周期超過22個月的65個浮標中, 有15個流經北美西岸海域(最快22個月, 最慢41個月)。北太平洋流在東太平洋海域分叉并形成向北的阿拉斯加流和向南的加利福尼亞流(Cheng, 2014), 部分浮標隨阿拉斯加流往北運移, 但是這部分浮標隨后并沒有完全匯入阿拉斯加流, 一部分在近岸處向南轉向, 最終沿加利福尼亞流進入北赤道流, 最終僅有少量浮標進入阿拉斯加流。

為探究北太平洋流分叉后浮標的再分配過程, 專門針對北太平洋流分叉區(qū)域(145°～155°W, 30°～48°N, 圖4b)和北美西岸海域(123°55′～130°W, 30°～50°N, 圖4c)進行了浮標軌跡分析。軌跡起點位于北太平洋流分叉區(qū)域的46個浮標, 只有1個在到達北美西岸后往北匯入阿拉斯加流(圖4b)。軌跡起點位于北美西岸的335個浮標(圖4c), 絕大多數(shù)往南或西南運動, 僅有14個浮標往北運動, 其中1個最終到達阿留申群島。進入阿拉斯加流的浮標, 絕大部分是沿北美西海岸向北而來, 僅有少量直接來自北太平洋流在東太平洋的北分支(圖4c)。東支路徑上的浮標, 大部分到達北美西岸后往南匯入加利福尼亞流, 最終通過北赤道流到達西邊界, 沿副熱帶環(huán)流圈運動(圖4a), 亦即沿Chen等(2021)提出的路徑3運動。

圖3 生命周期達到6個月(a)、12個月(b)、18個月(c)和24個月(d)的漂流浮標分別進行連續(xù)排放觀測模擬試驗的概率密度分布圖

注: 黑色方框為所選浮標布放區(qū)域; a～d的浮標數(shù)分別為478、309、214和139

圖4 進入北美西岸海域(120°～130°W, 25°～50°N)的27個浮標的運動軌跡(a), 起點位于北太平洋流分叉海域(145°～155°W, 30°～48°N, 黑色方框)的46個浮標的運動軌跡(b), 起點位于北美西岸海域(123°55′～130°W, 30°～50°N, 黑色方框)的335個浮標的運動軌跡(c)

注: 黑色方框為所選浮標軌跡起點所在區(qū)域, 黃色三角形和玫紅色圓形分別代表浮標軌跡的起點和終點; 紅色曲線表示浮標運動軌跡

2.4 南支路徑分析

南支路徑上的浮標比東支更早進入中國近海, 因此非常重要。軌跡起點位于福島以東海域并最終進入呂宋海峽和中國臺灣以東海域的19個浮標(均于2002年以后開始運動), 最短用時5個月, 最長用時32個月(表1), 軌跡起點和運動軌跡如圖5a所示。到達呂宋海峽和中國臺灣以東海域后, 這19個浮標的漂移軌跡存在3種路徑(其中4個浮標的生命周期止于呂宋海峽): 往南進入中國南海(4個)、往北經臺灣暖流穿越臺灣海峽進入中國東海(2個)以及通過黑潮流套進出呂宋海峽(9個), 這意味著到達呂宋海峽和中國臺灣以東海域的浮標, 約有40%進入了我國南海和東海。黑潮以東存在強烈的中尺度渦旋活動和顯著的渦致經向輸運(Xu, 2016, 2017), Chen等(2021)也指出黑潮以南的再循環(huán)和渦旋是調控核素往我國近海傳播的重要因素, 南支的浮標在穿越黑潮延伸體前后, 運動路徑很彎曲、復雜(圖5), 因此, 中尺度渦旋活動可能發(fā)揮了非常重要的作用。

為進一步探究浮標進入呂宋海峽后的運動, 重新選取了軌跡起點位于呂宋海峽附近海域(120°～123°E, 18°～23°N)的810個浮標并進行軌跡分析(圖5b)。結果顯示, 源于呂宋海峽附近海域的浮標軌跡遍布我國東南沿海, 往北逼近長江入?？? 往南經卡里馬塔海峽進入印尼海。其中167個浮標進入中國南海和臺灣海峽; 進入東海的20多個浮標, 一部分從南海穿越臺灣海峽直接進入, 另一部分從中國臺灣東北海域脫離黑潮主軸而進入。

圖5 進入呂宋海峽和中國臺灣以東海域(120°～125°E, 18°～30°N)的19個浮標的運動軌跡(a); 起點位于呂宋海峽(120°～123°E, 18°～23°N)的810個浮標的運動軌跡(b); 起點位于中國臺灣東部沿海區(qū)域(122.5°～124°E, 24°～26.5°N)的584個浮標運動軌跡(c)

注: 黑色方框為所選浮標軌跡起點所在區(qū)域, 黃色三角形和玫紅色圓形分別代表浮標軌跡的起點和終點; 紅色曲線表示浮標運動軌跡; a中進入中國近海的浮標軌跡用深黃色標出

為研究浮標進入中國臺灣以東海域后的具體運動軌跡, 對軌跡起點位于中國臺灣東部海域(122°～ 123.5°E, 24°～26.5°N)的584個浮標的軌跡進行分析(圖5c)。源于該海域的浮標運動軌跡主要受黑潮及其延伸體影響, 但值得注意的是, 有一部分可從東海南部繞過中國臺灣島、經臺灣海峽進入南海。

從呂宋海峽開始運動的浮標, 其概率密度分布模態(tài)為以呂宋海峽為核心, 分別沿黑潮和南海貫穿流流向東北-西南方向遞減(圖6)。東北方向沿黑潮及其延伸體運動, 伴隨黑潮延伸體以東的緩慢散播。西南方向主要在南海內部散播, 擴散到中國南海沿岸和越南近岸等海域。僅1個月后, 南海北部有大片概率密度信號(超過10%), 且3、6、12、18、24個月后的浮標概率分布模態(tài)(圖6b～6f)漸趨一致。

圖7展示了浮標從中國臺灣東北海域開始運動1、3、6、12、18和24個月后的概率密度分布。結果顯示, 在開始運動后不同月份, 其概率密度均以黑潮及其延伸體為核心, 并沿黑潮流向衰減(圖7)。黑潮區(qū)域內浮標概率密度可達90%以上, 黑潮以外區(qū)域的浮標概率密度較小——不到10%。浮標開始運動3個月后, 我國南海(1%)、東海(2%)和黃海南部區(qū)域(2%)均有浮標概率密度信號(圖7b)。從圖7中浮標概率密度分布的演變可以看出, 浮標到達中國臺灣東北海域后, 主要有3條路徑: (1)沿黑潮流軸擴散; (2) 隨黑潮以南的再循環(huán)擴散并到達呂宋海峽、進入南海; (3) 跨越東海陸架并沿臺灣海峽擴散到東海和南海。

值得注意的是, 在截止時間超過12個月的試驗中, 從呂宋海峽(圖6d～6f)和中國臺灣以東海域(圖7d～7f)開始運動的浮標概率密度分布主要模態(tài)漸趨穩(wěn)定, 但是在我國近海范圍概率密度逐漸減小甚至消失, 這是因為從兩區(qū)域出發(fā)的浮標, 一旦進入我國近海, 其生命周期會迅速結束, 這就導致大部分浮標生命周期短于截止時間, 因而未能在概率密度分布中體現(xiàn), 但是這并不代表截止時間內沒有浮標進入我國近海。

圖6 軌跡起點位于呂宋海峽附近海域(120°～123°E, 18°～23°N)且生命周期到達1個月(a)、3個月(b)、6個月(c)、12個月(d)、18個月(e)、24個月(f)的漂流浮標分別進行連續(xù)布放模擬試驗的浮標概率密度分布圖

注: 黑色方框為所選浮標軌跡起點所在區(qū)域; a～f中的浮標個數(shù)分別為810、493、232、102、63和44

圖7 軌跡起點位于中國臺灣以東海域(122°～123.5°E, 24°～26.5°N)且生命周期到達1個月(a)、3個月(b)、6個月(c)、12個月(d)、18個月(e)、24個月(f)的漂流浮標分別進行連續(xù)布放模擬試驗的浮標概率密度分布圖

注: 黑色方框為所選浮標軌跡起點所在區(qū)域; a～f中的浮標個數(shù)分別為584、372、219、117、78和51

2.5 流場的作用: 重要個例分析

圖8a展示了進入中國近海的浮標運移軌跡以及2014年7月50 m以淺的平均地轉流場(參考深度2 000 m), 其中深黃色粗線是2014年7月開始運動(35°32′N, 145°38′E)且最終到達呂宋海峽的浮標(記為A)的運動軌跡, 圖8b展示了LICOM數(shù)值模式輸出的福島附近海域50 m以淺氣候態(tài)平均流場。福島以東海域存在明顯的表層南向流(圖8), 且南向速度可達0.4 m/s (圖8b), 成為福島以東海域表層海洋物質穿越黑潮并向西南運移的重要通道。圖8b顯示, 143°～ 145°E處黑潮延伸體向東南彎曲, 在其以南區(qū)域, 盡管海表流速較小, 但是仍有明顯南向流速分量。在這些南向流場的作用下, 福島以東海洋表層的物質可以向西南方向運動, 直抵呂宋海峽和中國臺灣以東海域(圖8a)。

從前述結論可以看出, 最終到達呂宋海峽和中國臺灣以東海域的浮標, 其軌跡起點多位于黑潮延伸體以南, 因此, 難以確定黑潮延伸體內是否存在浮標向南穿越的通道。但是, 浮標A (軌跡起點位于35°32’N, 145°38’E, 布放于2014年7月)的軌跡和海表平均地轉流場(2014年7月, 參考深度2 000 m)分布顯示, 浮標A軌跡起點位于黑潮延伸體范圍內, 并在穿越黑潮延伸體后呈渦旋性運動(圖8a), 最終到達呂宋海峽(2017年2月), 在此之前經歷了31個月的曲折運動。浮標A穿越黑潮后的渦旋性運動, 可能受反氣旋渦對北太平洋副熱帶模態(tài)水的西南向運輸影響(Liu, 2007; Xu, 2017)。由于浮標A的軌跡與最終進入中國近海的6個浮標軌跡存在重疊(圖8a), 福島附近表層海洋物質可以通過類似浮標A的路徑穿越黑潮, 經黑潮及其延伸體以南較弱南向流到達呂宋海峽, 在黑潮(Chen, 2011a)或中尺度渦(Chen, 2011b; 許麗曉等, 2021)等影響下最終進入中國近海, 這表明福島以東海表物質可以直接穿越黑潮延伸體并經南向散播路徑進入中國近海。

圖8 進入中國近海的浮標運移軌跡和基于RG_Argo數(shù)據(jù)計算的2014年7月50 m以淺的平均地轉流速度分布(a)和LICOM數(shù)值模式輸出的福島附近海域50 m以淺氣候態(tài)平均流場(b)

注: a中地轉流計算的參考深度為2 000 m, 黑色方框為所選浮標軌跡起點所在區(qū)域, 黃色三角形和玫紅色圓形分別代表浮標軌跡的起點和終點, 黃色曲線表示浮標A的運動軌跡, 紅色曲線表示進入中國近海的浮標運移軌跡; b中顏色表示氣候態(tài)平均經向流, 向北為正; 速度超過0.05 m/s的流場區(qū)域, 使用黑色矢量圖顯示, 不足0.05 m/s的流場區(qū)域, 使用藍色矢量圖顯示

3 討論

研究結果還存在缺點和不足之處, 以下從流場變化和浮標軌跡起點區(qū)域選擇的影響以及結果的不確定性等方面進行討論。

3.1 流場變化的影響

浮標運動主要由流場驅動, 因此對單個浮標來說, 流場的變化會對該浮標的軌跡產生影響。為討論流場的季節(jié)變化對浮標軌跡的影響, 圖9a～9d展示了福島以東海域生命周期超過12個月的309個浮標在不同季節(jié)開始運動的軌跡。從結果可見, 不同季節(jié)開始運動的浮標軌跡存在顯著的差異(注意, 夏秋季開始運動的浮標比冬春季多), 主要體現(xiàn)在軌跡路徑和終點的具體位置以及少數(shù)遠距離散播的浮標位置。但是, 從浮標軌跡的總體分布來看, 不同季節(jié)的軌跡分布范圍大體一致, 東支和南支路徑在4個季節(jié)均存在。這表明在不同時間釋放粒子, 盡管具體的流程可能有較大差異、對粒子個體的軌跡或有影響, 但對粒子軌跡的統(tǒng)計特征影響不大。

太平洋的年際和年代際變化也很顯著, 比如厄爾尼諾-南方濤動(El Ni?o-Southern Oscillation)和太平洋年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation)都有可能導致太平洋流場的年際和年代際變化(Hu, 2014, 2017, 2020a, 2020b), 不同年份釋放的粒子可能會有不同的散播路徑。為探究流場的低頻變化對浮標軌跡的影響, 我們對比分析了2000～2009年(125個)和2010～2019年(140個)從福島以東海域開始運動且生命周期超過12個月的浮標軌跡(圖9e～9f)。結果類似于不同季節(jié)的粒子釋放情景, 在兩個十年期間開始運動的浮標軌跡范圍和傳播路徑統(tǒng)計特征較為一致。這表明在大量粒子釋放的情況下, 其散播軌跡路徑是具有較高可信度的。

圖9 軌跡起點位于福島以東海域且生命周期超過12個月的浮標分別于春季(3～5月, a)、夏季(6～8月, b)、秋季(9～11月, c)和冬季(12月～次年2月, d), 以及2000～2009年(e)和2010～2019年(f)開始運動的軌跡

注: 黑色方框為所選浮標軌跡起點所在區(qū)域; 黃色三角形和玫紅色圓形分別代表浮標軌跡的起點和終點; 紅色曲線表示浮標運動軌跡; a～f中的浮標數(shù)分別為56、102、93、58、125和140

事實上, 按照日本政府公布的計劃, 核廢水排放過程將會持續(xù)20～30 a, 所選浮標從福島以東海域開始運動的時間也涵蓋了近20多年, 可以認為粒子在散播過程中受到的流場影響可能是隨機分布的, 其統(tǒng)計特征是穩(wěn)定的。盡管北太平洋海洋環(huán)流存在多種時間尺度的變化, 利用所選能夠較好地刻畫核素實際的傳播路徑和范圍, 因此具有一定的參考意義。

3.2 浮標軌跡起點區(qū)域范圍的影響

前人研究中選取的用以探究2011年放射性核素散播路徑的漂流浮標布放范圍為140°～145°E, 35°～39°S區(qū)域(Buesseler, 2012; Rypina, 2013), 由于流經該海域的浮標數(shù)較少(共422個, 其中生命周期超過12個月的浮標184個), 本文參考福島以東海陸分布和流場特征, 并在分析浮標運動軌跡的基礎上, 選擇流經140°～150°E, 30°～45°N區(qū)域的692個浮標(生命周期超過12個月的浮標309個)進行分析。

圖10a展示了軌跡起點位于前人采樣區(qū)域(140°～ 145°E, 35°～39°S)且生命周期超過12個月的184個浮標的運動軌跡, 整體也大致分為向東和向南兩個分支, 在北美西岸和中國近海均有浮標到達, 就統(tǒng)計特征而言, 其整體軌跡分布與源于本文采樣區(qū)域(140°～150°E, 30°～45°N)的浮標比較一致。圖10a中前人采樣區(qū)域內的浮標開始運動后1個月, 其軌跡明顯覆蓋并超出本文浮標采樣海域, 這意味著采樣海域范圍的擴大對浮標軌跡散播速度和范圍影響較小。

軌跡起點位于本文所選海域北部、中部和南部的浮標軌跡如圖10b～10d所示, 從不同海域開始運動的浮標軌跡表現(xiàn)出較大不同, 浮標軌跡的具體路徑以及個別浮標的終點位置有較大差異, 而且從南部海域(190個)出發(fā)的浮標遠多于從北部(66個)、中部海域(53個)出發(fā)的浮標, 這也導致圖10d中的浮標軌跡密集得多。整體來看, 東支路徑在從不同海域出發(fā)的浮標軌跡中均比較明顯, 遍布整個北太平洋海盆。南支路徑在從中部和南部海域出發(fā)的浮標軌跡中比較清晰(圖10c～10d), 但是圖10b中展示的從北部海域出發(fā)的浮標, 僅有1個明顯經黑潮延伸體南部微弱南向流往南傳播, 而且最終沒有到達太平洋西邊界。考慮到北部海域出發(fā)浮標數(shù)較少, 而且到達西邊界的浮標生命周期多數(shù)不足12個月, 北部海域的浮標較難通過南向路徑散播到太平洋西邊界, 較難通過Chen等(2021)提出的路徑1進入我國近海, 但并不意味著路徑1對北部海域完全封閉。

圖10 軌跡起點分別位于福島附近前人采樣海域(140°～145°E, 35°～39°N, a)和本文采樣海域北部(140°～150°E, 40°～45°N, b)、中部(140°～150°E, 35°～40°N, c)和南部(140°～150°E, 30°～45°N, d)且生命周期超過12個月的浮標運動軌跡

注: 黑色方框為所選浮標軌跡起點所在區(qū)域; 黃色三角形和玫紅色圓形分別代表浮標軌跡的起點和終點; 紅色曲線表示浮標運動軌跡; a～d中的浮標數(shù)分別為184、66、53和190

在浮標篩選過程中受黑潮影響, 浮標軌跡起點在所選海域西南邊界黑潮流入區(qū)域富集, 盡管在觀測模擬試驗中控制了該區(qū)域抽取浮標數(shù), 黑潮的影響仍有可能被放大。前人研究所選區(qū)域(140°～145°E, 35°～39°S)主要位于黑潮延伸體以北, 雖然其南側仍然受到黑潮延伸體的影響, 但是該區(qū)域較小且貼近福島, 黑潮對該區(qū)域浮標概率密度分布影響也較小。軌跡起點位于前人采樣海域的浮標截止時間為6個月和12個月的概率密度分布范圍(圖11)只比源于本文所選海域的浮標概率密度分布范圍中略小(圖2a～2b), 但是二者量級和模態(tài)較為一致, 黑潮對浮標散播軌跡的影響可能并沒有被放大。

3.3 不確定性與缺陷

對于分析福島以東表層海洋物質擴散、尤其是核素擴散這種復雜過程而言, 僅用海表浮標來開展分析顯然存在不確定性和缺陷。

一方面, 浮標是剛體, 主要受表層海洋平流動力過程的影響, 而表層海洋物質的擴散還受到混合、生物地球化學等過程的影響。比如, 林武輝等(2021)指出福島核廢水中的物質遷移存在水文動力驅動的“隨波逐流”和以生物為載體的“搭乘便車”兩種方式, 而本文僅考慮了其中一部分物理過程。此外, 可用浮標僅692個, 且生命周期超過12個月的浮標僅309個, 浮標出發(fā)點的時間跨度過長、空間分布也不均勻, 也可導致潛在的不確定性。

另一方面, 浮標觀測數(shù)據(jù)自身也存在缺陷。現(xiàn)有的歷史浮標觀測數(shù)據(jù)庫中, 可用浮標壽命長短不一, 具有較大隨機性, 只能通過對浮標軌跡分析后進行“接力”取樣, 以獲得更長的浮標軌跡時間序列。通過在呂宋海峽、中國臺灣以東海域、中東太平洋和北美西岸海域進行“接力”取樣, 雖然能夠推測后續(xù)的浮標運動, 但是“接力”前后浮標軌跡并不連續(xù), 存在時空誤差, 且“接力”采樣范圍較大, 具有不確定性。生命周期超過3 a的浮標過少(73個), 限制了對跨海盆輸運等長周期過程的分析。不同年份開始運動的浮標數(shù)差別很大, 2011年最多(73個), 12個年份不足10個。由此開展的長截止時間觀測模擬試驗中, 近岸浮標生命周期迅速結束, 導致岸界附近的概率密度被低估, 但是按照Zhao等(2021)數(shù)值模擬的結果顯示, 長期來看(5～10 a后),3H濃度在日本以東海岸附近最高。

圖11 軌跡起點位于前人采樣海域(140°～145°E, 35°～39°S)且生命周期到達6個月(a)和12個月(b)的漂流浮標分別進行連續(xù)布放試驗的概率密度分布圖

注: 黑色方框為浮標起點采樣區(qū)域; a和b中的浮標數(shù)分別為289和184

源于福島以東海域的浮標, 截止時間為12個月的不同季節(jié)連續(xù)布放觀測模擬試驗中概率密度分布如圖12a～12d所示, 不同季節(jié)的概率分布模態(tài)和范圍比較類似, 但是高值區(qū)(>20%)差別較大, 主要集中在黑潮延伸體區(qū)域(圖12a, 12c, 12d), 僅在夏季(圖12b)高值區(qū)蔓延到整個福島以東海域, 2000～2009年和2010～2019年的高值區(qū)分布也存在類似差異(圖12e～12f)。Zhao等(2021)年基于數(shù)值模擬預測的3H濃度變化模態(tài)與圖12e中模態(tài)更為接近, 但是濃度變化范圍擴張速度要比浮標觀測模擬試驗的概率密度慢得多。浮標長短不一的生命周期限制了對平均態(tài)的分析, 概率密度分布能夠揭示表層海洋物質傳播的一般規(guī)律, 但是無法體現(xiàn)放射性核素濃度變化, 對周邊海洋環(huán)境和人類健康的影響需要更多研究。

圖12 起點位于福島以東海域且生命周期到達12個月的漂流浮標分別于春季(3～5月, a)、夏季(6～8月, b)、秋季(9～11月, c)和冬季(12月～次年2月, d), 以及2000～2009年(e)和2010～2019年(f)進行連續(xù)布放模擬試驗的浮標概率密度分布圖

注: 黑色方框為所選浮標軌跡起點所在區(qū)域; a～f中的浮標數(shù)分別為56、102、93、58、125和140

4 小結

4.1 結論

利用全球漂流浮標項目的海表漂流浮標觀測數(shù)據(jù), 對1989～2020年間流經福島附近海域(140°～150°E, 30°～45°N)的692個漂流浮標進行了軌跡診斷和示蹤分析, 并基于這些歷史浮標軌跡數(shù)據(jù)開展了浮標連續(xù)布放試驗、計算了概率密度分布, 研究了福島附近海域表層海洋物質可能的散播軌跡和主要路徑。

漂流浮標軌跡分析顯示, 福島附近海域表層海洋物質的傳播路徑可大致分為向東和向南兩個分支, 這與Chen等(2021)和林武輝等(2021)的路徑分析結果大體一致。東支速度較快且為主要傳播路徑, 浮標從福島以東海域開始運動后沿黑潮延伸體迅速東傳, 隨后沿北太平洋副熱帶環(huán)流運動, 大約5個月后可越過日界線、22個月后可到達北美西岸, 其中大部分浮標沿加利福尼亞流往南進入北赤道流后向西邊界輸運, 少部分沿阿拉斯加流往北抵達阿留申島鏈。

南支運動速度較慢、路徑復雜曲折, 且存在明顯渦旋特征, 但距離中國近海近, 只需5個月后即可抵達呂宋海峽, 進入中國近海。福島以東的大范圍海表南向流, 成為該海域表層海洋物質穿越黑潮直接向西南方向運移并抵達呂宋海峽和中國臺灣以東海域的重要通道。在穿越黑潮延伸體前后, 南支浮標路徑很彎曲、復雜, 說明黑潮以東存在的強烈的中尺度渦旋活動可能具有重要作用。值得注意的是, 盡管南支浮標數(shù)相對東支較少, 但是由于南支路程較短且直抵西太平洋沿岸各國, 因此更加值得關注。

由于漂流浮標到達陸架附近后生命周期會迅速結束, 較難體現(xiàn)在長截止時間模擬試驗中。但是, 基于從福島以東海域出發(fā)的浮標軌跡分析和連續(xù)排放觀測模擬實驗結果, 浮標自福島以東海域開始運動5個月后即可到達呂宋海峽和中國臺灣以東海域(圖2c), 其概率密度分布模態(tài)呈現(xiàn)以福島以東海域為核心、往正東和西南方向延伸和衰減。從呂宋海峽開始運動的浮標, 有大約21%會進入我國南海和臺灣海峽等近海海域(圖5b), 其概率密度分布模態(tài)呈現(xiàn)以呂宋海峽為核心, 分別沿黑潮和南海貫穿流往東北-西南方向遞減。

4.2 意義與展望

盡管研究結果仍存在一定缺陷和不確定性, 但是利用歷史浮標觀測數(shù)據(jù)開展分析具有其獨特的優(yōu)勢和重要的意義。

一方面, 相較于前人研究中大量使用的數(shù)值模擬數(shù)據(jù), 浮標觀測數(shù)據(jù)具有扎實的觀測基礎, 反映了真實海洋中發(fā)生的表層剛性粒子擴散過程。海表浮標在散播過程中自然且完整地受到了真實海洋中各種宏觀時空尺度的物理過程的影響, 相比之下, 數(shù)值模擬的海洋流場與實際的海洋流場存在各種差異和不確定性, 許多物理過程甚至無法模擬。因此, 浮標的觀測基礎具有不可替代的優(yōu)勢。

另一方面, 該研究使用了目前已知的最大規(guī)模的浮標觀測數(shù)據(jù)集, 代表了目前在該海域的最豐富的海洋表層浮標軌跡觀測, 因此, 基于此得到的浮標軌跡的統(tǒng)計特征具有重要價值。雖然前人已有少量研究使用了漂流浮標數(shù)據(jù)來分析2011年福島核事故的核素傳播路徑(Buesseler, 2012; Rypina, 2013), 但是這些研究使用的漂流浮標數(shù)據(jù)存在布放時間單一、浮標觀測時間序列過短(不足4個月)等問題, 不足以揭示海洋物質的長期散播過程。文章選擇的浮標數(shù)遠多于前人研究, 且所用浮標的生命周期相對較長, 能夠基本涵蓋完整的表層物質散播過程, 因此具有重要的意義。

海洋物質循環(huán)是海洋環(huán)境安全的重要內容。當前背景下, 海洋將長期面臨人類活動污染帶來的威脅。未來, 有必要開展如下三個方面工作: (1) 有計劃地開展長期、大范圍、多參數(shù)的海洋觀測。目前現(xiàn)場觀測資料非常缺乏, 導致對相關海域的水文動力過程(環(huán)流、潛沉、中尺度渦輸運等過程)的具體影響、化學屬性的特征和演變規(guī)律的認識不清楚; (2) 進一步提升高分辨率數(shù)值模式對物質循環(huán)和擴散的模擬水平, 將現(xiàn)場觀測與高分辨率海洋數(shù)值模擬充分結合起來, 增強數(shù)值模式對西太平洋物質擴散的模擬能力; (3) 研究海洋物質擴散過程對海洋環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的影響。

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ANALYSIS OF SPREADING TRAJECTORY OF SURFACE OCEAN MATERIALS FROM EAST OF FUKUSHIMA OF JAPAN BASED ON DRIFTING BUOY OBSERVATIONS

LU Xi1, 2, 3, HU Shi-Jian1, 2, 3, 4, WANG Fan1, 2, 3, 4, HU Dun-Xin1, 2, 3, 4, LIU Hai-Long5, 3, DIAO Xin-Yuan1, 2, 3, 4, YU Ren-Cheng1, 2, 3, 4

(1. CAS Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Qingdao 266071, China; 2. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China; 5. State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Chinese Academy of Sciences Institute of Atmospheric Physics, Beijing 100029, China)

Knowing how materials disperse at the ocean surface is very important for understanding the process of marine environmental change and anthropogenic pollution diffusion in the ocean. Lagrangian trajectory analysis and observation-based simulation experiments were performed to examine the spreading trajectory of surface materials from the east of Fukushima of Japan using historical sea surface drifting buoys observation data. The surface spreading path of drifting buoys originated from east of Fukushima could be divided into mainly two branches: eastern and southern ones. The eastern branch is the main channel in higher speed and merges into the North Pacific Current along the Kuroshio extension, with an earliest arrival to North America in about 22 months. The southern branch in lower speed migrates to the southwest along a widespread southward currents south of the Kuroshio extension, and are obviously affected by eddy activities. The southern branch reaches the Luzon Strait and east of Taiwan in about 5 months at the earliest, and then enters the South China Sea and the East China Sea. The probability density distribution of surface drifting buoys in simulation experiments based on observation spreads with the Fukushima vicinity as the core, and gradually expands to the southwest and east. The drifting buoys arriving in coastal China are mainly originated from the Luzon Strait. Confined to the specialties of drifting buoy observations, the conclusions have certain limitations from omitting processes such as mixing, diffusion, and biogeochemistry. However, the conclusions based on observation are of great importance for reference.

Fukushima; nuclear pollution; western Pacifica Ocean; diffusion tracks; drifting buoy

P733

10.11693/hyhz20211100292

*中國科學院重點部署項目, ZDBS-SSW-DQC002號; 中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項項目, XDB42010403號; 國家自然科學基金項目, 42022040號; 山東省自然科學基金資助項目, ZR2020JQ18號; 中國科學院創(chuàng)新交叉團隊項目, JCTD-2020-12號; 中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員項目, 2018240號。盧 錫, 博士研究生, E-mail: luxi@qdio.ac.cn

胡石建, 研究員, 博士生導師, E-mail: sjhu@qdio.ac.cn

2021-11-23,

2022-01-11