基于声学方法的中国近海沉积物和悬浮颗粒物动力过程观测研究
本文通过海床基观测平台和水体剖面观测系统在我国近海胶州湾外、黄海冷水团、桑沟湾及长江口外低氧区的成功应用，获取了具有高时空分辨率的温盐、流速、声学回声强度和悬浮物粒径的水体剖面或近底层时间序列，在利用声学反演模型估测悬浮颗粒物浓度和计算湍流混合动力参数的基础上，综合利用了统计分析、波谱分析、小波分析等数理方法，从“宏观”和“微观”两个切入点分析了海底沉积物或水体悬浮物在不同水动力条件下、不同湍流混合背景下的再悬浮和沉降等关键动力过程，估测了悬浮颗粒物的垂向湍扩散通量和沉降通量，并对湍流和近底沉积物的相互作用做了较为深入的研究。
从“宏观”角度上来看：在潮占优的近岸浅海，由潮流的底摩擦效应产生的潮致湍切应力不仅是沉积物再悬浮的主要机制，也是颗粒物垂向湍扩散的主要动力。此外，在胶州湾口的观测发现“假潮”对沉积物的再悬浮也起着重要作用。
首次提出了“分粒级”体积浓度Rouse剖面拟合和Stokes沉降律相结合的方法判别不同粒级悬浮颗粒物的性质(如有效密度和特征沉速)及其来源，被证明简单而有效。在长江口外低氧区，利用脉冲相关声学多普勒流速仪(PC-ADCP)对底上0.8 m之内的潮流边界层之内的流速、雷诺应力、湍流生成与耗散、悬浮沉积物浓度精细结构进行了观测(垂向分辨率0.02 m)，发现不同潮流系统相互作用导致的潮流流速突变会导致高雷诺应力(高湍动能)和显著的沉积物再悬浮事件，提出利用近底流速的水平加速度用来解释沉积物的再悬浮事件。
观测发现较强潮流会冲刷底地形，使海底粗糙度减小，进而使得海底拖曳系数减小，潮流由于“感受”到海底摩擦减小而使得垂向流速剪切及相应的雷诺应力减小。
浪致底切应力虽然是一个有力的沉积物“搅拌机”，但由于它近似做往复运动且周期很短，却不是悬浮颗粒物垂向和水平输运的有效手段。对于同等量值的潮流和波浪轨道速度，前者可以卷挟沉积物使之大量悬浮，而后者或许不能使沉积物起动。
在桑沟湾的观测中，浪致切应力控制着“底绒毛层”中沉积物的再悬浮，但由于潮流很弱，无法形成稳定的潮流边界层，涌浪导致的底绒毛层再悬浮只局限于近底层，绝大部分沉积物迅速的沉降到海底。出于浪致再悬浮导致的沉积物浓度时空变化剧烈，且达不到定常状态，潮流边界层内普遍使用的颗粒物沉降-湍扩散平衡在波浪占优的边界层内不一定适用。
从“微观”机制上来看，真正导致沉积颗粒物剥蚀、起动和再悬浮的动力是近底湍流相干结构的间歇性猝发。根据胶州湾外观测结果的归一谱分析、象限分析和小波分析，利用湍流猝发理论，构建了沉积颗粒在潮流边界层内再悬浮的微观图景，比拟湍涡的概念，利用“云状聚团”(Scdiment clouds)形象刻画颗粒物再悬浮的表现形式。
在波浪边界层内，由于波浪为高频的、强有力的运动，它们可以直接与海床作用卷挟沉积物。利用桑沟湾的近底连续观测数据，统计了一个涌浪周期内不同波动相位导致的湍动能生成和相应的沉积物浓度响应，利用统计结果构建了波浪导致的沉积物再悬浮的最可能的微观机制。
不同季节、不同混合状况水体中悬浮颗粒物的垂向分布和扩散的景象是完全不同的。在胶州湾，观测期间稳定风强迫的机械搅拌、表层海水热量损失造成的垂向强迫对流以及潮流底摩擦效应，造成跨越整个水柱的湍流混合。沉积物一旦再悬浮，马上扩散到整个水柱中去，沉积颗粒垂向输运到海表层的时间不到15分钟。
在强层结水体中，湍流混合更易受到浮力抑制，悬浮颗粒物垂向湍扩散的速度要远远小于前者，仅约为3m/hr。在黄海冷水团的观测中还发现即便非常微弱的密度“层结”(N～10-4-2.5×10-4 s-1)对水体湍动能和相应的颗粒物垂向湍扩散的抑制作用也是显著的。在高密度筏式养殖海区桑沟湾，受养殖设施及养殖生物的阻碍，潮流、波浪轨道速度以及水体湍动能被强烈抑制，再悬浮沉积物进入水体后受到的湍致升力不足而迅速沉降。
近底湍流和沉积物相互作用会显著改变边界层内湍流混合强度和颗粒物的絮凝特征。发现沉积物能显著改变水体密度形成近底层结，进而抑制湍流发展。水团微团湍动能在垂向输运沉积物的过程中转化为重力位能，大量消耗衰减。再悬浮的沉积物因湍致升力不足以克服自身重力而迅速沉降。桑沟湾的观测中发现出于近底层结效应，底摩擦速度减小了40％，湍动能减小了约60％，湍动能耗散率ε减小了近4倍。
以生物沉降为主的底沉积物，尽管粒径较大但结构松散易碎，涌浪导致的波浪边界层出于厚度很薄，流速剪切强，造成湍切应力很强，使得这些松散的绒毛层颗粒再悬浮后马上被湍涡“微剪切”搅碎，使得粒径大幅减小。
如何准确的估计沉降速度对提高悬浮颗粒物输运数值模式的精度非常重要。本文介绍了四种测量或计算悬浮颗粒物沉降速度的方法，在胶州湾的观测中做了综合应用，并分别讨论了它们的优势和不足。
利用海床基ADCP回声强度的剖面观测，结合LISST-100悬浮颗粒物粒径剖面观测，在黄海中部冷水团捕捉到一次小型浮游动物垂向迁移过程，并对控制其迁移的因素和浮游动物的垂向游泳速度进行了初步探讨和估计。
光强和食物丰度是影响浮游动物垂向迁移的最重要因素，而强湍流剪切或者稳定跃层阻隔不能决定它们是否进行垂向迁移。由于跃层内部浮游植物消耗殆尽，夜晚浮游动物主动迁移到跃层上沿的高流速剪切区进行摄食活动。小型浮游动物上升时运动速度大约为0.8-1.0mm/s，而下降时速度达到1.5-1.8mm/s。因为上升时浮游动物必须克服自身重力和强大的温跃层结，速度要比下降时慢很多。
声学方法;近海沉积物;悬浮颗粒物;动力过程观测
中国海洋大学
博士
物理海洋学
冯士筰;魏皓
2009
中文
P736.213
158
2009-10-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）