渤海弱層化期湍流混合觀測(cè)特征分析

徐鵬昭，楊偉*，趙亮，魏皓，聶紅濤

(1.天津大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072；2.天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457)

1 引言

位于太平洋西側(cè)邊緣的渤海是一個(gè)半封閉淺海，海域面積77 000 km2，平均水深18 m。渤海共有5部分組成：遼東灣、渤海灣、萊州灣、中央海盆以及渤海海峽，東部通過(guò)渤海海峽與北黃海相連，水交換能力較差。歷史觀測(cè)資料與數(shù)值模擬結(jié)果顯示，渤海季節(jié)性層化形成于4月，到9月結(jié)束，在層化季節(jié)，渤海中央淺灘南北兩側(cè)的洼地會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)雙中心冷水結(jié)構(gòu)[1-6]。

近年來(lái)隨著環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，渤海富營(yíng)養(yǎng)化加劇，環(huán)境逐年惡化，其中渤海中部夏季底層低氧現(xiàn)象加重是一個(gè)顯著特征。低氧的發(fā)生主要是由于季節(jié)性層化的出現(xiàn)抑制了表層溶解氧向下層的補(bǔ)充，使向下層傳遞的溶解氧不足以抵消下層水體和海底沉積有機(jī)物礦化分解的耗氧量[6-9]。水體垂向湍流混合與溶解氧的垂向擴(kuò)散過(guò)程直接相關(guān)，認(rèn)識(shí)湍流混合的特征與影響因素對(duì)于理解低氧發(fā)生具有至關(guān)重要的作用。同時(shí)湍流混合也是水體結(jié)構(gòu)及營(yíng)養(yǎng)鹽通量的關(guān)鍵控制因子，對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力及顆粒物的沉降、再懸浮、絮凝與解凝等過(guò)程有重要影響[10-11]。Rippeth等[12]在愛(ài)爾蘭海的觀測(cè)指出，間歇性強(qiáng)剪切引起的混合能顯著影響營(yíng)養(yǎng)鹽的跨躍層輸運(yùn)；Williams等[13]夏季在凱爾特海的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)由風(fēng)生慣性振蕩引起的混合為次表層葉綠素最大值區(qū)提供了其生產(chǎn)所需的33%～71%硝酸鹽。因此，海洋湍流混合機(jī)制研究也是理解淺海環(huán)境問(wèn)題的重要環(huán)節(jié)。

目前，黃、東海已有較多的湍流混合觀測(cè)[14-17]，然而渤海的直接湍流觀測(cè)仍然十分匱乏。趙亮和魏皓[18]利用三維斜壓陸架海模式HAMSOM，以湍流的局地平衡理論封閉計(jì)算出垂直湍流黏性系數(shù)的時(shí)空分布，結(jié)果表明，渤海表層湍流黏性系數(shù)季節(jié)性變化明顯，最大可達(dá)200 cm2/s，而中部及底層則分別維持在70 cm2/s與90 cm2/s左右。梁書(shū)秀等[19]進(jìn)行了渤海海域內(nèi)目前為止唯一的一次湍流直接剖面觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)非層化期的渤海海峽北部為強(qiáng)混合區(qū)域，湍擴(kuò)散系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)在10-4～10-2m2/s之間變化，與模式研究結(jié)果量級(jí)一致，然而由于觀測(cè)區(qū)域的局限性，該研究并未給出對(duì)全渤海區(qū)域湍流混合特征及影響因素的認(rèn)識(shí)。

鑒于渤海區(qū)域尚缺乏大范圍湍流直接觀測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，2017年9月，依托國(guó)家自然科學(xué)基金委渤海共享航次調(diào)查，在渤海中部海域獲取了湍流剖面現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的大面調(diào)查數(shù)據(jù)，本文將結(jié)合水文、氣象數(shù)據(jù)分析渤海湍流混合空間分布特征、統(tǒng)計(jì)規(guī)律并探究相關(guān)的動(dòng)力因素，豐富人們對(duì)弱層化季節(jié)渤海區(qū)域湍流混合特征的認(rèn)識(shí)，并為今后數(shù)值模擬與低氧現(xiàn)象等相關(guān)環(huán)境問(wèn)題研究提供參考。

2 觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

2.1 觀測(cè)方法

2017年9月13-16日“東方紅2”號(hào)科學(xué)考察船在渤海進(jìn)行了大面觀測(cè)（圖1），本文利用加拿大Rockland Scientific International（RSI）公司生產(chǎn)的垂向微尺度剖面儀（Vertical Microstructure Profiler，VMP-200）進(jìn)行了水體湍動(dòng)能耗散率的剖面測(cè)量。VMP配備有兩個(gè)高頻剪切探頭，一個(gè)高頻溫度探頭以及一個(gè)高頻電導(dǎo)率探頭，采樣頻率均為512 Hz。為了降低纜繩擾動(dòng)影響，系纜在下放過(guò)程中時(shí)刻保持松弛，從而使VMP呈自由落體下降狀態(tài)。

水深、溫度、電導(dǎo)率等要素采用RBR maestro CTD觀測(cè)，儀器采樣頻率為6 Hz。流速數(shù)據(jù)則由RDI 300 KHz聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）獲得，儀器垂向分辨率為2 m，時(shí)間分辨率為2 s，在具體分析中，我們對(duì)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行了10 min平均，利用流速的u、v分量進(jìn)一步計(jì)算得到2 m分辨率的垂向剪切數(shù)據(jù)（公式為船載RM YOUNG風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速觀測(cè)，Campbell Scientific HMP45-L 探頭用于觀測(cè)氣溫、濕度以及氣壓，采樣間隔均為10 s。

2.2 VMP數(shù)據(jù)處理

VMP高頻流速剪切脈動(dòng)的觀測(cè)由翼型壓電陶瓷探頭測(cè)得，基于Taylor冰凍假設(shè)

圖1 渤海觀測(cè)站位分布Fig. 1 Distribution of observation stations in the Bohai Sea

水平流速的時(shí)間變化率被轉(zhuǎn)換為垂向剪切數(shù)據(jù)，式中，W為儀器下降速度；U為脈動(dòng)流速；t為時(shí)間；z為深度（圖2a）。湍動(dòng)能耗散率的計(jì)算主要基于RSI提供的ODAS Matlab Library Manual v4.3程序進(jìn)行，相關(guān)數(shù)據(jù)處理理論與方法在很多文獻(xiàn)中已有過(guò)詳細(xì)說(shuō)明[21-23]，本節(jié)簡(jiǎn)要描述本文數(shù)據(jù)的處理過(guò)程。

（1）首先通過(guò)比較局地標(biāo)準(zhǔn)差的方法剔除剪切觀測(cè)的奇異值，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波以消除低頻剪切與高頻噪聲的影響，截?cái)囝l率分別為0.7 Hz（對(duì)應(yīng)波數(shù)約1 cpm）與98 Hz（對(duì)應(yīng)波數(shù)約140 cpm）。

以2 m為間隔對(duì)處理后的剪切數(shù)據(jù)運(yùn)用快速傅里葉轉(zhuǎn)換得到剪切譜，運(yùn)用Goodman相干噪聲去除方法[24]消除儀器振動(dòng)噪聲干擾，之后擬合Nasmyth譜[25]迭代計(jì)算得到湍動(dòng)能耗散率 ε，ε的計(jì)算公式為

式中，v為 分子黏性系數(shù)；流速脈動(dòng)剪切的方差可通過(guò)積分剪切譜 Φ (k)來(lái)得到；積分下限k1為剪切譜可分辨的最低波數(shù)（約2 cpm）；上限k2與Kolmogorov波數(shù)有關(guān)，同時(shí)需要結(jié)合Nasmyth譜迭代擬合出準(zhǔn)確結(jié)果。

為消除船體擾動(dòng)、表面波對(duì)數(shù)據(jù)的影響，我們根據(jù)下放速度和儀器姿態(tài)選取5～10 m以深數(shù)據(jù)進(jìn)行耗散率的計(jì)算，并對(duì)整個(gè)剖面進(jìn)行50%重疊運(yùn)算（圖2b至圖2e）得到1 m分辨率的耗散率剖面（圖2f）。

（2）湍擴(kuò)散系數(shù)Kρ由Osborn[26]提出的下式計(jì)算，

式中，Γ為混合效率，本文取傳統(tǒng)常數(shù)值0.2；浮性頻率平方N2由位勢(shì)密度 ρ、重力加速度g的函數(shù)關(guān)系式N2=-(g/ρ)(dρ/dz)計(jì)算得到。

3 結(jié)果

3.1 水文要素分布特征

渤海區(qū)域觀測(cè)站位的溫鹽結(jié)構(gòu)分布（圖3a，圖3b）表明，9月中旬渤海區(qū)域溫躍層基本消失，水體垂向混合趨向均勻，這與前人研究結(jié)果較為一致[1-6]。黃河口附近海域受黃河淡水輸入影響，存在10 m以淺的溫躍層，中央海盆、遼東灣及渤海灣灣口處的海水鹽度在31～32左右，萊州灣灣口區(qū)域受黃河沖淡水影響呈現(xiàn)出相對(duì)高溫低鹽的特征。渤海海峽附近及遼東灣東部有23℃左右冷水，在黃河口至遼東灣方向的斷面處非對(duì)稱(chēng)的南北雙中心冷水結(jié)構(gòu)依稀可見(jiàn)。

圖3c和圖3d給出了位勢(shì)密度與浮性頻率平方的分布。萊州灣水體的高溫低鹽結(jié)構(gòu)導(dǎo)致此處海水密度最低，N2大值（＞10-3s-2）出現(xiàn)在 10 m 以淺的表層（圖 3d），集中分布在兩處：一處位于黃河入?？诟浇?，這主要是受黃河淡水輸入的影響；另一處出現(xiàn)在渤海海峽北部，這可能由外海低溫水從下層水體入侵引起（圖3a）。

圖2 B54站位原始剪切剖面（a）；不同深度范圍的實(shí)測(cè)剪切波數(shù)譜（藍(lán)色虛線(xiàn)）與對(duì)應(yīng)的理論Nasmyth譜（紅色虛線(xiàn)），紅色三角表示剪切譜的積分上限（b～e）；耗散率 ε（橘黃實(shí)線(xiàn)）與位勢(shì)密度 σθ（灰線(xiàn)）剖面（f）Fig.2 The profile of the raw shear at Station B54 (a)； the shear spectra at wavenumber space (blue dashed lines) and the corresponding Nasmyth spectra (red dotted lines) calculated within different depth ranges, the red triangles indicate the upper limits of integration (b-e)；the profiles of the calculated dissipation rate ε (orange line) and potential density σθ(gray line) (f)

圖3 溫度（a）、鹽度（b）、位勢(shì)密度（c）以及浮性頻率平方N2（d）三維空間分布Fig.3 Spatial distribution of temperature (a), salinity(b), potential density (c) and squared buoyancy frequencyN2(d) in a 3D view

3.2 湍流混合斷面分布

渤海區(qū)域共進(jìn)行了23個(gè)站位的湍流微尺度剖面觀測(cè)，湍動(dòng)能耗散率平均值為1.4×10-6W/kg，湍擴(kuò)散系數(shù)平均值為6.6×10-3m2/s。從圖4可以看出，湍動(dòng)能耗散率（ε）與擴(kuò)散系數(shù)（Kρ）在空間上呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的變化特征。遼東灣、黃河口附近以及渤海海峽中部水體混合較強(qiáng)，耗散率大值出現(xiàn)在表層與底邊界層，最大值為4.7×10-5W/kg，渤海中央海盆區(qū)躍層以下耗散率相對(duì)較小。垂向湍擴(kuò)散系數(shù)的空間分布同耗散率大體一致，垂向上呈現(xiàn)表底層混合較強(qiáng)而中間層較弱的特點(diǎn)，最大值可達(dá)2.5×10-1m2/s。

為了進(jìn)一步分析湍流混合的分布特征及其影響因素，圖5顯示了4個(gè)觀測(cè)斷面的浮性頻率平方、剪切平方、耗散率與湍擴(kuò)散系數(shù)的變化情況。黃河口至遼東灣灣頂方向的斷面A為空間跨度最大斷面，中部淺灘南北兩側(cè)地勢(shì)低洼，斷面從南到北溫度逐漸降低，水體垂向混合均勻。躍層最強(qiáng)出現(xiàn)在黃河口附近10 m以淺水層中，湍流混合強(qiáng)度較弱，因此造成了較低的垂向湍擴(kuò)散系數(shù)（約10-6m2/s），相對(duì)于水體內(nèi)部，表底層水體的耗散率與湍擴(kuò)散系數(shù)較大，湍擴(kuò)散系數(shù)最大值出現(xiàn)在北部的近表層，達(dá)到8×10-2m2/s。斷面B位于遼東灣灣口處，在外海冷水的作用下，斷面B東側(cè)老鐵山水道附近水體層結(jié)與剪切均較強(qiáng)，而躍層處水體混合強(qiáng)度較弱，擴(kuò)散系數(shù)低至10-6m2/s，斷面B西側(cè)近岸處10 m以淺水體混合較強(qiáng)。南北走向的斷面C橫跨渤海灣灣口，斷面C最顯著的特征是底混合較強(qiáng)，這可能與潮流和地形底摩擦相互作用有關(guān)，湍動(dòng)能耗散率最大為9×10-5W/kg，湍擴(kuò)散系數(shù)最大可達(dá)5×10-2m2/s；位于灣口中部的B47站層結(jié)相對(duì)較強(qiáng)（N2＞10-4s-2），對(duì)應(yīng)該站位出現(xiàn)了最低的湍動(dòng)能耗散率（約10-9W/kg）；斷面D西起黃河口，北至渤海海峽，分別受黃河沖淡水和外海冷水的影響，斷面東部和西部的N2增大，躍層處耗散率與湍擴(kuò)散系數(shù)均較低。

3.3 湍動(dòng)能耗散率與垂向湍擴(kuò)散系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征

本小節(jié)將對(duì)渤海湍動(dòng)能耗散率與垂向湍擴(kuò)散系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于混合較為均勻的表層或底邊界層水體，耗散率與湍擴(kuò)散系數(shù)通常滿(mǎn)足對(duì)數(shù)正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[23,27-31]。對(duì)數(shù)正態(tài)分布[32]對(duì)應(yīng)的累積分布函數(shù)為

圖4 湍動(dòng)能耗散率 ε（a）和垂向湍擴(kuò)散系數(shù)Kρ（b）空間分布Fig.4 Spatial distribution of turbulent kinetic energy dissipation rate ε (a) and vertical eddy diffusivityKρ(b) in a 3D view

圖5 從左列至右列分別代表斷面位置、浮性頻率平方（N2）、流速剪切平方（S2）、湍動(dòng)能耗散率（ε）（黑線(xiàn)：等溫線(xiàn)）以及垂向湍擴(kuò)散系數(shù)（Kρ）（灰線(xiàn)：等密線(xiàn)）的斷面分布Fig.5 From left to right are locations of the transects, cross-sectional distributions of squared buoyancy frequencyN2, squared shearS2,TKE dissipation rate ε (black contours：isotherms) and vertical eddy diffusivityKρ(gray contours: isopycnals)

觀測(cè)數(shù)據(jù)（圖6a）顯示，耗散率 ε 大致滿(mǎn)足 μlnε=-16.96，σlnε=2.62的對(duì)數(shù)正態(tài)分布，因此弱層化期渤海區(qū)域的耗散率可以用=1.3×10-6W/kg與=4.3×10-8W/kg的對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型表示，此平均值與中位數(shù)的值高于Lozovatsky等[27]夏季在東海陸坡處的觀測(cè)結(jié)果垂向湍擴(kuò)散系數(shù)大致符合μlnKρ=-9.12，σlnKρ=2.93的對(duì)數(shù)正態(tài)分布（圖6b）。在高 ε（大于10-6W/kg）與高Kρ區(qū)間（大于10-2m2/s），實(shí)際的概率稍稍偏離正態(tài)分布曲線(xiàn)（圖6紅色點(diǎn)劃線(xiàn)）。

4 討論：湍流混合影響因素分析

圖6 對(duì)數(shù)湍動(dòng)能耗散率（log10ε）（a）與對(duì)數(shù)湍擴(kuò)散系數(shù)（log10Kρ）（b）累積概率（CDF）分布Fig.6 The cumulative distribution functions (CDF) of log10ε (a) and log10Kρ(b)

風(fēng)能與潮能是陸架海水體混合的主要能量來(lái)源，本節(jié)將進(jìn)一步分析風(fēng)混合與潮能耗散對(duì)渤海海域水體垂向混合的作用。由于船載ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)垂向覆蓋范圍有限，本文使用Oregon State University Tidal Inversion Software（OTIS）[33]得到的包含8個(gè)主要分潮的模擬值代表各站位正壓潮流速。圖7為各站位的平均湍動(dòng)能耗散率與海面以上10 m處風(fēng)速和正壓潮流速的散點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖，湍動(dòng)能耗散率對(duì)數(shù)值 log10〈ε〉均與二者表現(xiàn)出較明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.45和0.28，這說(shuō)明風(fēng)力和潮流強(qiáng)度與渤?；旌纤接幸欢ǖ南嚓P(guān)性。由于在近海表與海底并沒(méi)有得到足夠的湍動(dòng)能耗散觀測(cè)數(shù)據(jù)，本文無(wú)法針對(duì)風(fēng)與潮對(duì)水體混合的影響做更進(jìn)一步的定量分析，然而，從定性的角度上可以看出風(fēng)混合與潮能耗散對(duì)水體的垂向混合均有重要的貢獻(xiàn)。

圖7 各站位平均耗散率的對(duì)數(shù) log10〈ε〉與海面以上10 m處風(fēng)速（黑色三角）（a）和OTIS模型得到的正壓潮流速（黑色實(shí)心圓）（b）的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 Station-averaged dissipation log10〈ε〉 versus the averaged wind speed at 10 m height during the observation period (black filled triangles) (a) and the barotropic current speed from OTIS (black filled circles) (b)

圖8 湍動(dòng)能耗散率 ε與1 m平均的歸一化浮性頻率平方N2（a）與2 m分辨率的歸一化剪切平方S2（b）的散點(diǎn)分布（灰色圓點(diǎn)）Fig.8 The turbulent kinetic energy dissipation rate ε versus the normalized squared buoyancy frequencyN2(averaged into 1 m) (a) and the normalized squared shearS2(averaged into 2 m) (b)

式中，ε0=2.0×10-8W/kg，εm=3.0×10-7W/kg，決定系數(shù)r2=0.93，圖8a中大部分中位數(shù)結(jié)果都落在95%置信區(qū)間內(nèi)，表明關(guān)系式對(duì)觀測(cè)結(jié)果的擬合效果較好。對(duì)于的弱層化水體，湍動(dòng)能耗散率隨層結(jié)強(qiáng)度的增強(qiáng)而遞減，顯示出層結(jié)對(duì)水體垂向混合的抑制作用。當(dāng)時(shí)，水體中湍動(dòng)能耗散率基本上不再隨的變化而變化，而穩(wěn)定在背景值（ε0）上下，此值與Lozovatsky等[27]研究東海得到的湍動(dòng)能耗散率的背景值相近。用同樣方法研究耗散率 ε與2 m分辨率的間的關(guān)系，趨勢(shì)上湍動(dòng)能耗散率隨著剪切的增強(qiáng)而上升，表明流速剪切對(duì)水體混合具有一定的驅(qū)動(dòng)作用。

5 結(jié)論

渤海秋季科學(xué)考察獲取了大量水文、流速、氣象等現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)渤海海域中部大范圍湍流的直接觀測(cè)。本文重點(diǎn)利用VMP觀測(cè)分析了渤海弱層化季節(jié)湍流混合特征以及可能的影響因素，結(jié)論如下：

（1）渤海秋季（9月）水體垂向混合較為均勻，受黃河沖淡水與遼東灣口低溫水的影響，在黃河口與老鐵山水道附近水體存在明顯的垂向?qū)咏Y(jié)；在黃河沖淡水影響下，萊州灣呈現(xiàn)相對(duì)高溫低鹽的結(jié)構(gòu)。

（2）觀測(cè)期間渤海海域表底層水體混合較強(qiáng)，觀測(cè)到的湍動(dòng)能耗散率平均值為1.4×10-7W/kg，垂向湍擴(kuò)散系數(shù)平均值為6.6×10-3m2/s，湍動(dòng)能耗散率與垂向湍擴(kuò)散系數(shù)在統(tǒng)計(jì)上近似滿(mǎn)足對(duì)數(shù)正態(tài)分布。研究發(fā)現(xiàn)各站位風(fēng)速與正壓潮流速均與深度平均湍動(dòng)能耗散率呈正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明風(fēng)混合與潮能耗散對(duì)于決定渤海水體混合水平起著至關(guān)重要的作用。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)水體中的湍動(dòng)能耗散率與浮性頻率近似滿(mǎn)足的擬合函數(shù)關(guān)系，表明水體層結(jié)對(duì)垂向混合的抑制作用。

在接下來(lái)的研究中，如何進(jìn)一步利用溶解氧濃度剖面數(shù)據(jù)與VMP觀測(cè)計(jì)算溶解氧的垂向通量，這對(duì)于解釋低氧消耗期的渤海底層溶解氧的平衡具有重要參考意義。秋季渤海水體垂向混合較為均勻，大部分站位并無(wú)明顯躍層，因此，不同站位水柱厚度計(jì)算范圍的選取對(duì)垂向溶解氧通量的最終量值可能會(huì)有重要影響。與此同時(shí)，完善對(duì)渤海湍流混合特征的空間分布、季節(jié)變化等的認(rèn)識(shí)也需要更多不同季節(jié)湍流混合的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

致謝：本研究的數(shù)據(jù)及樣品采集得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)共享航次計(jì)劃（航次編號(hào)：NORC2017-01)的資助，該航次由中國(guó)海洋大學(xué)“東方紅2”號(hào)科考船實(shí)施，同時(shí)對(duì)參與數(shù)據(jù)采集與處理工作的凡仁福、孫雪、王雅麗等人，在此一并致謝。