渤海弱層化期湍流混合觀測特征分析

徐鵬昭，楊偉*，趙亮，魏皓，聶紅濤

(1.天津大學 海洋科學與技術學院，天津 300072；2.天津科技大學 海洋與環境學院，天津 300457)

1 引言

位于太平洋西側邊緣的渤海是一個半封閉淺海，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，東部通過渤海海峽與北黃海相連，水交換能力較差。歷史觀測資料與數值模擬結果顯示，渤海季節性層化形成于4月，到9月結束，在層化季節，渤海中央淺灘南北兩側的洼地會出現非對稱雙中心冷水結構[1-6]。

近年來隨著環渤海經濟的發展，渤海富營養化加劇，環境逐年惡化，其中渤海中部夏季底層低氧現象加重是一個顯著特征。低氧的發生主要是由于季節性層化的出現抑制了表層溶解氧向下層的補充，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散過程直接相關，認識湍流混合的特征與影響因素對于理解低氧發生具有至關重要的作用。同時湍流混合也是水體結構及營養鹽通量的關鍵控制因子，對初級生產力及顆粒物的沉降、再懸浮、絮凝與解凝等過程有重要影響[10-11]。Rippeth等[12]在愛爾蘭海的觀測指出，間歇性強剪切引起的混合能顯著影響營養鹽的跨躍層輸運；Williams等[13]夏季在凱爾特海的觀測發現由風生慣性振蕩引起的混合為次表層葉綠素最大值區提供了其生產所需的33%～71%硝酸鹽。因此，海洋湍流混合機制研究也是理解淺海環境問題的重要環節。

目前，黃、東海已有較多的湍流混合觀測[14-17]，然而渤海的直接湍流觀測仍然十分匱乏。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算出垂直湍流黏性系數的時空分布，結果表明，渤海表層湍流黏性系數季節性變化明顯，最大可達200 cm2/s，而中部及底層則分別維持在70 cm2/s與90 cm2/s左右。梁書秀等[19]進行了渤海海域內目前為止唯一的一次湍流直接剖面觀測，發現非層化期的渤海海峽北部為強混合區域，湍擴散系數與熱擴散系數在10-4～10-2m2/s之間變化，與模式研究結果量級一致，然而由于觀測區域的局限性，該研究并未給出對全渤海區域湍流混合特征及影響因素的認識。

鑒于渤海區域尚缺乏大范圍湍流直接觀測數據的現狀，2017年9月，依托國家自然科學基金委渤海共享航次調查，在渤海中部海域獲取了湍流剖面現場觀測的大面調查數據，本文將結合水文、氣象數據分析渤海湍流混合空間分布特征、統計規律并探究相關的動力因素，豐富人們對弱層化季節渤海區域湍流混合特征的認識，并為今后數值模擬與低氧現象等相關環境問題研究提供參考。

2 觀測與數據處理

2.1 觀測方法

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

水深、溫度、電導率等要素采用RBR maestro CTD觀測，儀器采樣頻率為6 Hz。流速數據則由RDI 300 KHz聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）獲得，儀器垂向分辨率為2 m，時間分辨率為2 s，在具體分析中，我們對流速數據進行了10 min平均，利用流速的u、v分量進一步計算得到2 m分辨率的垂向剪切數據（公式為船載RM YOUNG風速儀進行風速觀測，Campbell Scientific HMP45-L 探頭用于觀測氣溫、濕度以及氣壓，采樣間隔均為10 s。

2.2 VMP數據處理

VMP高頻流速剪切脈動的觀測由翼型壓電陶瓷探頭測得，基于Taylor冰凍假設

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

水平流速的時間變化率被轉換為垂向剪切數據，式中，W為儀器下降速度；U為脈動流速；t為時間；z為深度（圖2a）。湍動能耗散率的計算主要基于RSI提供的ODAS Matlab Library Manual v4.3程序進行，相關數據處理理論與方法在很多文獻中已有過詳細說明[21-23]，本節簡要描述本文數據的處理過程。

（1）首先通過比較局地標準差的方法剔除剪切觀測的奇異值，之后對數據進行帶通濾波以消除低頻剪切與高頻噪聲的影響，截斷頻率分別為0.7 Hz（對應波數約1 cpm）與98 Hz（對應波數約140 cpm）。

以2 m為間隔對處理后的剪切數據運用快速傅里葉轉換得到剪切譜，運用Goodman相干噪聲去除方法[24]消除儀器振動噪聲干擾，之后擬合Nasmyth譜[25]迭代計算得到湍動能耗散率 ε，ε的計算公式為

式中，v為 分子黏性系數；流速脈動剪切的方差可通過積分剪切譜 Φ (k)來得到；積分下限k1為剪切譜可分辨的最低波數（約2 cpm）；上限k2與Kolmogorov波數有關，同時需要結合Nasmyth譜迭代擬合出準確結果。

為消除船體擾動、表面波對數據的影響，我們根據下放速度和儀器姿態選取5～10 m以深數據進行耗散率的計算，并對整個剖面進行50%重疊運算（圖2b至圖2e）得到1 m分辨率的耗散率剖面（圖2f）。

（2）湍擴散系數Kρ由Osborn[26]提出的下式計算，

式中，Γ為混合效率，本文取傳統常數值0.2；浮性頻率平方N2由位勢密度 ρ、重力加速度g的函數關系式N2=-(g/ρ)(dρ/dz)計算得到。

3 結果

3.1 水文要素分布特征

渤海區域觀測站位的溫鹽結構分布（圖3a，圖3b）表明，9月中旬渤海區域溫躍層基本消失，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，萊州灣灣口區域受黃河沖淡水影響呈現出相對高溫低鹽的特征。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稱的南北雙中心冷水結構依稀可見。

圖3c和圖3d給出了位勢密度與浮性頻率平方的分布。萊州灣水體的高溫低鹽結構導致此處海水密度最低，N2大值（＞10-3s-2）出現在 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@主要是受黃河淡水輸入的影響；另一處出現在渤海海峽北部，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）；不同深度范圍的實測剪切波數譜（藍色虛線）與對應的理論Nasmyth譜（紅色虛線），紅色三角表示剪切譜的積分上限（b～e）；耗散率 ε（橘黃實線）與位勢密度 σθ（灰線）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

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

為了進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個觀測斷面的浮性頻率平方、剪切平方、耗散率與湍擴散系數的變化情況。黃河口至遼東灣灣頂方向的斷面A為空間跨度最大斷面，中部淺灘南北兩側地勢低洼，斷面從南到北溫度逐漸降低，水體垂向混合均勻。躍層最強出現在黃河口附近10 m以淺水層中，湍流混合強度較弱，因此造成了較低的垂向湍擴散系數（約10-6m2/s），相對于水體內部，表底層水體的耗散率與湍擴散系數較大，湍擴散系數最大值出現在北部的近表層，達到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東側老鐵山水道附近水體層結與剪切均較強，而躍層處水體混合強度較弱，擴散系數低至10-6m2/s，斷面B西側近岸處10 m以淺水體混合較強。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，這可能與潮流和地形底摩擦相互作用有關，湍動能耗散率最大為9×10-5W/kg，湍擴散系數最大可達5×10-2m2/s；位于灣口中部的B47站層結相對較強（N2＞10-4s-2），對應該站位出現了最低的湍動能耗散率（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散系數均較低。

3.3 湍動能耗散率與垂向湍擴散系數的統計特征

本小節將對渤海湍動能耗散率與垂向湍擴散系數的統計特征進行分析。研究發現對于混合較為均勻的表層或底邊界層水體，耗散率與湍擴散系數通常滿足對數正態分布的統計規律[23,27-31]。對數正態分布[32]對應的累積分布函數為

圖4 湍動能耗散率 ε（a）和垂向湍擴散系數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）、湍動能耗散率（ε）（黑線：等溫線）以及垂向湍擴散系數（Kρ）（灰線：等密線）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)

觀測數據（圖6a）顯示，耗散率 ε 大致滿足 μlnε=-16.96，σlnε=2.62的對數正態分布，因此弱層化期渤海區域的耗散率可以用=1.3×10-6W/kg與=4.3×10-8W/kg的對數正態分布模型表示，此平均值與中位數的值高于Lozovatsky等[27]夏季在東海陸坡處的觀測結果垂向湍擴散系數大致符合μlnKρ=-9.12，σlnKρ=2.93的對數正態分布（圖6b）。在高 ε（大于10-6W/kg）與高Kρ區間（大于10-2m2/s），實際的概率稍稍偏離正態分布曲線（圖6紅色點劃線）。

4 討論：湍流混合影響因素分析

圖6 對數湍動能耗散率（log10ε）（a）與對數湍擴散系數（log10Kρ）（b）累積概率（CDF）分布Fig.6 The cumulative distribution functions (CDF) of log10ε (a) and log10Kρ(b)

風能與潮能是陸架海水體混合的主要能量來源，本節將進一步分析風混合與潮能耗散對渤海海域水體垂向混合的作用。由于船載ADCP觀測數據垂向覆蓋范圍有限，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能耗散率與海面以上10 m處風速和正壓潮流速的散點對應圖，湍動能耗散率對數值 log10〈ε〉均與二者表現出較明顯的正相關關系，相關系數分別為0.45和0.28，這說明風力和潮流強度與渤海混合水平有一定的相關性。由于在近海表與海底并沒有得到足夠的湍動能耗散觀測數據，本文無法針對風與潮對水體混合的影響做更進一步的定量分析，然而，從定性的角度上可以看出風混合與潮能耗散對水體的垂向混合均有重要的貢獻。

圖7 各站位平均耗散率的對數 log10〈ε〉與海面以上10 m處風速（黑色三角）（a）和OTIS模型得到的正壓潮流速（黑色實心圓）（b）的對應關系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）的散點分布（灰色圓點）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r2=0.93，圖8a中大部分中位數結果都落在95%置信區間內，表明關系式對觀測結果的擬合效果較好。對于的弱層化水體，湍動能耗散率隨層結強度的增強而遞減，顯示出層結對水體垂向混合的抑制作用。當時，水體中湍動能耗散率基本上不再隨的變化而變化，而穩定在背景值（ε0）上下，此值與Lozovatsky等[27]研究東海得到的湍動能耗散率的背景值相近。用同樣方法研究耗散率 ε與2 m分辨率的間的關系，趨勢上湍動能耗散率隨著剪切的增強而上升，表明流速剪切對水體混合具有一定的驅動作用。

5 結論

渤海秋季科學考察獲取了大量水文、流速、氣象等現場觀測數據，實現了對渤海海域中部大范圍湍流的直接觀測。本文重點利用VMP觀測分析了渤海弱層化季節湍流混合特征以及可能的影響因素，結論如下：

（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層結；在黃河沖淡水影響下，萊州灣呈現相對高溫低鹽的結構。

（2）觀測期間渤海海域表底層水體混合較強，觀測到的湍動能耗散率平均值為1.4×10-7W/kg，垂向湍擴散系數平均值為6.6×10-3m2/s，湍動能耗散率與垂向湍擴散系數在統計上近似滿足對數正態分布。研究發現各站位風速與正壓潮流速均與深度平均湍動能耗散率呈正相關關系，說明風混合與潮能耗散對于決定渤海水體混合水平起著至關重要的作用。進一步分析發現水體中的湍動能耗散率與浮性頻率近似滿足的擬合函數關系，表明水體層結對垂向混合的抑制作用。

在接下來的研究中，如何進一步利用溶解氧濃度剖面數據與VMP觀測計算溶解氧的垂向通量，這對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，大部分站位并無明顯躍層，因此，不同站位水柱厚度計算范圍的選取對垂向溶解氧通量的最終量值可能會有重要影響。與此同時，完善對渤海湍流混合特征的空間分布、季節變化等的認識也需要更多不同季節湍流混合的觀測數據。

致謝：本研究的數據及樣品采集得到國家自然科學基金委員會共享航次計劃（航次編號：NORC2017-01)的資助，該航次由中國海洋大學“東方紅2”號科考船實施，同時對參與數據采集與處理工作的凡仁福、孫雪、王雅麗等人，在此一并致謝。