3分析與討論

3.1氧通量質(zhì)量評估

根據匯泉灣測點(diǎn)附近底質(zhì)條件、測點(diǎn)固定高度估算了本次實(shí)驗指示區域范圍，區域長(cháng)約為55.275m；寬1.567m；最大貢獻點(diǎn)位于海流上游距測點(diǎn)2.512m位置。本次實(shí)驗由于觀(guān)測時(shí)間處于漲潮期階段，因此測得的溶解氧通量極度不穩定，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(xué)家AC Hume利用渦動(dòng)相關(guān)方法在海草生長(cháng)區測得的+121 mmol O2/m2/d和美國科學(xué)家Berg在西法爾茅斯河口區域測得的+77.5 mmol O2/m2/d的溶解氧通量相比數值較低。這可能有以下幾個(gè)原因。首先，研究區域存在較大差異。本次實(shí)驗區域位于匯泉灣潮間帶，匯泉灣內無(wú)河流入海，砂源貧乏，加之測點(diǎn)區域的砂質(zhì)沉積物上滿(mǎn)布礫石，雖然存在貽貝類(lèi)和藻類(lèi)生物，但沉積物內有機質(zhì)含量和指示區域內海草密度都無(wú)法與海草和河口區域相比。其次，2016年6月4日當天陰有小雨，較弱的太陽(yáng)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(huì )對底棲植物光合作用產(chǎn)生負面影響。

另外，通過(guò)對所得漲潮期時(shí)段內溶解氧通量和水平、垂向流速序列的相關(guān)系數分析，發(fā)現氧通量和水平流速序列相關(guān)系數只有0.084，與垂向流速序列相關(guān)系數為0.398，表明本次實(shí)驗測得的溶解氧通量主要受垂向流速影響，這與渦動(dòng)相關(guān)理論依據是相符的。

3.2頻譜分析

為進(jìn)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。功率譜密度函數指示了數據中不同頻率成分所占百分比。典型的功率譜結果見(jiàn)圖8。對于觀(guān)測起始的11:40～11:55數據段(burst 1)，可以看出0.093～0.279 Hz頻段(對應時(shí)間間隔為3.58～10.75s)是總功率譜的主要貢獻頻段，這一時(shí)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Lorrai C等人研究發(fā)現，當沉積物之上1m水平流速達到20cm/s，該區域可被視為高度湍流區域，其渦動(dòng)時(shí)間尺度約為0.2～10 s。這也與此次實(shí)驗結果極為一致。不過(guò)也可以發(fā)現這一時(shí)段內頻率大于1 Hz的高頻成分占比很低，僅占15.59%。對于觀(guān)測過(guò)程中間階段的13:20～13:35數據段(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(zhù)增長(cháng)，達到63.57%。另外，0.4～0.62 Hz頻段(對應時(shí)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(zhù)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(zhù)海流和波浪作用的加劇，高頻成分貢獻逐漸擴大。根據匯泉灣波浪周期的歷史統計信息，可以推斷夏季東南向波浪作用是該測區溶解氧動(dòng)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(guò)比較每個(gè)時(shí)間段的累加共譜曲線(xiàn)，可以看出隨著(zhù)時(shí)間推移，數據主要貢獻頻帶逐漸向高頻移動(dòng)(見(jiàn)圖9)。對于burst1時(shí)間段，共譜區間為一條凹型曲線(xiàn)，主要貢獻頻段為0.093～0.279 Hz(對應時(shí)間間隔為3.58～10.75s)。對于burst3、7、10時(shí)間段來(lái)說(shuō)，曲線(xiàn)形狀逐漸變?yōu)橥剐颓€(xiàn)，這表明在漲潮期開(kāi)始的2h內高頻成分的影響快速擴大并在接近滿(mǎn)潮時(shí)逐漸趨于穩定。大于0.8Hz的頻帶占比從20.17%增長(cháng)到71.40%，湍流引發(fā)的極度不穩定的水動(dòng)力條件導致了溶解氧通量的大幅度波動(dòng)。

圖9 burst1,burst3,burst7和burst10四個(gè)時(shí)段累加共譜圖

5結論

基于Reynolds分解理論和Taylor凍結流假說(shuō)，利用聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)、溶解氧微電極和溫鹽深儀(CTD)構建了渦動(dòng)相關(guān)原位觀(guān)測系統，并將其應用在青島近海潮間帶礫石海灘，對溶解氧通量進(jìn)行了原位觀(guān)測。觀(guān)測結果表明，在一個(gè)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。不穩定的通量結果表明近海潮間帶底棲溶解氧通量在漲潮時(shí)段會(huì )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(xué)因素的共同作用，呈現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(shí)間間隔為3.58～10.75s)頻帶為其主要貢獻頻段。通過(guò)對不同時(shí)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(zhù)主導推進(jìn)作用。本次實(shí)驗也驗證了渦動(dòng)相關(guān)系統應用于近海潮間帶底棲溶解氧觀(guān)測的可行性，為進(jìn)一步了解海底邊界層有機質(zhì)的生產(chǎn)分解，開(kāi)展早期成巖規律和生物地球化學(xué)進(jìn)程研究提供了準確的科學(xué)依據和可靠的技術(shù)支持。