背景介绍：溶解物质（例如氧气）穿过沉积物-水界面（SWI）的垂直输送在中上层和沉积物生态系统中发挥着重要作用。接近SWI时，垂直传输受底部边界层(BBL)中的湍流涡流扩散和扩散边界层(DBL)中的分子扩散控制。由于需要精密的仪器和细致的操作，δDBL的原位测量在技术上具有挑战性，缺乏这种测量成为估算扩散通量的瓶颈。先前对BBL和DBL的测量表明δDBL受到BBL动力学的影响。在此基础上，尝试开发一种利用动态参数的δDBL标度方法。扩散通量对δDBL和DBL浓度差的依赖性在之前的研究中已被广泛讨论。许多基于模型和现场测量的研究揭示了扩散通量的δDBL。到目前为止，对潜在因素对扩散通量影响的综合分析还很少，而且扩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环境下进行更多测量，以改进δDBL和扩散通量的标度方法。δDBL和扩散通量的正确参数化对于表征SWI附近过程的生物物理模型是必要的。


在沿海海域，高能潮汐流进一步增加了DBL现场观测的挑战。另一方面对沿海海域的复杂性和瞬态特征的研究将有助于对SWI周围的扩散输运有更深入的了解。在这项研究中，研究人员报告了长江口的新观测结果，并将新数据与之前在两个沿海海域（渤海湾和会昌湾潮间带泥滩）的观测结果进行了综合。三个观测点分别位于东海、渤海和黄海，通过对前两次观测进行了初步分析。长江口、渤海湾和会昌湾的BBL动力强迫分别为强、弱和中。而水柱中的氧气浓度分别为低、中和高。因此这三个观测数据集可以比较不同环境下的氧气传输，并有可能开发统一的缩放方法。


Unisense水下原位剖面分析系统的应用


长江口（北纬30.84°，东经122.66°），平均水深19.6m。渤海湾（北纬39.05°，东经117.87°），平均水深为6.5m。在会昌湾（北纬36.30°，东经120.65°），会昌湾半日潮汐周期中沉积物被海水覆盖，最大水深2.0m。在海底部署了三脚架。安装在三脚架上的仪器是Unisense Mini Profiler MP4。使用配备有Clark型氧微传感器（OX25，Unisense A/S）的Unisense Mini Profiler MP4测量氧浓度分布。三个测试站点MP4的工作模式相同。每个剖面的垂直分辨率为50μm。剖面测量开始于SWI上方约1-2毫米，结束于SWI下方约2-3毫米，此时沉积物中的氧浓度达到恒定且较低的值。这确保了MP4解决了缺氧区。在每个深度，短暂的5秒暂停后让传感器达到平衡，以1Hz记录五个值。每个轮廓的测量需要~15-30分钟。在长江口、渤海湾和会昌湾分别获得了23条、19条和11条氧气剖面图。


实验结果


对具有不同底部边界水动力和氧气环境的三个沿海海域的DBL和BBL进行了原位测量。长江口、会昌湾和渤海湾的BBL动力强迫分别为强、中和弱，水柱中氧浓度分别为低、高和中。因此，三个数据集的综合为开发可应用于不同场景的δDBL和扩散通量的统一参数化提供了良好的机会。研究了扩散通量对潜在影响因素的依赖性。结果表明，Javg受ΔC和δDBL控制。ΔC进一步由C BBL和归一化底栖温度(2 T/Tm)确定，它们分别代表氧气供应和消耗。它们对J avg的相对重要性取决于其变异性的大小。动态因素主要通过δDBL影响J avg。提出了使用底栖T、S、U、C BBL测量和z 0估计的J avg的简单缩放关系。

图1、研究区域地图，其中长江口、渤海湾和会昌湾使用放大面板（右侧）突出显示，测量位置用实心圆圈表示。等深线（虚线）表示以米为单位的等值线。

图2、显示了长江口总共23个观测到的氧气剖面和相应的模型。基于观测（黑圈）、模型拟合（红线）和模型耗氧率Roxygen）剖面图（蓝色阶梯线）从图中可以看出三个地点的氧气剖面垂直分布遵循相似的模式。BBL中的氧浓度几乎一致，DBL中的氧浓度向SWI线性下降。上部沉积物区域的浓度斜率小于DBL中的浓度斜率，反映出上部沉积物中的扩散系数小于水中的扩散系数。对于所有三个地点，PROFILE模型都很好地模拟了DBL和r2高于0.99的沉积物中观测到的氧气分布。对于每个剖面，沉积物中氧浓度的深度积分时间变化小于深度积分耗氧量的4%，表明处于准稳态条件。

图3、三个地点中每个地点的SWI（沉积物-水界面）附近氧浓度的时间深度变化，黑线和白线分别表示δDBL和zmax。(a)长江口、(b)渤海湾、(c)会昌湾底部沉积物-水界面内氧浓度(Coxygen)随深度变化。黑线和白线分别表示DBL厚度和穿透深度。

图4、显示了三个近岸海域氧浓度标准差(σoxygen)的垂直分布。(a)长江口、(b)渤海湾、(c)会昌湾氧浓度标准差(σoxygen)的垂直分布。黑色实心圆圈表示观测值，蓝线表示相同深度的中值。DBL中的σoxygen值用红色表示。在所有三个站点中，BBL中的σoxygen平均小于DBL中的σoxygen。在BBL中，强烈的湍流使氧浓度混合至接近均匀；而在DBL中，湍流涡流扩散被抑制，分子扩散成为氧传输的控制过程。从SWI到沉积物，三个站点的σoxygen均有所下降，特别是在长江口和会昌湾，沉积物中的σoxygen平均小于1个数量级。在DBL中，这部分是由于氧浓度下降，但主要是由于DBL中扩散传输的影响逐渐减弱所致。

图5、扩散通量(J avg)与以下各项的散点图：(a)BBL中的氧浓度(C BBL)，(b)标准化底栖温度(2T/Tm),(c)DBL上的氧浓度差(ΔC),(d)DBL厚度(δDBL),(e)湍流动能耗散率(εm)，(f)摩擦速度(u∗)，(g)流速(U)。(h)ΔC与δDBL的散点图。在每个图中，直线描绘了通过最小二乘拟合获得的线性回归，并显示了回归拟合的相关系数(r)。面板(g)中的垂直线可作为区分U的大值和小值的指导。


结论与展望


本研究使用了unisense水下原位分析系统（Unisense Mini Profiler MP4）分析了三个沿海海域不同动力和氧气环境下扩散边界层（DBL）和底部边界层（BBL）的原位测量。总结了以前的DBL厚度(δDBL)的缩放方法。导致派生关系两侧尺寸一致的三种方法都植根于巴彻勒长度尺度。当应用壁定律时，将巴彻勒长度尺度表示为流速(U)函数的方法被发现最适合缩放δDBL。扩散通量由动态强制δDBL和DBL上的氧浓度差(ΔC)控制。ΔC的值可以使用BBL的氧浓度(C BBL)和归一化的底栖温度来缩放。基于底栖温度、盐度、U、CBBL的测量和底部粗糙度的估计，开发了一种有效的方法来缩放扩散通量。主要基于U的δDBL缩放和扩散通量的缩放很好地拟合了来自三个站点的数据，尽管它们在动态和氧气环境中存在明显差异。研究增加了一种沿海水域更加活跃的动态条件下DBL的新原位测量方法。这项研究的重点是SWI周围氧气的扩散传输，但获得的关于δDBL的标度关系和扩散通量的知识可以更广泛地应用于其他溶解物质。在未来的研究中，可望通过同时量化沉积物生化过程和水体物理过程来实现扩散通量的缩放。