河口微結(jié)構(gòu)觀測(cè)與小尺度動(dòng)力過程研究進(jìn)展

任 杰，劉守江

（1.中山大學(xué)a.海洋學(xué)院；b.近岸海洋科學(xué)與技術(shù)研究中心，廣州 510275；2.西華師范大學(xué)　國(guó)土資源學(xué)院，四川　南充 637009）

河口微結(jié)構(gòu)觀測(cè)與小尺度動(dòng)力過程研究進(jìn)展

任 杰1，劉守江2

（1.中山大學(xué)a.海洋學(xué)院；b.近岸海洋科學(xué)與技術(shù)研究中心，廣州 510275；2.西華師范大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院，四川南充 637009）

河口微結(jié)構(gòu)直接與耗散和混合現(xiàn)象聯(lián)系在一起，在能量串級(jí)中扮演重要角色。河口微結(jié)構(gòu)的研究起步于20世紀(jì)90年代，主要集中在下面幾個(gè)方面：（1）微結(jié)構(gòu)觀測(cè)技術(shù)與設(shè)備取得了突破性的進(jìn)展；（2）河口能耗、混合過程與湍流相互作用；（3）河口湍動(dòng)能平衡及浮力能量估算；（4）河口微結(jié)構(gòu)的典型尺度分析。河口微結(jié)構(gòu)觀測(cè)與小尺度過程盡管已取得系列重要進(jìn)展，但在河口界面的微結(jié)構(gòu)觀測(cè)與小尺度過程對(duì)極端性氣候-水文事件的響應(yīng)研究尚有發(fā)展的空間。

微結(jié)構(gòu)；小尺度過程；湍流；河口

0 引 言

在早期（20世紀(jì)50-80年代），以Pritchard［1-3］，Ippen［4］，F(xiàn)ischer［5］，Dyer［6，7］和Officer［8］等為代表，對(duì)與鹽水運(yùn)動(dòng)相關(guān)的基本河口現(xiàn)象與過程進(jìn)行了開創(chuàng)性和奠基性的研究工作，這些研究工作主要集中在河口密度環(huán)流、鹽水入侵長(zhǎng)度、河口鹽淡水混合類型、河口混合過程、河口環(huán)流與最大渾濁帶的關(guān)系等基本和重要的水動(dòng)力學(xué)問題。鹽度的層化與混合在過去的經(jīng)典研究中雖有涉及，但其一般多局限在平均流或更宏觀的尺度上。當(dāng)近20-30年來小尺度上的細(xì)微結(jié)構(gòu)的觀測(cè)成為可能時(shí)，許多河口過程的小尺度結(jié)構(gòu)才逐漸成為河口海岸學(xué)中一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。

海洋物理要素場(chǎng)的小尺度結(jié)構(gòu)，通常是指垂向尺度小于常規(guī)海洋學(xué)觀察層次間距的海水狀態(tài)參數(shù)的層次結(jié)構(gòu)。一般而言，海水狀態(tài)參數(shù)的垂向尺度小于1m的稱為微結(jié)構(gòu)（m icrostructure）［9］，河口微結(jié)構(gòu)的垂向尺度尚無明確的定義，應(yīng)該比海洋微結(jié)構(gòu)尺度要小。在微結(jié)構(gòu)現(xiàn)象中，湍流與分子過程起著主要作用。近岸河口區(qū)域的微結(jié)構(gòu)研究明顯晚于海洋微結(jié)構(gòu)研究。近10來年，國(guó)際同行在近岸河口環(huán)境的微結(jié)構(gòu)觀測(cè)和小尺度過程研究上取得了一系列重要的成果［10-17］。

河口微結(jié)構(gòu)在能量串級(jí)中扮演重要角色，直接與耗散和混合現(xiàn)象聯(lián)系在一起，因此研究河口微結(jié)構(gòu)對(duì)于區(qū)域能量和動(dòng)量傳輸有著相當(dāng)重要的意義。

1 河口微結(jié)構(gòu)過程

常規(guī)調(diào)查結(jié)果顯示，河口環(huán)境水體的溫度和鹽度等狀態(tài)參數(shù)的分布和變化總是那么光滑而連續(xù)。但實(shí)際現(xiàn)象并非如此，在2008年1月23日的珠江虎門口的微結(jié)構(gòu)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，河口動(dòng)力環(huán)境中最重要的兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)溫度與鹽度的垂向分布存在著許多時(shí)空尺度較小的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，它們是一系列的、由許多近乎均勻的水層和較薄的強(qiáng)梯度水層相間疊置的階梯狀結(jié)構(gòu)（圖1）。這種現(xiàn)象并不是珠江河口的特例，在世界其它河口的精密調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)構(gòu)［17，18］。

圖1　珠江虎門口溫、鹽微結(jié)構(gòu)剖面（a）及垂向梯度分布（b）（2008年1月23日21∶00）

在這種小尺度的垂向結(jié)構(gòu)中，常伴隨著顯著的流速鉛直切變［19］。我們?cè)谕握{(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在鹽度強(qiáng)梯度薄層中，流速鉛直切變模量也相應(yīng)出現(xiàn)峰值，而在各階梯層內(nèi)，流速的平均切變模量明顯要小得多，兩者可以相差好幾個(gè)數(shù)量級(jí)（圖2）。計(jì)算表明，在強(qiáng)梯度薄層中，理查森數(shù)的量級(jí)為 1，呈穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)；但在各階梯層內(nèi)理查森數(shù)較小，水體大體上處于臨界（中性）穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2　珠江崖門口近底層流速鉛直切變模量垂向分布（（a）為瞬時(shí)流；（b）為平均流）

在自然條件下，水體狀態(tài)參數(shù)鉛直分布的微結(jié)構(gòu)，作為一些物理行為的表象，本質(zhì)上往往與多種重要的河口動(dòng)力過程或效應(yīng)聯(lián)合作用緊密聯(lián)系在一起，如剪切不穩(wěn)定（shear instabilities）、內(nèi)波剪切（internal shears）、潮汐應(yīng)變（tidal straining）、對(duì)流、密度倒置（density overturn）等，包括一些生物學(xué)過程也可能對(duì)微結(jié)構(gòu)有所貢獻(xiàn)［20］。在這個(gè)問題上，還需要進(jìn)一步的觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)和理論研究。然而，微結(jié)構(gòu)的存在，可使聲散射增強(qiáng)，引起局地聲強(qiáng)的急劇改變；對(duì)于估計(jì)通過躍層的鉛直熱交換速率，了解湍流和混合擴(kuò)散過程，都有重要的意義。

與微結(jié)構(gòu)相關(guān)的能耗問題在珠江河口富有特色，表現(xiàn)為：（1）珠江河口能量消耗的空間分布很不均勻，存在若干高能耗區(qū)。不同部位潮平均能耗率相差可達(dá)4—5個(gè)數(shù)量級(jí)。其中，地貌尺度的動(dòng)力結(jié)構(gòu)對(duì)于整個(gè)河口消能至關(guān)重要［21-22］?？臻g差異顯著的能耗現(xiàn)象與微結(jié)構(gòu)顯然有著不可分割的聯(lián)系。（2）珠江崖門河口的垂向積分尺度在觀測(cè)期間平均約5.2cm（圖3），為河口典型的流速微結(jié)構(gòu)形式，拖曳系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、粗糙長(zhǎng)度等湍流特征參數(shù)都表現(xiàn)出空間-時(shí)間高度相關(guān)性，這與流速微結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布密切聯(lián)系。然而微結(jié)構(gòu)與上述過程的深入關(guān)系則需要對(duì)這些小尺度行為作進(jìn)一步的研究。

圖3　珠江河口崖門的積分尺度隨潮變化過程

大量的觀測(cè)表明，這種狀態(tài)參數(shù)鉛直分布的細(xì)微結(jié)構(gòu)，是河口中普遍存在的重要特征。在河口地區(qū)，如圖1所示的這種流動(dòng)梯度或能源來源是非常豐富的，如潮汐變化，固體邊界以及風(fēng)的作用都可以產(chǎn)生梯度，從而提供湍流的垂向混合與水體層結(jié)，形成系列復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)。

2 研究進(jìn)展

2.1 微結(jié)構(gòu)觀測(cè)

微結(jié)構(gòu)的觀測(cè)經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的過程，Stewart和Grant［23］率先在一個(gè)潮汐河道里進(jìn)行了湍流觀測(cè)。隨后他們進(jìn)一步應(yīng)用湍流譜分析方法討論了Kolmogorov慣性子區(qū)與慣性-平流子區(qū)（inertial-convective subrange）的動(dòng)力特征［24］。垂向剪切、剖面電導(dǎo)與溫度等這種小尺度脈動(dòng)的直接測(cè)量?jī)x器首先在美國(guó)［25-27］、加拿大［28］、俄羅斯［29，30］、德國(guó)［31］（Prandke et al.，1985）和澳大利亞［32］問世，自此以后，不同的研究團(tuán)隊(duì)開始提高和發(fā)展新型微結(jié)構(gòu)儀器，如AMP和CHAMELEON［33］，BAKLAN和GRIF［34］，F(xiàn)LY［35］和EPSONDE［36］。近來隨著一些商業(yè)剖面儀的面市，如MSS［37］，TURBOMAP［38］和PME［39］，越來越多的研究者開始關(guān)注湍流微結(jié)構(gòu)動(dòng)力及其對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響，尤其是近20—30年來，海洋微結(jié)構(gòu)研究成為海洋物理學(xué)研究中的一個(gè)非常活躍的領(lǐng)域。

微結(jié)構(gòu)在近岸河口區(qū)域的存在，同海洋區(qū)域一樣普遍和重要，但其研究起步已是明顯晚于海洋微結(jié)構(gòu)研究數(shù)十年。過去河口海岸學(xué)者較多地關(guān)注河口過程、海岸行為的大尺度現(xiàn)象［40，41］，直至近10來年，國(guó)際同行開始把目光更多地投注在近岸河口環(huán)境的微結(jié)構(gòu)觀測(cè)和小尺度過程上［10，12-17］，并取得了一系列重要的進(jìn)展。

盡管微結(jié)構(gòu)測(cè)量的歷史可以追溯到30多年前，微結(jié)構(gòu)變量的估算在伴隨著微結(jié)構(gòu)觀測(cè)的同時(shí)也就開始了，但像一些重要的微結(jié)構(gòu)特征量（如湍流動(dòng)能耗散，溫、鹽脈動(dòng)，渦動(dòng)擴(kuò)散）在不同自然環(huán)境水體里的精確估算，特殊界面（躍層、鋒面）的微結(jié)構(gòu)特征，及微結(jié)構(gòu)資料處理技術(shù)（比如受波浪污染的微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的湍流分離）等問題還有待進(jìn)一步提高［42］。

2.2 河口小尺度動(dòng)力過程研究

河口混合過程的研究始于1960s［43，44］，由于觀測(cè)技術(shù)的限制，過去的大部分研究都聚焦在平均流尺度的觀測(cè)和結(jié)構(gòu)上，及其對(duì)相關(guān)大尺度過程的解釋。湍流與動(dòng)量輸運(yùn)、鹽度混合之間的相互關(guān)系，及混合過程的動(dòng)力學(xué)機(jī)制是深入理解河口過程的關(guān)鍵問題［45］。隨著近年微結(jié)構(gòu)觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展（如剪切剖面儀的應(yīng)用），湍流耗散可以直接測(cè)量，河口層化混合過程與湍流相互作用的研究開始了嘗試性的研究工作［46］。

在20世紀(jì)的50-70年代，新的海洋觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展使海洋要素的厘米尺度觀測(cè)成為可能，由此引發(fā)了對(duì)粘性和擴(kuò)散耗散尺度的直接觀測(cè)及湍流混合過程的深入分析。正如Gargett［47］指出，小尺度混合過程的研究有三種途徑：（1）根據(jù)大尺度行為的潛在原因進(jìn)行推論；（2）小尺度混合過程的直接觀測(cè)；（3）以水槽實(shí)驗(yàn)和理論模型為基礎(chǔ)的過程研究。在20世紀(jì)60年代前，因湍流不能直接觀測(cè)，推論法扮演了主要角色，以至于在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)我們對(duì)實(shí)際的微結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)很不夠［48］。早期的河口微結(jié)構(gòu)測(cè)量聚焦在能量尺度（energetic scales），像湍流脈動(dòng)引起的粘性和擴(kuò)散等小尺度過程最先在深海展開，后來演變成了現(xiàn)在眾所周知的微結(jié)構(gòu)觀測(cè)。

湍流垂向混合是河口動(dòng)量與鹽分平衡最重要的動(dòng)力過程之一，20世紀(jì)50-60年代，河口環(huán)流的經(jīng)典理論［2，3，49-53］認(rèn)為，鹽躍層（halocline）的湍流混合是河口動(dòng)力平衡項(xiàng)中的積分部分（integral part），量級(jí)最小。然而Peters［54］在Hudson河口進(jìn)行的一系列微結(jié)構(gòu)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，潮汐河口的湍流混合呈現(xiàn)出一種變化模式：在弱層化底層潮混合強(qiáng)烈，小潮期鹽躍層界面湍流混合弱，大潮落潮期則整個(gè)水體混合強(qiáng)烈，對(duì)于后者，垂向湍動(dòng)鹽度通量的典型值為0.001kg·m-2·s-1，這個(gè)數(shù)值足以消除長(zhǎng)達(dá)4h的高鹽水（haline）分層，由此說明了河口鹽躍層界面位置（cross halocline）湍流混合的重要性［55］，因此河口動(dòng)力平衡分析中，小尺度的垂向混合過程在鹽度躍層的影響是不容忽視的。

在物理海洋學(xué)中，動(dòng)量、物質(zhì)及熱的垂向湍流通量估算方法一般根據(jù)簡(jiǎn)化的穩(wěn)態(tài)湍動(dòng)能（TKE）方程（假定空間各向同性）。湍量動(dòng)能 q2的非穩(wěn)態(tài)平衡方程和標(biāo)量（如溫度、鹽度）脈動(dòng)（scalar fluctuation）方差Θ的平衡方程如下［56］：

上式中因擴(kuò)散與平流項(xiàng)（diffusion and advection terms）通常比主要項(xiàng)小得多而被忽略。，穩(wěn)態(tài)條件下湍流動(dòng)能的剪切生成（shear production）G主要與粘性耗散（vicous dissipation）ε和浮力通量（buoyancy flux）（穩(wěn)態(tài)分層流）B平衡。ε以熱的形式損失能量，為匯項(xiàng)。在穩(wěn)定分層流下重力做負(fù)功，能量損失，B是匯項(xiàng)，而在不穩(wěn)定流條件下重力做正功，B為源項(xiàng)［17］。而標(biāo)量脈動(dòng)（溫、電導(dǎo)、鹽等）的能量生成Gθ主要與標(biāo)量耗散χθ平衡。

湍流混合涉及一個(gè)重要參量，即浮力通量的估算，垂向浮力通量是難于直接測(cè)量的參數(shù)，因此常常通過一些容易直接觀測(cè)的變量去估算浮力通量。在過去的十多年，大量的學(xué)者對(duì)河口密度與流速的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了直接觀測(cè)［12，57-60］，并間接估算浮力通量B，主要方法有：（1）Osborn［61］方法（1980），假定混合效率γ的上限為0.2，則浮力通量界限為 B≤0.2ε；（2）Ivey and Imberger［62］方法（1991），定義通量里查森數(shù) Rf，Rf=1/（1 +ε/B），Rf與湍流Froude數(shù)Frt=（LO/LE）2/3和湍流Reynolds數(shù)Fet=（LE/LK）4/3有關(guān)，其中，LO=（ε/N3）1/2是 Ozmidov尺度，是穩(wěn)定分層流的最大湍渦（turbulent eddies），LK=（ν3/ε）1/4是 Kolmogorov尺度，是可能的最小尺度，LE=（ρ2）1/2?ρ/?z是Ellison尺度，是湍渦的垂向位移（vertical displacement），湍流動(dòng)能在此轉(zhuǎn)換為勢(shì)能。（3）Simpson et al.［63］方法（2005），Simpson認(rèn)為水平密度梯度的應(yīng)變（straining）導(dǎo)致漲潮期間動(dòng)力不穩(wěn)定，而落潮期間動(dòng)力穩(wěn)定，從而有，式中ξ為水面高度，?為深度平均流速。（4）Osborn and Cox方法（1972），對(duì)于穩(wěn)態(tài)和橫向均勻流，根據(jù)標(biāo)量脈動(dòng)守恒（conservation of scalar fluctuations）計(jì)算浮力通量［64］：，上述4種方法分別從平均流尺度與湍流尺度對(duì)浮力通量進(jìn)行估算。

河口混合是通過不穩(wěn)定的小尺度運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，這種重力不穩(wěn)定機(jī)制稱之為倒置（overturn），倒置失穩(wěn)（collapse of overturn）會(huì)耗散機(jī)械能（mechanical energy），并使一些物理要素場(chǎng)（溫、鹽）發(fā)生擴(kuò)散輸運(yùn)。Thorpe［65］提出了一種發(fā)生密度倒置的觀測(cè)資料分析技術(shù)，他定義了一個(gè)Thorpe尺度，即將一個(gè)包含密度倒置的瞬時(shí)密度剖面進(jìn)行重新排序，重構(gòu)為一個(gè)單調(diào)的穩(wěn)定剖面，然后計(jì)算垂向位移d’，則垂向位移的均方根即為 Thorpe尺度 LTh=rms（d’），而反映密度倒置的垂向尺寸用最大LThmax表示。Thorpe尺度也可直接估算湍流動(dòng)能的耗散，也可以用來量化垂向水層的混合率［66］。從密度倒置資料估算能耗率時(shí)，假定Thorpe尺度與Ozmidov尺度同一量級(jí)，LO=（e/N3）1/2，則浮力與慣性力相等，層化水流中存在最大垂向尺度運(yùn)動(dòng)。Dillon［67］認(rèn)為Thorpe尺度與Ozmidov尺度強(qiáng)烈相關(guān)，并成比例，有LO=0.8LT，則能耗率可由Thorpe尺度估算：ε=（0.8LT）2N3，而渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)可由Ozm idov尺度表示：Kν=0.2LO2N［28］，也可表示為Kν=0.1LT

2N［18］。在河口鹽度層化界面會(huì)表現(xiàn)出較大的Thorpe尺度分布，表明索普尺度與垂向混合存在密切關(guān)系。

3 討 論

河口水體層化控制垂向混合（影響熱、鹽、動(dòng)量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)垂向通量）的強(qiáng)度，是影響河口動(dòng)量、能量交換與物質(zhì)輸運(yùn)的重要因子，因此河口水體層化、混合過程是淺海和河口物理學(xué)研究的關(guān)鍵問題之一［68］。盡管其間涉及的湍流是一個(gè)尚未完全解決的科學(xué)問題，甚至有關(guān)它的一些最基本的假設(shè)也受到理論和實(shí)驗(yàn)的質(zhì)疑［69］。但不進(jìn)入湍流微結(jié)構(gòu)的觀測(cè)與小尺度過程分析，是難以真正深入認(rèn)識(shí)河口動(dòng)力過程的。

盡管在河口層化、混合過程的理論研究與微結(jié)構(gòu)觀測(cè)方面，國(guó)際上已初步取得了可喜的成果，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)，此領(lǐng)域尚有充分發(fā)展的空間。（1）河口存在豐富的界面過程，如鹽躍層、風(fēng)驅(qū)水表混合層、底剪切Ekman層、鋒面等，這些重要的河口物理過程的研究工作過去一直在大尺度過程上開展的，其湍流微結(jié)構(gòu)特征與小尺度動(dòng)力機(jī)制層面的理論成果也是令人期待的；（2）其次，河口小尺度過程對(duì)極端性氣候—水文事件的響應(yīng)研究較少（這與災(zāi)變事件的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)存在極大難度有一定關(guān)系）。以往的研究多集中在利用湍流動(dòng)能平衡方程分析正常氣象條件下的微結(jié)構(gòu)特征，而缺少風(fēng)暴潮、大洪水等事件條件下的微結(jié)構(gòu)形態(tài)探討。實(shí)際上極端事件也是河口重要的動(dòng)力過程之一，它們所起的作用可能產(chǎn)生超過自身尺度數(shù)倍的響應(yīng)效應(yīng)，如數(shù)天尺度的洪水作用，其漫灘淤積幅度可能比正常淤積強(qiáng)度大數(shù)個(gè)量級(jí)。因此這些過程下發(fā)生的微結(jié)構(gòu)更值得我們關(guān)注；（3）當(dāng)前涉及的河口微結(jié)構(gòu)觀測(cè)與理論分析很少與尺度問題聯(lián)系起來，它們與傳統(tǒng)的研究手段近似，僅僅局限在微結(jié)構(gòu)資料對(duì)應(yīng)的小尺度上，而與大尺度的聯(lián)系及兩者之間的解藕或藕合問題，恰恰是復(fù)雜的非線性的河口系統(tǒng)面臨的主要問題之一。

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A Literature Review on Estuarine M icrostructure and Small Scale Dynam ic Processes

Ren Jie1，Liu Shoujiang2
（1.Institute of Estuarine and Coastal Research，Marine school of SunYat-Sen University，Guangzhou 510275，China；2.Land&Resources School，China West Normal University，Nanchong Sichuan 637009，China）

Estuarine microstructure，contacted directly with dissipation and mixing processes，plays an important role on energy cascade.Early research on estuarinem icrostructure beganin the 90’s of last century，and great progress has been made on the following aspects：（1）obvious progress of observation technology and instrument；（2）interaction of estuarine energy dissipation rate，m ixing processes and turbulence；（3）estuarine turbulent kinetic energy balance and estimate buoyant flux；（4）typical scales analysis on estuarine microstructure.Although considerable achievements have been madein estuarine m icrostructure and small scale processes，but m icrostructure measurement of estuarine interface and extreme hydrometeorological incident need more research.

m icrostructure；small scale process；turbulent；estuary

P737.121

A

10.16246/j.issn.1673-5072.2016.01.016

1673-5072（2016）01-0107-07

2015-12-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41476072）

任 杰（1975—），男，四川南部人，副教授，博士，主要從事近岸河口動(dòng)力沉積過程研究。

任 杰，E-mail：renjie@mail.sysu.edu.cn