3分析與討論

3.1氧通量質量評估

根據(jù)匯泉灣測點附近底質條件、測點固定高度估算了本次實驗指示區(qū)域范圍，區(qū)域長約為55.275m；寬1.567m；最大貢獻點位于海流上游距測點2.512m位置。本次實驗由于觀測時間處于漲潮期階段，因此測得的溶解氧通量極度不穩(wěn)定，變化范圍為-16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d，平均值為+11.3876 mmol O2/m2/d。這與美國科學家AC Hume利用渦動相關方法在海草生長區(qū)測得的+121 mmol O2/m2/d和美國科學家Berg在西法爾茅斯河口區(qū)域測得的+77.5 mmol O2/m2/d的溶解氧通量相比數(shù)值較低。這可能有以下幾個原因。首先，研究區(qū)域存在較大差異。本次實驗區(qū)域位于匯泉灣潮間帶，匯泉灣內無河流入海，砂源貧乏，加之測點區(qū)域的砂質沉積物上滿布礫石，雖然存在貽貝類和藻類生物，但沉積物內有機質含量和指示區(qū)域內海草密度都無法與海草和河口區(qū)域相比。其次，2016年6月4日當天陰有小雨，較弱的太陽輻照度減弱了底棲植物的光合作用。第三，波浪和海流引發(fā)的沉積物再懸浮使海水濁度增加，也會對底棲植物光合作用產生負面影響。

另外，通過對所得漲潮期時段內溶解氧通量和水平、垂向流速序列的相關系數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)氧通量和水平流速序列相關系數(shù)只有0.084，與垂向流速序列相關系數(shù)為0.398，表明本次實驗測得的溶解氧通量主要受垂向流速影響，這與渦動相關理論依據(jù)是相符的。

3.2頻譜分析

為進一步分析海流和波浪作用對溶解氧通量的影響，分別計算了溶解氧濃度、垂向速度的功率譜密度及二者的共功率譜密度和累加共譜。功率譜密度函數(shù)指示了數(shù)據(jù)中不同頻率成分所占百分比。典型的功率譜結果見圖8。對于觀測起始的11:40～11:55數(shù)據(jù)段(burst 1)，可以看出0.093～0.279 Hz頻段(對應時間間隔為3.58～10.75s)是總功率譜的主要貢獻頻段，這一時間間隔與匯泉灣歷史記錄的5.4～11s的平均波浪周期極為吻合。據(jù)Lorrai C等人研究發(fā)現(xiàn)，當沉積物之上1m水平流速達到20cm/s，該區(qū)域可被視為高度湍流區(qū)域，其渦動時間尺度約為0.2～10 s。這也與此次實驗結果極為一致。不過也可以發(fā)現(xiàn)這一時段內頻率大于1 Hz的高頻成分占比很低，僅占15.59%。對于觀測過程中間階段的13:20～13:35數(shù)據(jù)段(burst 6)，雖然0.1～0.3Hz頻段貢獻依然突出，但可以看出其大于1 Hz的高頻成分占比顯著增長，達到63.57%。另外，0.4～0.62 Hz頻段(對應時間間隔為1.61～2.50s)成為一新的主要貢獻頻段。累加共譜表示了大于其頻率的頻段貢獻所占百分比，因此隨著頻率逐漸減小，其百分比值由零逐漸趨近于一。從圖8(D)可以看出，漲潮期間隨著海流和波浪作用的加劇，高頻成分貢獻逐漸擴大。根據(jù)匯泉灣波浪周期的歷史統(tǒng)計信息，可以推斷夏季東南向波浪作用是該測區(qū)溶解氧動態(tài)變化的主導因素。

圖8 burst1和burst6功率譜密度計算結果(A)溶解氧濃度歸一化功率譜;(B)垂向流速歸一化功率譜;(C)共功率譜密度;(D)累加共譜

通過比較每個時間段的累加共譜曲線，可以看出隨著時間推移，數(shù)據(jù)主要貢獻頻帶逐漸向高頻移動(見圖9)。對于burst1時間段，共譜區(qū)間為一條凹型曲線，主要貢獻頻段為0.093～0.279 Hz(對應時間間隔為3.58～10.75s)。對于burst3、7、10時間段來說，曲線形狀逐漸變?yōu)橥剐颓€，這表明在漲潮期開始的2h內高頻成分的影響快速擴大并在接近滿潮時逐漸趨于穩(wěn)定。大于0.8Hz的頻帶占比從20.17%增長到71.40%，湍流引發(fā)的極度不穩(wěn)定的水動力條件導致了溶解氧通量的大幅度波動。

圖9 burst1,burst3,burst7和burst10四個時段累加共譜圖

5結論

基于Reynolds分解理論和Taylor凍結流假說，利用聲學多普勒流速儀(ADV)、溶解氧微電極和溫鹽深儀(CTD)構建了渦動相關原位觀測系統(tǒng)，并將其應用在青島近海潮間帶礫石海灘，對溶解氧通量進行了原位觀測。觀測結果表明，在一個漲潮期內溶解氧通量變換范圍為-16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d。不穩(wěn)定的通量結果表明近海潮間帶底棲溶解氧通量在漲潮時段會受到海水上漲、海流流速加快等物理因素和間隙海水溶解、植物光合作用等生物化學因素的共同作用，呈現(xiàn)出極為復雜的變化形式。頻譜分析表明匯泉灣潮間帶底棲溶解氧主要受東南向波浪作用控制，0.093～0.279 Hz(對應時間間隔為3.58～10.75s)頻帶為其主要貢獻頻段。通過對不同時刻累加共譜的比較分析，可以推斷波浪作用和破碎波作用分別在漲潮期前后對底棲溶解氧通量變化起著主導推進作用。本次實驗也驗證了渦動相關系統(tǒng)應用于近海潮間帶底棲溶解氧觀測的可行性，為進一步了解海底邊界層有機質的生產分解，開展早期成巖規(guī)律和生物地球化學進程研究提供了準確的科學依據(jù)和可靠的技術支持。