背景介紹：溶解物質(zhì)（例如氧氣）穿過沉積物-水界面（SWI）的垂直輸送在中上層和沉積物生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。接近SWI時(shí)，垂直傳輸受底部邊界層(BBL)中的湍流渦流擴(kuò)散和擴(kuò)散邊界層(DBL)中的分子擴(kuò)散控制。由于需要精密的儀器和細(xì)致的操作，δDBL的原位測量在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，缺乏這種測量成為估算擴(kuò)散通量的瓶頸。先前對BBL和DBL的測量表明δDBL受到BBL動(dòng)力學(xué)的影響。在此基礎(chǔ)上，嘗試開發(fā)一種利用動(dòng)態(tài)參數(shù)的δDBL標(biāo)度方法。擴(kuò)散通量對δDBL和DBL濃度差的依賴性在之前的研究中已被廣泛討論。許多基于模型和現(xiàn)場測量的研究揭示了擴(kuò)散通量的δDBL。到目前為止，對潛在因素對擴(kuò)散通量影響的綜合分析還很少，而且擴(kuò)散通量的量化也很差，尤其是沿海海域。因此需要在不同海洋環(huán)境下進(jìn)行更多測量，以改進(jìn)δDBL和擴(kuò)散通量的標(biāo)度方法。δDBL和擴(kuò)散通量的正確參數(shù)化對于表征SWI附近過程的生物物理模型是必要的。

在沿海海域，高能潮汐流進(jìn)一步增加了DBL現(xiàn)場觀測的挑戰(zhàn)。另一方面對沿海海域的復(fù)雜性和瞬態(tài)特征的研究將有助于對SWI周圍的擴(kuò)散輸運(yùn)有更深入的了解。在這項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)告了長江口的新觀測結(jié)果，并將新數(shù)據(jù)與之前在兩個(gè)沿海海域（渤海灣和會昌灣潮間帶泥灘）的觀測結(jié)果進(jìn)行了綜合。三個(gè)觀測點(diǎn)分別位于東海、渤海和黃海，通過對前兩次觀測進(jìn)行了初步分析。長江口、渤海灣和會昌灣的BBL動(dòng)力強(qiáng)迫分別為強(qiáng)、弱和中。而水柱中的氧氣濃度分別為低、中和高。因此這三個(gè)觀測數(shù)據(jù)集可以比較不同環(huán)境下的氧氣傳輸，并有可能開發(fā)統(tǒng)一的縮放方法。

Unisense水下原位剖面分析系統(tǒng)的應(yīng)用

長江口（北緯30.84°，東經(jīng)122.66°），平均水深19.6m。渤海灣（北緯39.05°，東經(jīng)117.87°），平均水深為6.5m。在會昌灣（北緯36.30°，東經(jīng)120.65°），會昌灣半日潮汐周期中沉積物被海水覆蓋，最大水深2.0m。在海底部署了三腳架。安裝在三腳架上的儀器是Unisense Mini Profiler MP4。使用配備有Clark型氧微傳感器（OX25，Unisense A/S）的Unisense Mini Profiler MP4測量氧濃度分布。三個(gè)測試站點(diǎn)MP4的工作模式相同。每個(gè)剖面的垂直分辨率為50μm。剖面測量開始于SWI上方約1-2毫米，結(jié)束于SWI下方約2-3毫米，此時(shí)沉積物中的氧濃度達(dá)到恒定且較低的值。這確保了MP4解決了缺氧區(qū)。在每個(gè)深度，短暫的5秒暫停后讓傳感器達(dá)到平衡，以1Hz記錄五個(gè)值。每個(gè)輪廓的測量需要~15-30分鐘。在長江口、渤海灣和會昌灣分別獲得了23條、19條和11條氧氣剖面圖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對具有不同底部邊界水動(dòng)力和氧氣環(huán)境的三個(gè)沿海海域的DBL和BBL進(jìn)行了原位測量。長江口、會昌灣和渤海灣的BBL動(dòng)力強(qiáng)迫分別為強(qiáng)、中和弱，水柱中氧濃度分別為低、高和中。因此，三個(gè)數(shù)據(jù)集的綜合為開發(fā)可應(yīng)用于不同場景的δDBL和擴(kuò)散通量的統(tǒng)一參數(shù)化提供了良好的機(jī)會。研究了擴(kuò)散通量對潛在影響因素的依賴性。結(jié)果表明，Javg受ΔC和δDBL控制。ΔC進(jìn)一步由C BBL和歸一化底棲溫度(2 T/Tm)確定，它們分別代表氧氣供應(yīng)和消耗。它們對J avg的相對重要性取決于其變異性的大小。動(dòng)態(tài)因素主要通過δDBL影響J avg。提出了使用底棲T、S、U、C BBL測量和z 0估計(jì)的J avg的簡單縮放關(guān)系。

圖1、研究區(qū)域地圖，其中長江口、渤海灣和會昌灣使用放大面板（右側(cè)）突出顯示，測量位置用實(shí)心圓圈表示。等深線（虛線）表示以米為單位的等值線。

圖2、顯示了長江口總共23個(gè)觀測到的氧氣剖面和相應(yīng)的模型?；谟^測（黑圈）、模型擬合（紅線）和模型耗氧率Roxygen）剖面圖（藍(lán)色階梯線）從圖中可以看出三個(gè)地點(diǎn)的氧氣剖面垂直分布遵循相似的模式。BBL中的氧濃度幾乎一致，DBL中的氧濃度向SWI線性下降。上部沉積物區(qū)域的濃度斜率小于DBL中的濃度斜率，反映出上部沉積物中的擴(kuò)散系數(shù)小于水中的擴(kuò)散系數(shù)。對于所有三個(gè)地點(diǎn)，PROFILE模型都很好地模擬了DBL和r2高于0.99的沉積物中觀測到的氧氣分布。對于每個(gè)剖面，沉積物中氧濃度的深度積分時(shí)間變化小于深度積分耗氧量的4%，表明處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件。

圖3、三個(gè)地點(diǎn)中每個(gè)地點(diǎn)的SWI（沉積物-水界面）附近氧濃度的時(shí)間深度變化，黑線和白線分別表示δDBL和zmax。(a)長江口、(b)渤海灣、(c)會昌灣底部沉積物-水界面內(nèi)氧濃度(Coxygen)隨深度變化。黑線和白線分別表示DBL厚度和穿透深度。

圖4、顯示了三個(gè)近岸海域氧濃度標(biāo)準(zhǔn)差(σoxygen)的垂直分布。(a)長江口、(b)渤海灣、(c)會昌灣氧濃度標(biāo)準(zhǔn)差(σoxygen)的垂直分布。黑色實(shí)心圓圈表示觀測值，藍(lán)線表示相同深度的中值。DBL中的σoxygen值用紅色表示。在所有三個(gè)站點(diǎn)中，BBL中的σoxygen平均小于DBL中的σoxygen。在BBL中，強(qiáng)烈的湍流使氧濃度混合至接近均勻；而在DBL中，湍流渦流擴(kuò)散被抑制，分子擴(kuò)散成為氧傳輸?shù)目刂七^程。從SWI到沉積物，三個(gè)站點(diǎn)的σoxygen均有所下降，特別是在長江口和會昌灣，沉積物中的σoxygen平均小于1個(gè)數(shù)量級。在DBL中，這部分是由于氧濃度下降，但主要是由于DBL中擴(kuò)散傳輸?shù)挠绊懼饾u減弱所致。

圖5、擴(kuò)散通量(J avg)與以下各項(xiàng)的散點(diǎn)圖：(a)BBL中的氧濃度(C BBL)，(b)標(biāo)準(zhǔn)化底棲溫度(2T/Tm),(c)DBL上的氧濃度差(ΔC),(d)DBL厚度(δDBL),(e)湍流動(dòng)能耗散率(εm)，(f)摩擦速度(u?)，(g)流速(U)。(h)ΔC與δDBL的散點(diǎn)圖。在每個(gè)圖中，直線描繪了通過最小二乘擬合獲得的線性回歸，并顯示了回歸擬合的相關(guān)系數(shù)(r)。面板(g)中的垂直線可作為區(qū)分U的大值和小值的指導(dǎo)。

結(jié)論與展望

本研究使用了unisense水下原位分析系統(tǒng)（Unisense Mini Profiler MP4）分析了三個(gè)沿海海域不同動(dòng)力和氧氣環(huán)境下擴(kuò)散邊界層（DBL）和底部邊界層（BBL）的原位測量?？偨Y(jié)了以前的DBL厚度(δDBL)的縮放方法。導(dǎo)致派生關(guān)系兩側(cè)尺寸一致的三種方法都植根于巴徹勒長度尺度。當(dāng)應(yīng)用壁定律時(shí)，將巴徹勒長度尺度表示為流速(U)函數(shù)的方法被發(fā)現(xiàn)最適合縮放δDBL。擴(kuò)散通量由動(dòng)態(tài)強(qiáng)制δDBL和DBL上的氧濃度差(ΔC)控制。ΔC的值可以使用BBL的氧濃度(C BBL)和歸一化的底棲溫度來縮放?；诘讞珳囟?、鹽度、U、CBBL的測量和底部粗糙度的估計(jì)，開發(fā)了一種有效的方法來縮放擴(kuò)散通量。主要基于U的δDBL縮放和擴(kuò)散通量的縮放很好地?cái)M合了來自三個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，盡管它們在動(dòng)態(tài)和氧氣環(huán)境中存在明顯差異。研究增加了一種沿海水域更加活躍的動(dòng)態(tài)條件下DBL的新原位測量方法。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是SWI周圍氧氣的擴(kuò)散傳輸，但獲得的關(guān)于δDBL的標(biāo)度關(guān)系和擴(kuò)散通量的知識可以更廣泛地應(yīng)用于其他溶解物質(zhì)。在未來的研究中，可望通過同時(shí)量化沉積物生化過程和水體物理過程來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散通量的縮放。