3分析与讨论


3.1氧通量质量评估


根据汇泉湾测点附近底质条件、测点固定高度估算了本次实验指示区域范围，区域长约为55.275m；宽1.567m；最大贡献点位于海流上游距测点2.512m位置。本次实验由于观测时间处于涨潮期阶段，因此测得的溶解氧通量极度不稳定，变化范围为-16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d，平均值为+11.3876 mmol O2/m2/d。这与美国科学家AC Hume利用涡动相关方法在海草生长区测得的+121 mmol O2/m2/d和美国科学家Berg在西法尔茅斯河口区域测得的+77.5 mmol O2/m2/d的溶解氧通量相比数值较低。这可能有以下几个原因。首先，研究区域存在较大差异。本次实验区域位于汇泉湾潮间带，汇泉湾内无河流入海，砂源贫乏，加之测点区域的砂质沉积物上满布砾石，虽然存在贻贝类和藻类生物，但沉积物内有机质含量和指示区域内海草密度都无法与海草和河口区域相比。其次，2016年6月4日当天阴有小雨，较弱的太阳辐照度减弱了底栖植物的光合作用。第三，波浪和海流引发的沉积物再悬浮使海水浊度增加，也会对底栖植物光合作用产生负面影响。


另外，通过对所得涨潮期时段内溶解氧通量和水平、垂向流速序列的相关系数分析，发现氧通量和水平流速序列相关系数只有0.084，与垂向流速序列相关系数为0.398，表明本次实验测得的溶解氧通量主要受垂向流速影响，这与涡动相关理论依据是相符的。


3.2频谱分析


为进一步分析海流和波浪作用对溶解氧通量的影响，分别计算了溶解氧浓度、垂向速度的功率谱密度及二者的共功率谱密度和累加共谱。功率谱密度函数指示了数据中不同频率成分所占百分比。典型的功率谱结果见图8。对于观测起始的11:40～11:55数据段(burst 1)，可以看出0.093～0.279 Hz频段(对应时间间隔为3.58～10.75s)是总功率谱的主要贡献频段，这一时间间隔与汇泉湾历史记录的5.4～11s的平均波浪周期极为吻合。据Lorrai C等人研究发现，当沉积物之上1m水平流速达到20cm/s，该区域可被视为高度湍流区域，其涡动时间尺度约为0.2～10 s。这也与此次实验结果极为一致。不过也可以发现这一时段内频率大于1 Hz的高频成分占比很低，仅占15.59%。对于观测过程中间阶段的13:20～13:35数据段(burst 6)，虽然0.1～0.3Hz频段贡献依然突出，但可以看出其大于1 Hz的高频成分占比显著增长，达到63.57%。另外，0.4～0.62 Hz频段(对应时间间隔为1.61～2.50s)成为一新的主要贡献频段。累加共谱表示了大于其频率的频段贡献所占百分比，因此随着频率逐渐减小，其百分比值由零逐渐趋近于一。从图8(D)可以看出，涨潮期间随着海流和波浪作用的加剧，高频成分贡献逐渐扩大。根据汇泉湾波浪周期的历史统计信息，可以推断夏季东南向波浪作用是该测区溶解氧动态变化的主导因素。

图8 burst1和burst6功率谱密度计算结果(A)溶解氧浓度归一化功率谱;(B)垂向流速归一化功率谱;(C)共功率谱密度;(D)累加共谱


通过比较每个时间段的累加共谱曲线，可以看出随着时间推移，数据主要贡献频带逐渐向高频移动(见图9)。对于burst1时间段，共谱区间为一条凹型曲线，主要贡献频段为0.093～0.279 Hz(对应时间间隔为3.58～10.75s)。对于burst3、7、10时间段来说，曲线形状逐渐变为凸型曲线，这表明在涨潮期开始的2h内高频成分的影响快速扩大并在接近满潮时逐渐趋于稳定。大于0.8Hz的频带占比从20.17%增长到71.40%，湍流引发的极度不稳定的水动力条件导致了溶解氧通量的大幅度波动。

图9 burst1,burst3,burst7和burst10四个时段累加共谱图


5结论


基于Reynolds分解理论和Taylor冻结流假说，利用声学多普勒流速仪(ADV)、溶解氧微电极和温盐深仪(CTD)构建了涡动相关原位观测系统，并将其应用在青岛近海潮间带砾石海滩，对溶解氧通量进行了原位观测。观测结果表明，在一个涨潮期内溶解氧通量变换范围为-16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d。不稳定的通量结果表明近海潮间带底栖溶解氧通量在涨潮时段会受到海水上涨、海流流速加快等物理因素和间隙海水溶解、植物光合作用等生物化学因素的共同作用，呈现出极为复杂的变化形式。频谱分析表明汇泉湾潮间带底栖溶解氧主要受东南向波浪作用控制，0.093～0.279 Hz(对应时间间隔为3.58～10.75s)频带为其主要贡献频段。通过对不同时刻累加共谱的比较分析，可以推断波浪作用和破碎波作用分别在涨潮期前后对底栖溶解氧通量变化起着主导推进作用。本次实验也验证了涡动相关系统应用于近海潮间带底栖溶解氧观测的可行性，为进一步了解海底边界层有机质的生产分解，开展早期成岩规律和生物地球化学进程研究提供了准确的科学依据和可靠的技术支持。