长江口海域环境要素分布及湍流混合

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长江口及其邻近海域是整个中国东海范围内平均水深最浅,营养物质最多,生物密度最大的区域。由于长江每年将数十亿立方米的淡水汇入东海,致使该海域在口门附近几百平方公里范围内形成冲淡水与海水的层化结构。这种强层化结构形成了天然“屏障”,一方面阻隔上层溶解氧、叶绿素等环境要素向跃层下输运,另一方面也会阻隔来自海底的营养物质向上传递。在河口海域中,湍流就是调节上下层之间物质及能量平衡的“枢纽”。因此,针对湍流混合机制及调节能力的研究就成了弄清该海域物理、生物及地球化学过程的核心问题。本文第一部分采用2016年7月间于长江口海域进行25小时连续观测获取的温度、盐度、溶解氧及海水流速等数据,结合简化的垂向一维物质输运模型对日周期内跨跃层的溶解氧输运进行了研究,具体研究结果如下:(1)本次观测地点属于长江口冲淡水控制海域,具有典型的河口海域层化结构。跃层平均厚度为2-3米,其核心所在位置会随着潮流流速的强弱而上下变动,跃层变动范围是水下5-10米。潮汐性质为不正规半日潮,上混合层被高温、低盐的长江冲淡水所控制;下混合层则是相对低温、高盐的海水。(2)利用密度及流速数据计算出了25小时内的浮性频率平方(N2)为10-1.5-10-4.5 s-2,剪切能量平方(S2)为10-1-10-5 s-2。Richardson数的分布与温盐结构类似,被Ri=0.25的等值线分为两个部分,且Ri=0.25所在位置基本与跃层核心位置一致。该分界线以上,Ri>0.25,层化强度要强于剪切强度,水体处于稳定状态;分界线以下,Ri<0.25,剪切强度大于层化,流速剪切将促进水体中的物质的混合。(3)观测期间的湍流耗散率ε为10-4-10-1W/kg,垂向湍流扩散率Kz为10-4-10-2m2/s。以此为基础,结合一个简化的一维输运模型计算出了日周期内溶解氧跨跃层向下输运量为4.75 mmol/(m2·d)。同时,本文利用其他学者在长江口海域进行的沉积物耗氧与水体耗氧的研究成果探讨计算结果的可靠性。最后,从本次得到计算结果出发,给出了长江口海域低氧现象的发生过程推演。本文第二部分中,利用MSS 90L湍流仪及ADCP获取的湍流数据及环境要素数据,研究了强层化、强潮流环境下河口海域中湍流混合的影响因素及作用机制,具体研究结果如下:(1)上混合层会受到海表面风、太阳辐射及日夜变化的影响,出现不同程度的波动。整个观测过程中,跃层中湍流耗散率在全部时间段均处于较低的状态,抑制了环境要素的跨越层输运。(2)潮流的变化是引起水体长江口海域湍流混合最重要的因素之一。涨落潮期间,湍动能耗散率ε>10-6.5w·kg-1;当停(平)潮时,湍动能耗散率ε降低至10-7.5w·kg-1。从Ri数变化发现潮流导致的强湍流混合控制着整个水体,湍动能耗散率与湍流扩散系数同时具有明显的半日周期变化,且该周期长度与观测地点主要分潮(M2分潮)频率相接近。(3)除了受到潮流影响外,内波也是影响湍流耗散的另一个因素。本次观测发现一个频率为f=1.415×10-5Hz的内波带来了显著的跃层抬升。另外,内波过程的发生会激发湍流的产生,提高湍流混合效率。
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