本文的研究区域为台州近岸海域。台州东部沿海大陆海岸线长740 km，从北向南分布的主要海湾和河口为三门湾、椒江口−台州湾、乐清湾，在航次调查中，调查海域海水水深为3.0～32.0 m，均值为12.6 m。

无机氮、活性磷酸盐数据来源于台州市海洋环境监测中心，采样时间为2018年冬季（3月）、春季（5月）、夏季（8月）、秋季（10月），共选取台州近岸海域99个调查站点，水质调查站位置如图1所示。

当水深小于10 m时，仅采表层样品；当水深为10～25 m时，采表、底两层样品；当水深为25～50 m时，采表层、10 m和底层三层样品，采样方法依据《海洋监测规范 第3部分：样品采集、贮存于运输》（GB 17378.3－2007）。依据水质的实测数据，采用克里金插值法对台州近岸海域无机氮和活性磷酸盐的分布情况进行插值。

使用验证后的模型对整个浙江近岸海域的区域进行流场模拟。选取2018年冬季（3月）、春季（5月）、夏季（8月）、秋季（10月）作为研究时段，分别计算这四个季节对应的代表性月份的流场，其次对各个代表性月份的流场在U、V方向上分别平均，最后将平均后的流场进行合并，得到一个月的余流场分布情况。

根据实测数据，建立2018年台州近岸海域3月、5月、8月、10月（分别代表冬、春、夏、秋四季）无机氮和活性磷酸盐浓度分布图（图2和图3），采用单因子水质分类标准对海域水质进行划分。从图中可以看出，以无机氮和活性磷酸盐作为污染物指标，春、夏两季海水水质明显好于秋、冬两季；其中，夏季最好，秋季最差。无机氮和活性磷酸盐两类污染物浓度均呈由陆地向海洋递减的分布，与活性磷酸盐的分布稍有不同，台州近岸海域西北部受无机氮污染情况更为严重，表现为受无机氮控制的劣四类水域面积大于受活性磷酸盐控制的劣四类水质面积。各类水质面积占台州近岸海域总面积的比例如下，夏季一类水质的海域面积均在75%以上（无机氮为76.02%，活性磷酸盐为81.66%），而冬季一类水质的海域面积基本为零（无机氮为0，活性磷酸盐为0.22%），两种污染物在不同季节、不同水质占台州近岸海域总面积的比例见表1。

图  2  2018年实测无机氮分布图

Figure 2.  Measured inorganic nitrogen distribution in 2018

图  3  2018年实测活性磷酸盐分布图

Figure 3.  Measured labile phosphate distribution in 2018

余流是海流中除去周期性潮流后的剩余部分^[23]，余流对近岸物质的输送有重要作用，根据上文可知，不同季节无机氮和活性磷酸盐的分布特征有显著性差异，通过近岸海域的余流特征可以研究污染物在不同季节的分布差异及成因。

建立包含整个浙江近岸海域在内的大尺度模型对台州近岸海域流场进行模拟，水深及网格划分如图4所示，最大网格边长为20000 m，最小网格边长为300 m，节点数为67412个，单元数为129338个，模型计算步长取0.02～60 s。外海开边界采用潮位预报方法，具体如下：

图  4  模型网格及地形

Figure 4.  Model grid and terrain

式中：$ {A}_{0} $为平均海面高程；$ {\sigma }_{n} $为分潮圆频率；$ {V}_{n} $为分潮迟角；$ {A}_{n} $、$ {G}_{n} $为调和常数；r为非周期性水位变化，11个分潮包括8个常用的分潮（K1、O1、P1、Q1、K2、M2、N2、S2）和3个浅水分潮（M4、M6、MS4）。风压场采用欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的再分析数据，空间分辨率为0.125°×0.125°，时间间隔为6 h。

利用模型中台州海域内的两个潮位站和四个全潮水文站对数学模型进行验证（图5、图6）。从潮位验证结果可见，大小潮各潮位站模型潮位与实测潮位过程吻合，模型的涨落潮历时、相位与实测资料基本一致；流速、流向验证过程与实测过程的吻合也较好（因篇幅所限，仅给出大潮期流速、流向验证结果），说明模型采用的物理参数和计算参数基本合理，计算方法可靠，成功反演了台州海域的潮流运动特性。

图  5  潮位验证

Figure 5.  Verification of tidal level

图  6  潮流验证

Figure 6.  Verification of tidal current

对为期一个月的流场进行平均，得到3月（3月1日0时－4月1日0时）、5月（5月1日0时－6月1日0时）、8月（8月1日0时－9月1日0时）以及10月（10月1日0时－11月1日0时）的平均余流场如图7所示。台州近岸海域秋、冬季（10月、3月）余流整体为南向流，春、夏季（5月、8月）余流整体为北向流。在图7所示的流场中，大陈岛西侧由于受岸线和众多岛屿的影响，余流方向较为杂乱，大陈岛东侧余流整体流向则较为一致；在大陈岛东侧至台州近岸海域东侧边界这一区域内，统计了各月平均余流流速，其中，10月平均余流流速最大，为12.09 cm/s，5月平均余流流速最小，为2.10 cm/s，3月和8月平均余流流速分别为2.69 cm/s和3.97 cm/s。

图  7  各月平均余流场

Figure 7.  Average residual flow field in each month

比较不同月份的污染物分布及其对应的余流流场可以发现，当余流为南向流时，台州近岸海域污染情况较严重，四类和劣四类水质面积占据台州近岸海域面积的大部分（表1），而当余流为北向流时情况则相反。从两种污染物在不同月份分布的整体情况来看，台州近岸海域北部受污染的情况较南部更为严重。

对4个月余流场做进一步分析发现，大陈岛东侧至台州近岸海域东边界区域内始终有一个“余流通道”，即图7a～图7d中黑色虚线区域。从“余流通道”中心所处的位置并结合余流场各月份余流流向可以看出，当余流为北向流时，“余流通道”中心位置偏东；当余流为南向流时，“余流通道”中心位置偏西。考虑到地转偏向力在北半球向右，因此，这一现象应当是潮流在运动中受地转偏向力影响的结果。

以二类、三类和四类水质分布区域为研究对象，对比无机氮和活性磷酸盐在不同季节（月）的分布情况，可以发现，两类污染物的分布具有一定的共性。以无机氮分布特点为例对其进行说明，活性磷酸盐的分布特点类似：秋季（10月）二类、三类和四类水质区域均呈狭长的条带状，东西向宽度十分狭窄，且三种水质的分布宽度较为一致；冬季（3月）三种水质的分布形状变得不规则，东西向宽度均有增加，台州近岸海域内一类水质的分布面积为零；春季（5月）椒江口南侧区域三种水质分布区域也呈较规则的条带状，但东西向宽度较秋季（10月）增加明显；夏季（8月）受台州近岸海域南侧水质良好的北向流影响，三种水质分布区域主要集中在台州近岸海域的北部区域，且近岸海域水质情况是四个季节（月）中最好的。在无机氮实测分布图中选取一垂直岸线的断面（断面位置见图2），无机氮浓度沿程分布如图8所示，拟合线由实测数据进行线性拟合得到。从图8中可以看出，秋季（10月）和冬季（3月）污染物浓度东西向梯度明显大于春季（5月）和夏季（8月）。

图  8  各季节代表性月无机氮断面浓度分布

Figure 8.  Cross-section concentration distribution of inorganic nitrogen in representative months of each season

对不同季节（月）余流场流向和“余流通道”的分布位置进行分析，可以得出三种水质（二类、三类和四类）分布的形成原因。秋季（10月），强烈的南向流携带受污染的水体南下，在向台州近岸海域输送污染物的同时，由于其流速快，使近岸污染物有更强（相对于3月）的沿岸输送趋势。这一方面增大了台州近岸海域受污染的程度，表现为劣四类水质面积占台州近岸海域总面积的45.33%，在四个季节中占比最大；另一方面使污染物的沿岸分布相较于冬季（3月）更加均匀。冬季（3月），南向流向台州近岸海域输送污染物，由于流速减小，污染物沿岸输送的趋势减弱，在台州近岸海域获得更长的停留时间，其向外海扩散的时间也同步增加，变相加强了污染物向外海扩散的趋势，这就可以解释为什么秋季（10月）三种水质（二类、三类和四类）的分布区域狭长，污染物浓度东西向梯度大，而冬季（3月）三种水质（二类、三类和四类）的分布区域东西向变宽且形状不规则，污染物东西向梯度减小。春季（5月），余流场方向转为北向，北向流携带优质水体北上，优质水体在稀释了近岸海域的污染物的同时，还抵御了北部区域污染物向南扩散，改善了近岸海域的水质状况。夏季（8月），余流方向仍为北向，且一类水质区域面积占台州近岸海域面积的76.02%，表明春季（5月）到夏季（8月）北向余流持续改善了台州近岸海域的水质。台州近岸海域北部，夏季（8月）与春季（5月）污染物分布情况相似，虽然夏季（8月）水质优于春季（5月），但夏季（8月）和春季（5月）台州近岸海域北部区域整体的受污染情况都较为严重，表明北向余流改善台州近岸海域北部尤其是西北部水质的能力较弱。本文认为造成上述现象的原因如下：由于受大陈岛及其北侧岛屿的阻碍，这些岛屿东侧及北侧的余流流速明显减小，流速降低削弱了余流输送污染物的能力，导致台州近岸海域北部尤其是西北部在春季（5月）和夏季（8月）受污染的程度比同时期其他区域更为严重。

（1）不同季节无机氮和活性磷酸盐在台州近岸海域具有相似的分布特征。台州近岸海域夏季（8月）水质最好，一类水质区域面积占比分别达76.02%（无机氮）和81.66%（活性磷酸盐）；秋季（10月）水质最差，劣四类水质区域面积占比分别为45.33%（无机氮）和33.48%（活性磷酸盐）。整体来看，椒江口和大陈岛及两者的北部区域受污染情况比其南部更为严重。

（2）台州近岸海域春季（5月）和夏季（8月）平均余流为北向，秋季（10月）和冬季（3月）平均余流为南向。就平均余流流速而言，秋季（10月）余流流速最大，为12.09 cm/s。当平均余流为南向流时，台州近岸海域的污染情况比余流为北向流时严重。对不同季节（月）的余流场进行分析，发现台州近岸海域存在“余流通道”。当平均余流场向北时，“余流通道”中心位置偏东，污染物浓度东西向梯度较小；当余流场向南时，“余流通道”中心位置偏西，污染物浓度东西向梯度较大。

（3）南向流会携带污染物进入台州近岸海域，导致水体中的污染物浓度增大。当南向流流速增大时，污染物沿岸输送趋势明显；当南向流流速减小时，则污染物沿岸输送趋势减弱，但向外海扩散的趋势加强。北向流能够稀释水体中的污染物，减轻水体受污染的程度。

（4）受大陈岛及其北侧岛屿的阻碍，北向流的平均余流流速在这些岛屿的东侧及北侧小于周围地区，导致春季（5月）和夏季（8月）台州近岸海域西北部区域的受污染情况比其他地区严重。