背景介紹：溶解物質(zhì)（例如氧氣）穿過(guò)沉積物-水界面（SWI）的垂直輸送在中上層和沉積物生態(tài)系統中發(fā)揮著(zhù)重要作用。接近SWI時(shí)，垂直傳輸受底部邊界層(BBL)中的湍流渦流擴散和擴散邊界層(DBL)中的分子擴散控制。由于需要精密的儀器和細致的操作，δDBL的原位測量在技術(shù)上具有挑戰性，缺乏這種測量成為估算擴散通量的瓶頸。先前對BBL和DBL的測量表明δDBL受到BBL動(dòng)力學(xué)的影響。在此基礎上，嘗試開(kāi)發(fā)一種利用動(dòng)態(tài)參數的δDBL標度方法。擴散通量對δDBL和DBL濃度差的依賴(lài)性在之前的研究中已被廣泛討論。許多基于模型和現場(chǎng)測量的研究揭示了擴散通量的δDBL。到目前為止，對潛在因素對擴散通量影響的綜合分析還很少，而且擴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和擴散通量的標度方法。δDBL和擴散通量的正確參數化對于表征SWI附近過(guò)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現場(chǎng)觀(guān)測的挑戰。另一方面對沿海海域的復雜性和瞬態(tài)特征的研究將有助于對SWI周?chē)臄U散輸運有更深入的了解。在這項研究中，研究人員報告了長(cháng)江口的新觀(guān)測結果，并將新數據與之前在兩個(gè)沿海海域（渤海灣和會(huì )昌灣潮間帶泥灘）的觀(guān)測結果進(jìn)行了綜合。三個(gè)觀(guān)測點(diǎn)分別位于東海、渤海和黃海，通過(guò)對前兩次觀(guān)測進(jìn)行了初步分析。長(cháng)江口、渤海灣和會(huì )昌灣的BBL動(dòng)力強迫分別為強、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(guān)測數據集可以比較不同環(huán)境下的氧氣傳輸，并有可能開(kāi)發(fā)統一的縮放方法。

Unisense水下原位剖面分析系統的應用

長(cháng)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(huì )昌灣（北緯36.30°，東經(jīng)120.65°），會(huì )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(kāi)始于SWI上方約1-2毫米，結束于SWI下方約2-3毫米，此時(shí)沉積物中的氧濃度達到恒定且較低的值。這確保了MP4解決了缺氧區。在每個(gè)深度，短暫的5秒暫停后讓傳感器達到平衡，以1Hz記錄五個(gè)值。每個(gè)輪廓的測量需要~15-30分鐘。在長(cháng)江口、渤海灣和會(huì )昌灣分別獲得了23條、19條和11條氧氣剖面圖。

實(shí)驗結果

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(cháng)江口、會(huì )昌灣和渤海灣的BBL動(dòng)力強迫分別為強、中和弱，水柱中氧濃度分別為低、高和中。因此，三個(gè)數據集的綜合為開(kāi)發(fā)可應用于不同場(chǎng)景的δDBL和擴散通量的統一參數化提供了良好的機會(huì )。研究了擴散通量對潛在影響因素的依賴(lài)性。結果表明，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(guò)δDBL影響J avg。提出了使用底棲T、S、U、C BBL測量和z 0估計的J avg的簡(jiǎn)單縮放關(guān)系。

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

圖2、顯示了長(cháng)江口總共23個(gè)觀(guān)測到的氧氣剖面和相應的模型?；谟^(guān)測（黑圈）、模型擬合（紅線(xiàn)）和模型耗氧率Roxygen）剖面圖（藍色階梯線(xiàn)）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(xiàn)性下降。上部沉積物區域的濃度斜率小于DBL中的濃度斜率，反映出上部沉積物中的擴散系數小于水中的擴散系數。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(guān)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%，表明處于準穩態(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(xiàn)和白線(xiàn)分別表示δDBL和zmax。(a)長(cháng)江口、(b)渤海灣、(c)會(huì )昌灣底部沉積物-水界面內氧濃度(Coxygen)隨深度變化。黑線(xiàn)和白線(xiàn)分別表示DBL厚度和穿透深度。

圖4、顯示了三個(gè)近岸海域氧濃度標準差(σoxygen)的垂直分布。(a)長(cháng)江口、(b)渤海灣、(c)會(huì )昌灣氧濃度標準差(σoxygen)的垂直分布。黑色實(shí)心圓圈表示觀(guān)測值，藍線(xiàn)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，強烈的湍流使氧濃度混合至接近均勻；而在DBL中，湍流渦流擴散被抑制，分子擴散成為氧傳輸的控制過(guò)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(cháng)江口和會(huì )昌灣，沉積物中的σoxygen平均小于1個(gè)數量級。在DBL中，這部分是由于氧濃度下降，但主要是由于DBL中擴散傳輸的影響逐漸減弱所致。

圖5、擴散通量(J avg)與以下各項的散點(diǎn)圖：(a)BBL中的氧濃度(C BBL)，(b)標準化底棲溫度(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(xiàn)描繪了通過(guò)最小二乘擬合獲得的線(xiàn)性回歸，并顯示了回歸擬合的相關(guān)系數(r)。面板(g)中的垂直線(xiàn)可作為區分U的大值和小值的指導。

結論與展望

本研究使用了unisense水下原位分析系統（Unisense Mini Profiler MP4）分析了三個(gè)沿海海域不同動(dòng)力和氧氣環(huán)境下擴散邊界層（DBL）和底部邊界層（BBL）的原位測量?？偨Y了以前的DBL厚度(δDBL)的縮放方法。導致派生關(guān)系兩側尺寸一致的三種方法都植根于巴徹勒長(cháng)度尺度。當應用壁定律時(shí)，將巴徹勒長(cháng)度尺度表示為流速(U)函數的方法被發(fā)現最適合縮放δDBL。擴散通量由動(dòng)態(tài)強制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(lái)縮放?；诘讞珳囟?、鹽度、U、CBBL的測量和底部粗糙度的估計，開(kāi)發(fā)了一種有效的方法來(lái)縮放擴散通量。主要基于U的δDBL縮放和擴散通量的縮放很好地擬合了來(lái)自三個(gè)站點(diǎn)的數據，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。這項研究的重點(diǎn)是SWI周?chē)鯕獾臄U散傳輸，但獲得的關(guān)于δDBL的標度關(guān)系和擴散通量的知識可以更廣泛地應用于其他溶解物質(zhì)。在未來(lái)的研究中，可望通過(guò)同時(shí)量化沉積物生化過(guò)程和水體物理過(guò)程來(lái)實(shí)現擴散通量的縮放。