背景介紹：溶解物質（例如氧氣）穿過沉積物-水界面（SWI）的垂直輸送在中上層和沉積物生態系統中發揮著重要作用。接近SWI時，垂直傳輸受底部邊界層(BBL)中的湍流渦流擴散和擴散邊界層(DBL)中的分子擴散控制。由于需要精密的儀器和細致的操作，δDBL的原位測量在技術上具有挑戰性，缺乏這種測量成為估算擴散通量的瓶頸。先前對BBL和DBL的測量表明δDBL受到BBL動力學的影響。在此基礎上，嘗試開發一種利用動態參數的δDBL標度方法。擴散通量對δDBL和DBL濃度差的依賴性在之前的研究中已被廣泛討論。許多基于模型和現場測量的研究揭示了擴散通量的δDBL。到目前為止，對潛在因素對擴散通量影響的綜合分析還很少，而且擴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環境下進行更多測量，以改進δDBL和擴散通量的標度方法。δDBL和擴散通量的正確參數化對于表征SWI附近過程的生物物理模型是必要的。

在沿海海域，高能潮汐流進一步增加了DBL現場觀測的挑戰。另一方面對沿海海域的復雜性和瞬態特征的研究將有助于對SWI周圍的擴散輸運有更深入的了解。在這項研究中，研究人員報告了長江口的新觀測結果，并將新數據與之前在兩個沿海海域（渤海灣和會昌灣潮間帶泥灘）的觀測結果進行了綜合。三個觀測點分別位于東海、渤海和黃海，通過對前兩次觀測進行了初步分析。長江口、渤海灣和會昌灣的BBL動力強迫分別為強、弱和中。而水柱中的氧氣濃度分別為低、中和高。因此這三個觀測數據集可以比較不同環境下的氧氣傳輸，并有可能開發統一的縮放方法。

Unisense水下原位剖面分析系統的應用

長江口（北緯30.84°，東經122.66°），平均水深19.6m。渤海灣（北緯39.05°，東經117.87°），平均水深為6.5m。在會昌灣（北緯36.30°，東經120.65°），會昌灣半日潮汐周期中沉積物被海水覆蓋，最大水深2.0m。在海底部署了三腳架。安裝在三腳架上的儀器是Unisense Mini Profiler MP4。使用配備有Clark型氧微傳感器（OX25，Unisense A/S）的Unisense Mini Profiler MP4測量氧濃度分布。三個測試站點MP4的工作模式相同。每個剖面的垂直分辨率為50μm。剖面測量開始于SWI上方約1-2毫米，結束于SWI下方約2-3毫米，此時沉積物中的氧濃度達到恒定且較低的值。這確保了MP4解決了缺氧區。在每個深度，短暫的5秒暫停后讓傳感器達到平衡，以1Hz記錄五個值。每個輪廓的測量需要~15-30分鐘。在長江口、渤海灣和會昌灣分別獲得了23條、19條和11條氧氣剖面圖。

實驗結果

對具有不同底部邊界水動力和氧氣環境的三個沿海海域的DBL和BBL進行了原位測量。長江口、會昌灣和渤海灣的BBL動力強迫分別為強、中和弱，水柱中氧濃度分別為低、高和中。因此，三個數據集的綜合為開發可應用于不同場景的δDBL和擴散通量的統一參數化提供了良好的機會。研究了擴散通量對潛在影響因素的依賴性。結果表明，Javg受ΔC和δDBL控制。ΔC進一步由C BBL和歸一化底棲溫度(2 T/Tm)確定，它們分別代表氧氣供應和消耗。它們對J avg的相對重要性取決于其變異性的大小。動態因素主要通過δDBL影響J avg。提出了使用底棲T、S、U、C BBL測量和z 0估計的J avg的簡單縮放關系。

圖1、研究區域地圖，其中長江口、渤海灣和會昌灣使用放大面板（右側）突出顯示，測量位置用實心圓圈表示。等深線（虛線）表示以米為單位的等值線。

圖2、顯示了長江口總共23個觀測到的氧氣剖面和相應的模型。基于觀測（黑圈）、模型擬合（紅線）和模型耗氧率Roxygen）剖面圖（藍色階梯線）從圖中可以看出三個地點的氧氣剖面垂直分布遵循相似的模式。BBL中的氧濃度幾乎一致，DBL中的氧濃度向SWI線性下降。上部沉積物區域的濃度斜率小于DBL中的濃度斜率，反映出上部沉積物中的擴散系數小于水中的擴散系數。對于所有三個地點，PROFILE模型都很好地模擬了DBL和r2高于0.99的沉積物中觀測到的氧氣分布。對于每個剖面，沉積物中氧濃度的深度積分時間變化小于深度積分耗氧量的4%，表明處于準穩態條件。

圖3、三個地點中每個地點的SWI（沉積物-水界面）附近氧濃度的時間深度變化，黑線和白線分別表示δDBL和zmax。(a)長江口、(b)渤海灣、(c)會昌灣底部沉積物-水界面內氧濃度(Coxygen)隨深度變化。黑線和白線分別表示DBL厚度和穿透深度。

圖4、顯示了三個近岸海域氧濃度標準差(σoxygen)的垂直分布。(a)長江口、(b)渤海灣、(c)會昌灣氧濃度標準差(σoxygen)的垂直分布。黑色實心圓圈表示觀測值，藍線表示相同深度的中值。DBL中的σoxygen值用紅色表示。在所有三個站點中，BBL中的σoxygen平均小于DBL中的σoxygen。在BBL中，強烈的湍流使氧濃度混合至接近均勻；而在DBL中，湍流渦流擴散被抑制，分子擴散成為氧傳輸的控制過程。從SWI到沉積物，三個站點的σoxygen均有所下降，特別是在長江口和會昌灣，沉積物中的σoxygen平均小于1個數量級。在DBL中，這部分是由于氧濃度下降，但主要是由于DBL中擴散傳輸的影響逐漸減弱所致。

圖5、擴散通量(J avg)與以下各項的散點圖：(a)BBL中的氧濃度(C BBL)，(b)標準化底棲溫度(2T/Tm),(c)DBL上的氧濃度差(ΔC),(d)DBL厚度(δDBL),(e)湍流動能耗散率(εm)，(f)摩擦速度(u?)，(g)流速(U)。(h)ΔC與δDBL的散點圖。在每個圖中，直線描繪了通過最小二乘擬合獲得的線性回歸，并顯示了回歸擬合的相關系數(r)。面板(g)中的垂直線可作為區分U的大值和小值的指導。

結論與展望

本研究使用了unisense水下原位分析系統（Unisense Mini Profiler MP4）分析了三個沿海海域不同動力和氧氣環境下擴散邊界層（DBL）和底部邊界層（BBL）的原位測量。總結了以前的DBL厚度(δDBL)的縮放方法。導致派生關系兩側尺寸一致的三種方法都植根于巴徹勒長度尺度。當應用壁定律時，將巴徹勒長度尺度表示為流速(U)函數的方法被發現最適合縮放δDBL。擴散通量由動態強制δDBL和DBL上的氧濃度差(ΔC)控制。ΔC的值可以使用BBL的氧濃度(C BBL)和歸一化的底棲溫度來縮放。基于底棲溫度、鹽度、U、CBBL的測量和底部粗糙度的估計，開發了一種有效的方法來縮放擴散通量。主要基于U的δDBL縮放和擴散通量的縮放很好地擬合了來自三個站點的數據，盡管它們在動態和氧氣環境中存在明顯差異。研究增加了一種沿海水域更加活躍的動態條件下DBL的新原位測量方法。這項研究的重點是SWI周圍氧氣的擴散傳輸，但獲得的關于δDBL的標度關系和擴散通量的知識可以更廣泛地應用于其他溶解物質。在未來的研究中，可望通過同時量化沉積物生化過程和水體物理過程來實現擴散通量的縮放。