3分析與討論

3.1氧通量質(zhì)量評(píng)估

根據(jù)匯泉灣測(cè)點(diǎn)附近底質(zhì)條件、測(cè)點(diǎn)固定高度估算了本次實(shí)驗(yàn)指示區(qū)域范圍，區(qū)域長(zhǎng)約為55.275m；寬1.567m；最大貢獻(xiàn)點(diǎn)位于海流上游距測(cè)點(diǎn)2.512m位置。本次實(shí)驗(yàn)由于觀測(cè)時(shí)間處于漲潮期階段，因此測(cè)得的溶解氧通量極度不穩(wěn)定，變化范圍為-16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d，平均值為+11.3876 mmol O2/m2/d。這與美國(guó)科學(xué)家AC Hume利用渦動(dòng)相關(guān)方法在海草生長(zhǎng)區(qū)測(cè)得的+121 mmol O2/m2/d和美國(guó)科學(xué)家Berg在西法爾茅斯河口區(qū)域測(cè)得的+77.5 mmol O2/m2/d的溶解氧通量相比數(shù)值較低。這可能有以下幾個(gè)原因。首先，研究區(qū)域存在較大差異。本次實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于匯泉灣潮間帶，匯泉灣內(nèi)無(wú)河流入海，砂源貧乏，加之測(cè)點(diǎn)區(qū)域的砂質(zhì)沉積物上滿布礫石，雖然存在貽貝類和藻類生物，但沉積物內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量和指示區(qū)域內(nèi)海草密度都無(wú)法與海草和河口區(qū)域相比。其次，2016年6月4日當(dāng)天陰有小雨，較弱的太陽(yáng)輻照度減弱了底棲植物的光合作用。第三，波浪和海流引發(fā)的沉積物再懸浮使海水濁度增加，也會(huì)對(duì)底棲植物光合作用產(chǎn)生負(fù)面影響。

另外，通過(guò)對(duì)所得漲潮期時(shí)段內(nèi)溶解氧通量和水平、垂向流速序列的相關(guān)系數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)氧通量和水平流速序列相關(guān)系數(shù)只有0.084，與垂向流速序列相關(guān)系數(shù)為0.398，表明本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溶解氧通量主要受垂向流速影響，這與渦動(dòng)相關(guān)理論依據(jù)是相符的。

3.2頻譜分析

為進(jìn)一步分析海流和波浪作用對(duì)溶解氧通量的影響，分別計(jì)算了溶解氧濃度、垂向速度的功率譜密度及二者的共功率譜密度和累加共譜。功率譜密度函數(shù)指示了數(shù)據(jù)中不同頻率成分所占百分比。典型的功率譜結(jié)果見圖8。對(duì)于觀測(cè)起始的11:40～11:55數(shù)據(jù)段(burst 1)，可以看出0.093～0.279 Hz頻段(對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔為3.58～10.75s)是總功率譜的主要貢獻(xiàn)頻段，這一時(shí)間間隔與匯泉灣歷史記錄的5.4～11s的平均波浪周期極為吻合。據(jù)Lorrai C等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沉積物之上1m水平流速達(dá)到20cm/s，該區(qū)域可被視為高度湍流區(qū)域，其渦動(dòng)時(shí)間尺度約為0.2～10 s。這也與此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果極為一致。不過(guò)也可以發(fā)現(xiàn)這一時(shí)段內(nèi)頻率大于1 Hz的高頻成分占比很低，僅占15.59%。對(duì)于觀測(cè)過(guò)程中間階段的13:20～13:35數(shù)據(jù)段(burst 6)，雖然0.1～0.3Hz頻段貢獻(xiàn)依然突出，但可以看出其大于1 Hz的高頻成分占比顯著增長(zhǎng)，達(dá)到63.57%。另外，0.4～0.62 Hz頻段(對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔為1.61～2.50s)成為一新的主要貢獻(xiàn)頻段。累加共譜表示了大于其頻率的頻段貢獻(xiàn)所占百分比，因此隨著頻率逐漸減小，其百分比值由零逐漸趨近于一。從圖8(D)可以看出，漲潮期間隨著海流和波浪作用的加劇，高頻成分貢獻(xiàn)逐漸擴(kuò)大。根據(jù)匯泉灣波浪周期的歷史統(tǒng)計(jì)信息，可以推斷夏季東南向波浪作用是該測(cè)區(qū)溶解氧動(dòng)態(tài)變化的主導(dǎo)因素。

圖8 burst1和burst6功率譜密度計(jì)算結(jié)果(A)溶解氧濃度歸一化功率譜;(B)垂向流速歸一化功率譜;(C)共功率譜密度;(D)累加共譜

通過(guò)比較每個(gè)時(shí)間段的累加共譜曲線，可以看出隨著時(shí)間推移，數(shù)據(jù)主要貢獻(xiàn)頻帶逐漸向高頻移動(dòng)(見圖9)。對(duì)于burst1時(shí)間段，共譜區(qū)間為一條凹型曲線，主要貢獻(xiàn)頻段為0.093～0.279 Hz(對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔為3.58～10.75s)。對(duì)于burst3、7、10時(shí)間段來(lái)說(shuō)，曲線形狀逐漸變?yōu)橥剐颓€，這表明在漲潮期開始的2h內(nèi)高頻成分的影響快速擴(kuò)大并在接近滿潮時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定。大于0.8Hz的頻帶占比從20.17%增長(zhǎng)到71.40%，湍流引發(fā)的極度不穩(wěn)定的水動(dòng)力條件導(dǎo)致了溶解氧通量的大幅度波動(dòng)。

圖9 burst1,burst3,burst7和burst10四個(gè)時(shí)段累加共譜圖

5結(jié)論

基于Reynolds分解理論和Taylor凍結(jié)流假說(shuō)，利用聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)、溶解氧微電極和溫鹽深儀(CTD)構(gòu)建了渦動(dòng)相關(guān)原位觀測(cè)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用在青島近海潮間帶礫石海灘，對(duì)溶解氧通量進(jìn)行了原位觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果表明，在一個(gè)漲潮期內(nèi)溶解氧通量變換范圍為-16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d。不穩(wěn)定的通量結(jié)果表明近海潮間帶底棲溶解氧通量在漲潮時(shí)段會(huì)受到海水上漲、海流流速加快等物理因素和間隙海水溶解、植物光合作用等生物化學(xué)因素的共同作用，呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的變化形式。頻譜分析表明匯泉灣潮間帶底棲溶解氧主要受東南向波浪作用控制，0.093～0.279 Hz(對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔為3.58～10.75s)頻帶為其主要貢獻(xiàn)頻段。通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻累加共譜的比較分析，可以推斷波浪作用和破碎波作用分別在漲潮期前后對(duì)底棲溶解氧通量變化起著主導(dǎo)推進(jìn)作用。本次實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用于近海潮間帶底棲溶解氧觀測(cè)的可行性，為進(jìn)一步了解海底邊界層有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)分解，開展早期成巖規(guī)律和生物地球化學(xué)進(jìn)程研究提供了準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)和可靠的技術(shù)支持。