海洋中的水团和物质在海洋环流等海洋动力过程的作用下时刻发生着运移、扩散和循环, 塑造着海洋环境, 人类活动输入到海洋中的各类物质也在复杂的海洋动力和生物地球化学过程调整下发生着扩散和演变。因此, 研究物质在海洋动力过程调整下如何进行散播和扩散对于理解海洋环境变化和人类活动产生的污染物在海洋中的扩散过程具有非常重要的意义。

2011年3月11日, 日本东北部太平洋海域发生的强烈地震引发巨大海啸, 导致日本福岛第一核电站(Fukushima DAIICHI nuclear power plant, FDNPP)发生核泄漏。该事故是人类历史上最严重的核泄漏事故之一, 不仅对日本造成严重的经济损失和人员伤亡(Buesseler et al, 2011)、威胁周边国家的国民健康和生态环境(Fukuda et al, 2017), 也引发了全球性的大气和海洋污染(Aoyama et al, 2016)。研究表明该事故对海底沉积物的污染将持续数十年(Buesseler, 2014), 并将通过底栖鱼类的生物富集持续威胁周边国家的食物安全(Maderich et al, 2014)。此外, 受福岛附近早春盛行的强西风影响, 释放到大气的核物质往东扩散和沉积(Morino et al, 2011), 其中70%~80%扩散并沉积于西北太平洋(Yoshida et al, 2012), 约18%沉积在日本岛, 1.9%沉积在其他陆地(Stohl et al, 2012)。

事故发生后, 受损的核电站产生了严峻的进一步核污染问题。由于事故产生的大量核废水所含放射性物质成分极其复杂, 难以对其进行循环利用, 因而目前主要存于储水罐中(李小龙等, 2016), 到2021年4月15日已存核废水120.1577万t, 且每天新增核废水近110 t。2021年4月13日, 日本政府正式决定将福岛第一核电站的核废水排入海洋, 这导致西北太平洋可能将长期面临核废水输入和严重污染的威胁。放射性核素从福岛以东海域排放后在海洋中如何扩散, 成为国际社会广泛关注和迫切需要解决的重大问题之一(Chen et al, 2021; Zhao et al, 2021)。

物质在海洋中的扩散过程受到复杂的海洋动力过程调控, 其中海流引起的平流和扩散是最主要的海洋动力过程之一。福岛以东海域是世界上最强的洋流之一——黑潮及其延伸体所在海域, 其表层流速可达1.2 m/s, 流核位于100 m以浅(图 1)。黑潮经其延伸体汇入北太平洋流后, 经加利福尼亚流等进入北赤道流, 北赤道流西行回到西太平洋后分叉形成黑潮和棉兰老流等西边界流, 对西太平洋和东亚、东南亚国家沿岸产生影响(图 1, Hu et al, 2015, 2016)。2011年核事故产生的核污水在黑潮及其下游海流的平流作用下传播到中太平洋, 进而散布到整个太平洋海盆(Kawamura et al, 2011; Aoyama et al, 2013a)。

针对2011年福岛核事故产生的放射性核素对海洋的影响, 前人通过数值模拟(Behrens et al, 2012; Smith et al, 2017; Rong et al, 2018)和船舶走航水体采样数据分析(Leon et al, 2011; Aoyama et al, 2013b; Kaeriyama et al, 2013; Deng et al, 2020)等方法研究了放射性核素的传播路径、覆盖范围和传播机制。部分研究还通过布放漂流浮标对福岛放射性核素的早期传播进行了分析(Buesseler et al, 2012; Rypina et al, 2013)。前人研究表明, 2011年福岛核事故产生的放射性核素在海洋中的传播过程主要有3个阶段:

第1阶段, 事故发生后, 放射性核素沿福岛海岸的微弱南向流汇入黑潮, 随后沿黑潮及其延伸体往东输送, 黑潮成为该阶段核素传播的南部边界(Kawamura et al, 2011), 该过程大约需要7~9个月。在这个过程中, 由于涡旋的存在, 一方面形成局地高浓度放射性核素区(Buesseler et al, 2012; Rypina et al, 2013); 另一方面也增强放射性核素的垂向传播(Budyansky et al, 2015; Garraffo et al, 2016), 促进放射性核素随副热带模态水的潜沉(Chen et al, 2021)。

第2阶段, 放射性核素传播到中太平洋以后, 一方面沿北太平洋流继续往东传播, 但是速度明显下降(Aoyama et al, 2013b, 2015; 刘广山, 2015); 另一方面通过副热带模态水的形成和潜沉向南迁移(Kumamoto et al, 2014; Budyansky et al, 2015; Garraffo et al, 2016; 许丽晓等, 2021), 同时还存在沿北太平洋流的向北扩散(Kaeriyama et al, 2013), 该过程大约在事故发生后1~3 a完成。

第3阶段, 放射性核素随北太平洋流传播到北美西岸(Leon et al, 2011; Behrens et al, 2012; Zhao et al, 2015), 进而通过太平洋海洋环流系统散播到整个北太平洋海盆(Behrens et al, 2012; Povinec et al, 2013), 该过程大约在事故发生后3~6 a完成。最终, 这些放射性核素将随海洋环流系统传播到印度洋和大西洋(Nakano et al, 2012; Rossi et al, 2013)。

2011年福岛核事故对中国近海也具有显著影响。事故发生后, 2012年冬季在中国南海、台湾海峡等海域观测到来自2011年福岛核事故的放射性核素(Deng et al, 2020; 林武辉等, 2020); Aoyama等(2013b)通过船舶走航水体采样, 发现2011年福岛核事故产生的放射性核素到2013年已经传播到中国海域; 到2015年已经遍布中国海域(赵云霞等, 2017)。这些研究表明, 部分放射性核素可以穿越黑潮阻碍, 到达中国近海, 但是福岛核污水影响中国近海的具体路径和扩散过程却尚不清楚。

Chen等(2021)指出, 现存的120多万t核废水排入海洋之后可能存在3条路径: 受涡旋、黑潮南部再循环和湍流扩散过程影响而从福岛周边海域向西进入中国东海的路径1; 随黑潮向东并在副热带中东太平洋潜沉后进入吕宋海峡的路径2; 沿副热带环流圈到达北美西岸后, 随北赤道流到达西边界, 重新循环的路径3。Chen等(2021)提出的3条路径与2011年福岛核事故产生的核素传播过程吻合, 也与林武辉等(2021)指出的受多尺度海洋水文动力过程影响的“被动”迁移路径和Zhao等(2021)通过数值模拟得到的放射性核素传播通道一致。除了海洋动力过程导致的污染物质扩散以外, 生物载体驱动的“主动”迁移过程也具有重要作用, 且响应更快、可能对人类健康产生更大影响(林武辉等, 2021)。

前人开展的大量研究对于理解2011年福岛核事故泄漏的放射性核素扩散过程、探究未来福岛以东污染物质如何散播具有非常重要的意义, 但也还存在一些缺陷和不足之处。船舶走航水体采样数据站位较少, 难以准确刻画核素传播路径。数值模拟方面, 现有数值模式的模拟能力还有限, 模式模拟的海洋流场与实际观测之间存在显著差异, 对放射性核素扩散过程的模拟结果和实际观测之间存在明显不同(Periáeez et al, 2015)。以传播到北美西岸的时间为例, 不同数值模拟试验的结果差别很大, 广泛分布于3~6 a范围内(Behrens et al, 2012; Nakano et al, 2012; Rossi et al, 2013; Zhao et al, 2015, 2021), 但是仅在事故发生后2 a多, 就已经在加拿大附近海域观测到了来自福岛核电站的放射性核素(Smith et al, 2015)。此外, 数值模拟试验初始场设置对大气沉积的设定也可能影响分析结果(Tsumune et al, 2012)。因此, 从更多的观测数据中寻找放射性核素散播路径的证据具有很重要的意义。

为此, 文章将使用过去数10 a以来获取的海表漂流浮标观测数据进行轨迹示踪分析, 并开展基于观测的模拟试验, 以研究福岛以东海域表层海洋物质的传播路径和扩散过程。本文的第一部分将介绍所使用的数据和研究方法, 第二部分将重点介绍主要的研究结果, 第三部分讨论研究结果的局限性和主要影响因素, 最后在第四部分总结主要结论和意义。

1 数据和方法 1.1 观测数据及其处理

本文采用的主要数据是全球漂流浮标项目漂流浮标集(Global Drifter Program drifting buoy collection)。该数据集包括自1979年2月14日至2020年9月2日布放的所有漂流浮标的全球漂流浮标项目编号(identification, ID)、世界气象组织浮标识别编号(World Meteorological Organization, WMO)、浮标布放和回收的日期、位置, 以及浮标轨迹时间序列。该数据集对海表浮标观测进行了质量控制和6 h插值等处理(Centurioni et al, 2019), 浮标经纬坐标值平均误差小于0.01°, 能够比较准确地展示真实的表层海流。考虑到核废水的污染物质可能主要在表层快速扩散(Macdonald et al, 2020), 使用海表漂流浮标数据开展轨迹示踪分析具有合理性。

参考前人研究, 结合福岛核电站的位置(38.3°N, 142.4°E)及其附近海陆分布和洋流情况, 选取所有流经福岛以东海域(140°~150°E, 30°~45°N, 图 1黑色方框)的海表漂流浮标作为分析对象。其中, 初始布放坐标位于所选区域内的浮标, 以该坐标作为其轨迹起点; 初始布放坐标位于该区域以外的浮标, 则以其进入该区域后的第一个坐标作为其轨迹起点。由于实际布放过程中存在对同一浮标的多次布放, 本文将存在多次布放的浮标的每一段轨迹视作独立的时间序列, 并分别确定其轨迹起点。考虑到周边海域表层海流流速情况, 将6 h内浮标轨迹变化超过1°的时刻视为突变点(即6 h内平均速度超过约5 m/s), 仅保留突变点之前的轨迹时间序列, 并将突变后的浮标轨迹视作在突变点的一次重新布放。

统计结果显示, 轨迹起点位于福岛以东海域的可用浮标共计692个(表 1), 包括直接布放于该海域的219个浮标和从其他海域进入的473个浮标。这692个浮标布放于1989~2020年间, 最长生命周期超过10 a, 其中生命周期大于12个月的浮标有309个(由于数据集截止到2020年9月, 因而2020年布放的浮标生命周期均尚未超过12个月)。

此外, 为讨论流场的重要作用, 使用基于Argo浮标观测的格点化温盐数据产品RG Argo Climatology (Roemmich-Gilson Argo Climatology) (Roemmich et al, 2009)计算了参考深度为2 000 m的地转流速度(Hu et al, 2021), 以及LICOM3 (LASG/IAP climate ocean model, version 3)输出了上层50 m气候态平均流场。RG Argo数据集使用加权最小二乘法拟合了2004~2020年的Argo浮标观测数据廓线, 其水平分辨率为1°×1°, 垂直方向2 000 m分58层。LICOM3数值模式较好地再现了海洋环流和温盐的变化, 其水平分辨率为0.1°×0.1°, 上层50 m分10层。

1.2 观测模拟试验

为模拟福岛以东海域表层海洋物质在不断排入的情况下的扩散过程, 基于漂流浮标观测数据设计开展了一系列连续排放的模拟试验。

生命周期达6、12、18和24个月的浮标数分别为478、309、214和157个。为模拟福岛附近海表物质的连续输入, 对生命周期达到特定月数(6、12、18和24个月)的浮标分别进行随机取样, 取样次数为相应月数。每次随机抽取的浮标, 视为1次在轨迹起点的重新布放, 将自抽取月份从轨迹起点开始运动, 完成所有取样后1个月所有浮标停止运动。由于大量浮标轨迹起点(359个)集中在采样海域西侧边界的黑潮流入区域(图 1), 每月重新布放的浮标, 按照1︰24的比例(浮标轨迹起点散布于福岛以东海域的25个网格内)选取, 即选取其他24个网格内浮标总数的90%, 并将该数量的1/24作为在西侧边界浮标起点密集区域的浮标选取数。

对某一个1°×1°的网格, 浮标流经其位置的概率密度P (单位: %)定义为

其中, n为试验中流经该网格点的总浮标数, N为试验中选取的总浮标数。

2 结果 2.1 福岛以东表层海洋物质在太平洋的散播轨迹

图 2展示了浮标从日本福岛以东海域开始运动后的散播轨迹。结果显示, 浮标的散播轨迹大致可分为向东和向南散播的两个分支: 大部分浮标(超过70%)沿黑潮及其延伸体往东传播, 以下称为东支; 少部分浮标往西南运动, 比东向传播的浮标速度慢, 以下称为南支。东支浮标主要沿Chen等(2021)提出的路径2、路径3运动, 南支浮标则主要沿路径1运动。浮标轨迹散播方向和范围与Zhao等(2021)对³H浓度数值模拟的结果较为一致, 但是浮标轨迹数据显示的散播速度明显比模拟的传播速度更快。

为保证充足的漂流浮标观测数据, 所选692个浮标轨迹起点所在福岛以东海域范围(140°~150°E, 30°~45°N)大于前人研究中选取的范围(140°~145°E, 35°~39°S) (Buesseler et al, 2012; Rypina et al, 2013)。但是数值模拟(Behrens et al, 2012)和船舶走航水体采样数据分析(Aoyama et al, 2013b)结果均显示, 2011年福岛核事故产生的放射性核素仅需不足1个月即可遍布所选采样区域, 图 2b中浮标开始运动1个月后的轨迹也已遍布采样海域。

在前人研究中, 黑潮及其延伸体被看作核素传播第1阶段(约7~9个月)的南边界(Kameník et al, 2013; Garraffo et al, 2016), 但是浮标在福岛以东海域开始运动5个月后, 即可到达吕宋海峡和中国台湾以东海域(图 2c), 这比数值模拟的结果更快(Behrens et al, 2012); 而东支浮标轨迹则明显脱离黑潮延伸体, 越过日界线、进入广阔而流速较为缓慢的北太平洋流。Aoyama等2013年在日界线附近海域采样观测到源于2011年福岛核事故的核素(Aoyama et al, 2013b), 但图 2c表明这可能并不是首批到达日界线的核素。

从日本福岛以东海域开始漂移大约11个月后, 大量浮标抵达吕宋海峡和中国台湾以东海域(图 2d), 值得注意的是, 此时已有1个浮标进入南海并最终抵达我国福建沿海。分析表明, 该浮标生命周期不足11个月, 从福岛以东海域出发9个月后进入吕宋海峡, 从吕宋海峡到达福建沿海仅用了69 d。浮标从福岛以东海域出发后11个月到3 a期间, 吕宋海峡和中国台湾以东海域均存在比较密集的浮标轨迹, 且持续有浮标到达中国近海(图 2d~图 2f)。

东支路径上的浮标轨迹抵达日界线后进一步往东延伸, 但是其北部范围无明显扩张。浮标从福岛以东海域出发后最快21个月即可到达加拿大西海岸, 这早于Smith等(2015)的研究结果(大约27个月); 22个月后, 已有多个浮标进入美国西岸海域(图 2e); 33个月后的浮标运动轨迹已经遍布整个北美西岸(图 2f)。在较早到达美国西岸海域的5个浮标中(截止时间为24个月), 有2个位于采样海域西侧边界黑潮流入区域, 3个位于黑潮延伸体以北。

总体上看, 福岛以东海域的浮标在开始运动大约3 a后, 其轨迹已广泛散布于北太平洋海盆, 这要比Zhao等(2021)数值模拟的³H传播结果更快。其中, 东支浮标在到达北美西海岸后, 一部分沿加利福尼亚流往南进入北赤道流, 进而向太平洋西边界海域运移; 另一部分则往北沿阿拉斯加流进入北太平洋副极地环流。进入北赤道流的浮标鲜有直接跨越北赤道流南边界, 大多数随北赤道流回到太平洋西边界海域, 这与Chen等(2021)提出的路径3一致。3 a后的浮标运动轨迹(图 2f)分布范围已经无明显变化。但是, 由于生命周期达到3、4和5 a的浮标数从73锐减到15和3 (表 1), 无法对更长时间的散播轨迹进行进一步的分析。

2.2 概率密度分布

为研究福岛以东海域表层海洋物质在不断输入情况下的密度分布, 基于浮标观测数据开展了一系列连续排放的模拟试验。图 3表明, 连续排放观测模拟试验得到的概率密度分布与浮标散播轨迹的总体形态一致。不同截止时间的概率密度分布相互吻合, 整体模态为以福岛以东海域为核心、往正东和西南方向延伸和衰减, 这与Zhao等(2021)模拟的海表³H浓度传播模态一致, 也与Chen等(2021)提出的传播路径一致。

南支浮标概率密度表现为吕宋海峡和中国台湾以东海域持续增加, 该海域截止时间为6个月的试验的概率密度为0.1% (图 3a), 而截止时间为24个月的试验的概率密度为2%。东支浮标概率密度表现为持续地向东扩散, 截止时间为24个月的观测模拟试验(图 3d)结果显示, 北美沿岸已经有概率密度信号, 早于Zhao等(2021)模拟的结果。

值得注意的是, 截止时间为12个月的试验结果显示, 南海有概率密度信号(图 3b), 但截止时间为24个月的试验结果显示, 南海没有概率密度信号(图 3d), 这是由于进入南海的浮标生命周期均未达到24个月, 因而未能体现在图 3d (截止生命周期为24个月)中, 但这并不代表布放后24个月内没有浮标进入南海。

2.3 东支路径分析

轨迹起点位于福岛以东海域且最终到达北美西岸海域的浮标共有27个(表 1, 布放于1993~2016年), 其中最短用时22个月, 最长用时63个月, 这意味着物质在进入福岛以东表层海洋后, 将在2~5 a内持续往北美输送。这27个浮标的轨迹起点主要位于黑潮及其延伸体范围内(图 4a), 黑潮延伸体以南的197个浮标中有19个生命周期超过22个月, 但这19个浮标均没有流经北美西岸。较早到达美国西岸海域的5个浮标中(截止时间为24个月), 有2个源于采样海域西侧边界黑潮流入区域, 3个源于黑潮延伸体以北。在轨迹起点位于黑潮流入区域且生命周期超过22个月的67个浮标中, 有12个流经美国西岸海域(最快23个月, 最慢63个月); 在轨迹起点位于黑潮延伸体以北且生命周期超过22个月的65个浮标中, 有15个流经北美西岸海域(最快22个月, 最慢41个月)。北太平洋流在东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亚流(Cheng et al, 2014), 部分浮标随阿拉斯加流往北运移, 但是这部分浮标随后并没有完全汇入阿拉斯加流, 一部分在近岸处向南转向, 最终沿加利福尼亚流进入北赤道流, 最终仅有少量浮标进入阿拉斯加流。

为探究北太平洋流分叉后浮标的再分配过程, 专门针对北太平洋流分叉区域(145°~155°W, 30°~48°N, 图 4b)和北美西岸海域(123°55′~130°W, 30°~50°N, 图 4c)进行了浮标轨迹分析。轨迹起点位于北太平洋流分叉区域的46个浮标, 只有1个在到达北美西岸后往北汇入阿拉斯加流(图 4b)。轨迹起点位于北美西岸的335个浮标(图 4c), 绝大多数往南或西南运动, 仅有14个浮标往北运动, 其中1个最终到达阿留申群岛。进入阿拉斯加流的浮标, 绝大部分是沿北美西海岸向北而来, 仅有少量直接来自北太平洋流在东太平洋的北分支(图 4c)。东支路径上的浮标, 大部分到达北美西岸后往南汇入加利福尼亚流, 最终通过北赤道流到达西边界, 沿副热带环流圈运动(图 4a), 亦即沿Chen等(2021)提出的路径3运动。

2.4 南支路径分析

南支路径上的浮标比东支更早进入中国近海, 因此非常重要。轨迹起点位于福岛以东海域并最终进入吕宋海峡和中国台湾以东海域的19个浮标(均于2002年以后开始运动), 最短用时5个月, 最长用时32个月(表 1), 轨迹起点和运动轨迹如图 5a所示。到达吕宋海峡和中国台湾以东海域后, 这19个浮标的漂移轨迹存在3种路径(其中4个浮标的生命周期止于吕宋海峡): 往南进入中国南海(4个)、往北经台湾暖流穿越台湾海峡进入中国东海(2个)以及通过黑潮流套进出吕宋海峡(9个), 这意味着到达吕宋海峡和中国台湾以东海域的浮标, 约有40%进入了我国南海和东海。黑潮以东存在强烈的中尺度涡旋活动和显著的涡致经向输运(Xu et al, 2016, 2017), Chen等(2021)也指出黑潮以南的再循环和涡旋是调控核素往我国近海传播的重要因素, 南支的浮标在穿越黑潮延伸体前后, 运动路径很弯曲、复杂(图 5), 因此, 中尺度涡旋活动可能发挥了非常重要的作用。

为进一步探究浮标进入吕宋海峡后的运动, 重新选取了轨迹起点位于吕宋海峡附近海域(120°~123°E, 18°~23°N)的810个浮标并进行轨迹分析(图 5b)。结果显示, 源于吕宋海峡附近海域的浮标轨迹遍布我国东南沿海, 往北逼近长江入海口, 往南经卡里马塔海峡进入印尼海。其中167个浮标进入中国南海和台湾海峡; 进入东海的20多个浮标, 一部分从南海穿越台湾海峡直接进入, 另一部分从中国台湾东北海域脱离黑潮主轴而进入。

为研究浮标进入中国台湾以东海域后的具体运动轨迹, 对轨迹起点位于中国台湾东部海域(122°~ 123.5°E, 24°~26.5°N)的584个浮标的轨迹进行分析(图 5c)。源于该海域的浮标运动轨迹主要受黑潮及其延伸体影响, 但值得注意的是, 有一部分可从东海南部绕过中国台湾岛、经台湾海峡进入南海。

从吕宋海峡开始运动的浮标, 其概率密度分布模态为以吕宋海峡为核心, 分别沿黑潮和南海贯穿流流向东北-西南方向递减(图 6)。东北方向沿黑潮及其延伸体运动, 伴随黑潮延伸体以东的缓慢散播。西南方向主要在南海内部散播, 扩散到中国南海沿岸和越南近岸等海域。仅1个月后, 南海北部有大片概率密度信号(超过10%), 且3、6、12、18、24个月后的浮标概率分布模态(图 6b~6f)渐趋一致。

图 7展示了浮标从中国台湾东北海域开始运动1、3、6、12、18和24个月后的概率密度分布。结果显示, 在开始运动后不同月份, 其概率密度均以黑潮及其延伸体为核心, 并沿黑潮流向衰减(图 7)。黑潮区域内浮标概率密度可达90%以上, 黑潮以外区域的浮标概率密度较小——不到10%。浮标开始运动3个月后, 我国南海(1%)、东海(2%)和黄海南部区域(2%)均有浮标概率密度信号(图 7b)。从图 7中浮标概率密度分布的演变可以看出, 浮标到达中国台湾东北海域后, 主要有3条路径: (1) 沿黑潮流轴扩散; (2) 随黑潮以南的再循环扩散并到达吕宋海峡、进入南海; (3) 跨越东海陆架并沿台湾海峡扩散到东海和南海。

值得注意的是, 在截止时间超过12个月的试验中, 从吕宋海峡(图 6d~6f)和中国台湾以东海域(图 7d~7f)开始运动的浮标概率密度分布主要模态渐趋稳定, 但是在我国近海范围概率密度逐渐减小甚至消失, 这是因为从两区域出发的浮标, 一旦进入我国近海, 其生命周期会迅速结束, 这就导致大部分浮标生命周期短于截止时间, 因而未能在概率密度分布中体现, 但是这并不代表截止时间内没有浮标进入我国近海。

2.5 流场的作用: 重要个例分析

为更清晰研究浮标从福岛以东海域出发后进入中国近海的过程, 以下展示从福岛以东海域出发并最终进入中国南海和东海的若干浮标的轨迹, 并与海表流场进行对比、讨论流场的作用。

图 8a展示了进入中国近海的浮标运移轨迹以及2014年7月50 m以浅的平均地转流场(参考深度2 000 m), 其中深黄色粗线是2014年7月开始运动(35°32′N, 145°38′E)且最终到达吕宋海峡的浮标(记为A)的运动轨迹, 图 8b展示了LICOM数值模式输出的福岛附近海域50 m以浅气候态平均流场。福岛以东海域存在明显的表层南向流(图 8), 且南向速度可达0.4 m/s (图 8b), 成为福岛以东海域表层海洋物质穿越黑潮并向西南运移的重要通道。图 8b显示, 143°~ 145°E处黑潮延伸体向东南弯曲, 在其以南区域, 尽管海表流速较小, 但是仍有明显南向流速分量。在这些南向流场的作用下, 福岛以东海洋表层的物质可以向西南方向运动, 直抵吕宋海峡和中国台湾以东海域(图 8a)。

从前述结论可以看出, 最终到达吕宋海峡和中国台湾以东海域的浮标, 其轨迹起点多位于黑潮延伸体以南, 因此, 难以确定黑潮延伸体内是否存在浮标向南穿越的通道。但是, 浮标A (轨迹起点位于35°32’N, 145°38’E, 布放于2014年7月)的轨迹和海表平均地转流场(2014年7月, 参考深度2 000 m)分布显示, 浮标A轨迹起点位于黑潮延伸体范围内, 并在穿越黑潮延伸体后呈涡旋性运动(图 8a), 最终到达吕宋海峡(2017年2月), 在此之前经历了31个月的曲折运动。浮标A穿越黑潮后的涡旋性运动, 可能受反气旋涡对北太平洋副热带模态水的西南向运输影响(Liu et al, 2007; Xu et al, 2017)。由于浮标A的轨迹与最终进入中国近海的6个浮标轨迹存在重叠(图 8a), 福岛附近表层海洋物质可以通过类似浮标A的路径穿越黑潮, 经黑潮及其延伸体以南较弱南向流到达吕宋海峡, 在黑潮(Chen et al, 2011a)或中尺度涡(Chen et al, 2011b; 许丽晓等, 2021)等影响下最终进入中国近海, 这表明福岛以东海表物质可以直接穿越黑潮延伸体并经南向散播路径进入中国近海。

3 讨论

研究结果还存在缺点和不足之处, 以下从流场变化和浮标轨迹起点区域选择的影响以及结果的不确定性等方面进行讨论。

3.1 流场变化的影响

浮标运动主要由流场驱动, 因此对单个浮标来说, 流场的变化会对该浮标的轨迹产生影响。为讨论流场的季节变化对浮标轨迹的影响, 图 9a~9d展示了福岛以东海域生命周期超过12个月的309个浮标在不同季节开始运动的轨迹。从结果可见, 不同季节开始运动的浮标轨迹存在显著的差异(注意, 夏秋季开始运动的浮标比冬春季多), 主要体现在轨迹路径和终点的具体位置以及少数远距离散播的浮标位置。但是, 从浮标轨迹的总体分布来看, 不同季节的轨迹分布范围大体一致, 东支和南支路径在4个季节均存在。这表明在不同时间释放粒子, 尽管具体的流程可能有较大差异、对粒子个体的轨迹或有影响, 但对粒子轨迹的统计特征影响不大。

太平洋的年际和年代际变化也很显著, 比如厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation)和太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation)都有可能导致太平洋流场的年际和年代际变化(Hu et al, 2014, 2017, 2020a, 2020b), 不同年份释放的粒子可能会有不同的散播路径。为探究流场的低频变化对浮标轨迹的影响, 我们对比分析了2000~2009年(125个)和2010~2019年(140个)从福岛以东海域开始运动且生命周期超过12个月的浮标轨迹(图 9e~9f)。结果类似于不同季节的粒子释放情景, 在两个十年期间开始运动的浮标轨迹范围和传播路径统计特征较为一致。这表明在大量粒子释放的情况下, 其散播轨迹路径是具有较高可信度的。

事实上, 按照日本政府公布的计划, 核废水排放过程将会持续20~30 a, 所选浮标从福岛以东海域开始运动的时间也涵盖了近20多年, 可以认为粒子在散播过程中受到的流场影响可能是随机分布的, 其统计特征是稳定的。尽管北太平洋海洋环流存在多种时间尺度的变化, 利用所选能够较好地刻画核素实际的传播路径和范围, 因此具有一定的参考意义。

3.2 浮标轨迹起点区域范围的影响

前人研究中选取的用以探究2011年放射性核素散播路径的漂流浮标布放范围为140°~145°E, 35°~39°S区域(Buesseler et al, 2012; Rypina et al, 2013), 由于流经该海域的浮标数较少(共422个, 其中生命周期超过12个月的浮标184个), 本文参考福岛以东海陆分布和流场特征, 并在分析浮标运动轨迹的基础上, 选择流经140°~150°E, 30°~45°N区域的692个浮标(生命周期超过12个月的浮标309个)进行分析。

图 10a展示了轨迹起点位于前人采样区域(140°~ 145°E, 35°~39°S)且生命周期超过12个月的184个浮标的运动轨迹, 整体也大致分为向东和向南两个分支, 在北美西岸和中国近海均有浮标到达, 就统计特征而言, 其整体轨迹分布与源于本文采样区域(140°~150°E, 30°~45°N)的浮标比较一致。图 10a中前人采样区域内的浮标开始运动后1个月, 其轨迹明显覆盖并超出本文浮标采样海域, 这意味着采样海域范围的扩大对浮标轨迹散播速度和范围影响较小。

轨迹起点位于本文所选海域北部、中部和南部的浮标轨迹如图 10b~10d所示, 从不同海域开始运动的浮标轨迹表现出较大不同, 浮标轨迹的具体路径以及个别浮标的终点位置有较大差异, 而且从南部海域(190个)出发的浮标远多于从北部(66个)、中部海域(53个)出发的浮标, 这也导致图 10d中的浮标轨迹密集得多。整体来看, 东支路径在从不同海域出发的浮标轨迹中均比较明显, 遍布整个北太平洋海盆。南支路径在从中部和南部海域出发的浮标轨迹中比较清晰(图 10c~10d), 但是图 10b中展示的从北部海域出发的浮标, 仅有1个明显经黑潮延伸体南部微弱南向流往南传播, 而且最终没有到达太平洋西边界。考虑到北部海域出发浮标数较少, 而且到达西边界的浮标生命周期多数不足12个月, 北部海域的浮标较难通过南向路径散播到太平洋西边界, 较难通过Chen等(2021)提出的路径1进入我国近海, 但并不意味着路径1对北部海域完全封闭。

在浮标筛选过程中受黑潮影响, 浮标轨迹起点在所选海域西南边界黑潮流入区域富集, 尽管在观测模拟试验中控制了该区域抽取浮标数, 黑潮的影响仍有可能被放大。前人研究所选区域(140°~145°E, 35°~39°S)主要位于黑潮延伸体以北, 虽然其南侧仍然受到黑潮延伸体的影响, 但是该区域较小且贴近福岛, 黑潮对该区域浮标概率密度分布影响也较小。轨迹起点位于前人采样海域的浮标截止时间为6个月和12个月的概率密度分布范围(图 11)只比源于本文所选海域的浮标概率密度分布范围中略小(图 2a~2b), 但是二者量级和模态较为一致, 黑潮对浮标散播轨迹的影响可能并没有被放大。

3.3 不确定性与缺陷

对于分析福岛以东表层海洋物质扩散、尤其是核素扩散这种复杂过程而言, 仅用海表浮标来开展分析显然存在不确定性和缺陷。

一方面, 浮标是刚体, 主要受表层海洋平流动力过程的影响, 而表层海洋物质的扩散还受到混合、生物地球化学等过程的影响。比如, 林武辉等(2021)指出福岛核废水中的物质迁移存在水文动力驱动的“随波逐流”和以生物为载体的“搭乘便车”两种方式, 而本文仅考虑了其中一部分物理过程。此外, 可用浮标仅692个, 且生命周期超过12个月的浮标仅309个, 浮标出发点的时间跨度过长、空间分布也不均匀, 也可导致潜在的不确定性。

另一方面, 浮标观测数据自身也存在缺陷。现有的历史浮标观测数据库中, 可用浮标寿命长短不一, 具有较大随机性, 只能通过对浮标轨迹分析后进行“接力”取样, 以获得更长的浮标轨迹时间序列。通过在吕宋海峡、中国台湾以东海域、中东太平洋和北美西岸海域进行“接力”取样, 虽然能够推测后续的浮标运动, 但是“接力”前后浮标轨迹并不连续, 存在时空误差, 且“接力”采样范围较大, 具有不确定性。生命周期超过3 a的浮标过少(73个), 限制了对跨海盆输运等长周期过程的分析。不同年份开始运动的浮标数差别很大, 2011年最多(73个), 12个年份不足10个。由此开展的长截止时间观测模拟试验中, 近岸浮标生命周期迅速结束, 导致岸界附近的概率密度被低估, 但是按照Zhao等(2021)数值模拟的结果显示, 长期来看(5~10 a后), ³H浓度在日本以东海岸附近最高。

源于福岛以东海域的浮标, 截止时间为12个月的不同季节连续布放观测模拟试验中概率密度分布如图 12a~12d所示, 不同季节的概率分布模态和范围比较类似, 但是高值区(> 20%)差别较大, 主要集中在黑潮延伸体区域(图 12a, 12c, 12d), 仅在夏季(图 12b)高值区蔓延到整个福岛以东海域, 2000~2009年和2010~2019年的高值区分布也存在类似差异(图 12e~12f)。Zhao等(2021)年基于数值模拟预测的³H浓度变化模态与图 12e中模态更为接近, 但是浓度变化范围扩张速度要比浮标观测模拟试验的概率密度慢得多。浮标长短不一的生命周期限制了对平均态的分析, 概率密度分布能够揭示表层海洋物质传播的一般规律, 但是无法体现放射性核素浓度变化, 对周边海洋环境和人类健康的影响需要更多研究。

4 小结 4.1 结论

利用全球漂流浮标项目的海表漂流浮标观测数据, 对1989~2020年间流经福岛附近海域(140°~150°E, 30°~45°N)的692个漂流浮标进行了轨迹诊断和示踪分析, 并基于这些历史浮标轨迹数据开展了浮标连续布放试验、计算了概率密度分布, 研究了福岛附近海域表层海洋物质可能的散播轨迹和主要路径。

漂流浮标轨迹分析显示, 福岛附近海域表层海洋物质的传播路径可大致分为向东和向南两个分支, 这与Chen等(2021)和林武辉等(2021)的路径分析结果大体一致。东支速度较快且为主要传播路径, 浮标从福岛以东海域开始运动后沿黑潮延伸体迅速东传, 随后沿北太平洋副热带环流运动, 大约5个月后可越过日界线、22个月后可到达北美西岸, 其中大部分浮标沿加利福尼亚流往南进入北赤道流后向西边界输运, 少部分沿阿拉斯加流往北抵达阿留申岛链。

南支运动速度较慢、路径复杂曲折, 且存在明显涡旋特征, 但距离中国近海近, 只需5个月后即可抵达吕宋海峡, 进入中国近海。福岛以东的大范围海表南向流, 成为该海域表层海洋物质穿越黑潮直接向西南方向运移并抵达吕宋海峡和中国台湾以东海域的重要通道。在穿越黑潮延伸体前后, 南支浮标路径很弯曲、复杂, 说明黑潮以东存在的强烈的中尺度涡旋活动可能具有重要作用。值得注意的是, 尽管南支浮标数相对东支较少, 但是由于南支路程较短且直抵西太平洋沿岸各国, 因此更加值得关注。

由于漂流浮标到达陆架附近后生命周期会迅速结束, 较难体现在长截止时间模拟试验中。但是, 基于从福岛以东海域出发的浮标轨迹分析和连续排放观测模拟实验结果, 浮标自福岛以东海域开始运动5个月后即可到达吕宋海峡和中国台湾以东海域(图 2c), 其概率密度分布模态呈现以福岛以东海域为核心、往正东和西南方向延伸和衰减。从吕宋海峡开始运动的浮标, 有大约21%会进入我国南海和台湾海峡等近海海域(图 5b), 其概率密度分布模态呈现以吕宋海峡为核心, 分别沿黑潮和南海贯穿流往东北-西南方向递减。

4.2 意义与展望

尽管研究结果仍存在一定缺陷和不确定性, 但是利用历史浮标观测数据开展分析具有其独特的优势和重要的意义。

一方面, 相较于前人研究中大量使用的数值模拟数据, 浮标观测数据具有扎实的观测基础, 反映了真实海洋中发生的表层刚性粒子扩散过程。海表浮标在散播过程中自然且完整地受到了真实海洋中各种宏观时空尺度的物理过程的影响, 相比之下, 数值模拟的海洋流场与实际的海洋流场存在各种差异和不确定性, 许多物理过程甚至无法模拟。因此, 浮标的观测基础具有不可替代的优势。

另一方面, 该研究使用了目前已知的最大规模的浮标观测数据集, 代表了目前在该海域的最丰富的海洋表层浮标轨迹观测, 因此, 基于此得到的浮标轨迹的统计特征具有重要价值。虽然前人已有少量研究使用了漂流浮标数据来分析2011年福岛核事故的核素传播路径(Buesseler et al, 2012; Rypina et al, 2013), 但是这些研究使用的漂流浮标数据存在布放时间单一、浮标观测时间序列过短(不足4个月)等问题, 不足以揭示海洋物质的长期散播过程。文章选择的浮标数远多于前人研究, 且所用浮标的生命周期相对较长, 能够基本涵盖完整的表层物质散播过程, 因此具有重要的意义。

海洋物质循环是海洋环境安全的重要内容。当前背景下, 海洋将长期面临人类活动污染带来的威胁。未来, 有必要开展如下三个方面工作: (1) 有计划地开展长期、大范围、多参数的海洋观测。目前现场观测资料非常缺乏, 导致对相关海域的水文动力过程(环流、潜沉、中尺度涡输运等过程)的具体影响、化学属性的特征和演变规律的认识不清楚; (2) 进一步提升高分辨率数值模式对物质循环和扩散的模拟水平, 将现场观测与高分辨率海洋数值模拟充分结合起来, 增强数值模式对西太平洋物质扩散的模拟能力; (3) 研究海洋物质扩散过程对海洋环境和生态系统的影响。