河口微结构观测与小尺度动力过程研究进展

任 杰，刘守江

（1.中山大学a.海洋学院；b.近岸海洋科学与技术研究中心，广州 510275；2.西华师范大学　国土资源学院，四川　南充 637009）

河口微结构观测与小尺度动力过程研究进展

任 杰1，刘守江2

（1.中山大学a.海洋学院；b.近岸海洋科学与技术研究中心，广州 510275；2.西华师范大学国土资源学院，四川南充 637009）

河口微结构直接与耗散和混合现象联系在一起，在能量串级中扮演重要角色。河口微结构的研究起步于20世纪90年代，主要集中在下面几个方面：（1）微结构观测技术与设备取得了突破性的进展；（2）河口能耗、混合过程与湍流相互作用；（3）河口湍动能平衡及浮力能量估算；（4）河口微结构的典型尺度分析。河口微结构观测与小尺度过程尽管已取得系列重要进展，但在河口界面的微结构观测与小尺度过程对极端性气候-水文事件的响应研究尚有发展的空间。

微结构；小尺度过程；湍流；河口

0 引 言

在早期（20世纪50-80年代），以Pritchard［1-3］，Ippen［4］，Fischer［5］，Dyer［6，7］和Officer［8］等为代表，对与盐水运动相关的基本河口现象与过程进行了开创性和奠基性的研究工作，这些研究工作主要集中在河口密度环流、盐水入侵长度、河口盐淡水混合类型、河口混合过程、河口环流与最大浑浊带的关系等基本和重要的水动力学问题。盐度的层化与混合在过去的经典研究中虽有涉及，但其一般多局限在平均流或更宏观的尺度上。当近20-30年来小尺度上的细微结构的观测成为可能时，许多河口过程的小尺度结构才逐渐成为河口海岸学中一个非常活跃的研究领域。

海洋物理要素场的小尺度结构，通常是指垂向尺度小于常规海洋学观察层次间距的海水状态参数的层次结构。一般而言，海水状态参数的垂向尺度小于1m的称为微结构（m icrostructure）［9］，河口微结构的垂向尺度尚无明确的定义，应该比海洋微结构尺度要小。在微结构现象中，湍流与分子过程起着主要作用。近岸河口区域的微结构研究明显晚于海洋微结构研究。近10来年，国际同行在近岸河口环境的微结构观测和小尺度过程研究上取得了一系列重要的成果［10-17］。

河口微结构在能量串级中扮演重要角色，直接与耗散和混合现象联系在一起，因此研究河口微结构对于区域能量和动量传输有着相当重要的意义。

1 河口微结构过程

常规调查结果显示，河口环境水体的温度和盐度等状态参数的分布和变化总是那么光滑而连续。但实际现象并非如此，在2008年1月23日的珠江虎门口的微结构观测中发现，河口动力环境中最重要的两个状态参数温度与盐度的垂向分布存在着许多时空尺度较小的复杂结构，它们是一系列的、由许多近乎均匀的水层和较薄的强梯度水层相间叠置的阶梯状结构（图1）。这种现象并不是珠江河口的特例，在世界其它河口的精密调查中也发现了类似的结构［17，18］。

图1　珠江虎门口温、盐微结构剖面（a）及垂向梯度分布（b）（2008年1月23日21∶00）

在这种小尺度的垂向结构中，常伴随着显著的流速铅直切变［19］。我们在同次调查中发现，在盐度强梯度薄层中，流速铅直切变模量也相应出现峰值，而在各阶梯层内，流速的平均切变模量明显要小得多，两者可以相差好几个数量级（图2）。计算表明，在强梯度薄层中，理查森数的量级为 1，呈稳定层结状态；但在各阶梯层内理查森数较小，水体大体上处于临界（中性）稳定状态。

图2　珠江崖门口近底层流速铅直切变模量垂向分布（（a）为瞬时流；（b）为平均流）

在自然条件下，水体状态参数铅直分布的微结构，作为一些物理行为的表象，本质上往往与多种重要的河口动力过程或效应联合作用紧密联系在一起，如剪切不稳定（shear instabilities）、内波剪切（internal shears）、潮汐应变（tidal straining）、对流、密度倒置（density overturn）等，包括一些生物学过程也可能对微结构有所贡献［20］。在这个问题上，还需要进一步的观测、实验和理论研究。然而，微结构的存在，可使声散射增强，引起局地声强的急剧改变；对于估计通过跃层的铅直热交换速率，了解湍流和混合扩散过程，都有重要的意义。

与微结构相关的能耗问题在珠江河口富有特色，表现为：（1）珠江河口能量消耗的空间分布很不均匀，存在若干高能耗区。不同部位潮平均能耗率相差可达4—5个数量级。其中，地貌尺度的动力结构对于整个河口消能至关重要［21-22］。空间差异显著的能耗现象与微结构显然有着不可分割的联系。（2）珠江崖门河口的垂向积分尺度在观测期间平均约5.2cm（图3），为河口典型的流速微结构形式，拖曳系数、扩散系数、粗糙长度等湍流特征参数都表现出空间-时间高度相关性，这与流速微结构的时空分布密切联系。然而微结构与上述过程的深入关系则需要对这些小尺度行为作进一步的研究。

图3　珠江河口崖门的积分尺度随潮变化过程

大量的观测表明，这种状态参数铅直分布的细微结构，是河口中普遍存在的重要特征。在河口地区，如图1所示的这种流动梯度或能源来源是非常丰富的，如潮汐变化，固体边界以及风的作用都可以产生梯度，从而提供湍流的垂向混合与水体层结，形成系列复杂的微结构。

2 研究进展

2.1 微结构观测

微结构的观测经历了一个较长的过程，Stewart和Grant［23］率先在一个潮汐河道里进行了湍流观测。随后他们进一步应用湍流谱分析方法讨论了Kolmogorov惯性子区与惯性-平流子区（inertial-convective subrange）的动力特征［24］。垂向剪切、剖面电导与温度等这种小尺度脉动的直接测量仪器首先在美国［25-27］、加拿大［28］、俄罗斯［29，30］、德国［31］（Prandke et al.，1985）和澳大利亚［32］问世，自此以后，不同的研究团队开始提高和发展新型微结构仪器，如AMP和CHAMELEON［33］，BAKLAN和GRIF［34］，FLY［35］和EPSONDE［36］。近来随着一些商业剖面仪的面市，如MSS［37］，TURBOMAP［38］和PME［39］，越来越多的研究者开始关注湍流微结构动力及其对水生生态系统的影响，尤其是近20—30年来，海洋微结构研究成为海洋物理学研究中的一个非常活跃的领域。

微结构在近岸河口区域的存在，同海洋区域一样普遍和重要，但其研究起步已是明显晚于海洋微结构研究数十年。过去河口海岸学者较多地关注河口过程、海岸行为的大尺度现象［40，41］，直至近10来年，国际同行开始把目光更多地投注在近岸河口环境的微结构观测和小尺度过程上［10，12-17］，并取得了一系列重要的进展。

尽管微结构测量的历史可以追溯到30多年前，微结构变量的估算在伴随着微结构观测的同时也就开始了，但像一些重要的微结构特征量（如湍流动能耗散，温、盐脉动，涡动扩散）在不同自然环境水体里的精确估算，特殊界面（跃层、锋面）的微结构特征，及微结构资料处理技术（比如受波浪污染的微结构数据的湍流分离）等问题还有待进一步提高［42］。

2.2 河口小尺度动力过程研究

河口混合过程的研究始于1960s［43，44］，由于观测技术的限制，过去的大部分研究都聚焦在平均流尺度的观测和结构上，及其对相关大尺度过程的解释。湍流与动量输运、盐度混合之间的相互关系，及混合过程的动力学机制是深入理解河口过程的关键问题［45］。随着近年微结构观测技术的发展（如剪切剖面仪的应用），湍流耗散可以直接测量，河口层化混合过程与湍流相互作用的研究开始了尝试性的研究工作［46］。

在20世纪的50-70年代，新的海洋观测技术的发展使海洋要素的厘米尺度观测成为可能，由此引发了对粘性和扩散耗散尺度的直接观测及湍流混合过程的深入分析。正如Gargett［47］指出，小尺度混合过程的研究有三种途径：（1）根据大尺度行为的潜在原因进行推论；（2）小尺度混合过程的直接观测；（3）以水槽实验和理论模型为基础的过程研究。在20世纪60年代前，因湍流不能直接观测，推论法扮演了主要角色，以至于在较长的一段时间内我们对实际的微结构认识很不够［48］。早期的河口微结构测量聚焦在能量尺度（energetic scales），像湍流脉动引起的粘性和扩散等小尺度过程最先在深海展开，后来演变成了现在众所周知的微结构观测。

湍流垂向混合是河口动量与盐分平衡最重要的动力过程之一，20世纪50-60年代，河口环流的经典理论［2，3，49-53］认为，盐跃层（halocline）的湍流混合是河口动力平衡项中的积分部分（integral part），量级最小。然而Peters［54］在Hudson河口进行的一系列微结构调查发现，潮汐河口的湍流混合呈现出一种变化模式：在弱层化底层潮混合强烈，小潮期盐跃层界面湍流混合弱，大潮落潮期则整个水体混合强烈，对于后者，垂向湍动盐度通量的典型值为0.001kg·m-2·s-1，这个数值足以消除长达4h的高盐水（haline）分层，由此说明了河口盐跃层界面位置（cross halocline）湍流混合的重要性［55］，因此河口动力平衡分析中，小尺度的垂向混合过程在盐度跃层的影响是不容忽视的。

在物理海洋学中，动量、物质及热的垂向湍流通量估算方法一般根据简化的稳态湍动能（TKE）方程（假定空间各向同性）。湍量动能 q2的非稳态平衡方程和标量（如温度、盐度）脉动（scalar fluctuation）方差Θ的平衡方程如下［56］：

上式中因扩散与平流项（diffusion and advection terms）通常比主要项小得多而被忽略。，稳态条件下湍流动能的剪切生成（shear production）G主要与粘性耗散（vicous dissipation）ε和浮力通量（buoyancy flux）（稳态分层流）B平衡。ε以热的形式损失能量，为汇项。在稳定分层流下重力做负功，能量损失，B是汇项，而在不稳定流条件下重力做正功，B为源项［17］。而标量脉动（温、电导、盐等）的能量生成Gθ主要与标量耗散χθ平衡。

湍流混合涉及一个重要参量，即浮力通量的估算，垂向浮力通量是难于直接测量的参数，因此常常通过一些容易直接观测的变量去估算浮力通量。在过去的十多年，大量的学者对河口密度与流速的微结构进行了直接观测［12，57-60］，并间接估算浮力通量B，主要方法有：（1）Osborn［61］方法（1980），假定混合效率γ的上限为0.2，则浮力通量界限为 B≤0.2ε；（2）Ivey and Imberger［62］方法（1991），定义通量里查森数 Rf，Rf=1/（1 +ε/B），Rf与湍流Froude数Frt=（LO/LE）2/3和湍流Reynolds数Fet=（LE/LK）4/3有关，其中，LO=（ε/N3）1/2是 Ozmidov尺度，是稳定分层流的最大湍涡（turbulent eddies），LK=（ν3/ε）1/4是 Kolmogorov尺度，是可能的最小尺度，LE=（ρ2）1/2∂ρ/∂z是Ellison尺度，是湍涡的垂向位移（vertical displacement），湍流动能在此转换为势能。（3）Simpson et al.［63］方法（2005），Simpson认为水平密度梯度的应变（straining）导致涨潮期间动力不稳定，而落潮期间动力稳定，从而有，式中ξ为水面高度，û为深度平均流速。（4）Osborn and Cox方法（1972），对于稳态和横向均匀流，根据标量脉动守恒（conservation of scalar fluctuations）计算浮力通量［64］：，上述4种方法分别从平均流尺度与湍流尺度对浮力通量进行估算。

河口混合是通过不稳定的小尺度运动来实现的，这种重力不稳定机制称之为倒置（overturn），倒置失稳（collapse of overturn）会耗散机械能（mechanical energy），并使一些物理要素场（温、盐）发生扩散输运。Thorpe［65］提出了一种发生密度倒置的观测资料分析技术，他定义了一个Thorpe尺度，即将一个包含密度倒置的瞬时密度剖面进行重新排序，重构为一个单调的稳定剖面，然后计算垂向位移d’，则垂向位移的均方根即为 Thorpe尺度 LTh=rms（d’），而反映密度倒置的垂向尺寸用最大LThmax表示。Thorpe尺度也可直接估算湍流动能的耗散，也可以用来量化垂向水层的混合率［66］。从密度倒置资料估算能耗率时，假定Thorpe尺度与Ozmidov尺度同一量级，LO=（e/N3）1/2，则浮力与惯性力相等，层化水流中存在最大垂向尺度运动。Dillon［67］认为Thorpe尺度与Ozmidov尺度强烈相关，并成比例，有LO=0.8LT，则能耗率可由Thorpe尺度估算：ε=（0.8LT）2N3，而涡动扩散系数可由Ozm idov尺度表示：Kν=0.2LO2N［28］，也可表示为Kν=0.1LT

2N［18］。在河口盐度层化界面会表现出较大的Thorpe尺度分布，表明索普尺度与垂向混合存在密切关系。

3 讨 论

河口水体层化控制垂向混合（影响热、盐、动量、营养物质垂向通量）的强度，是影响河口动量、能量交换与物质输运的重要因子，因此河口水体层化、混合过程是浅海和河口物理学研究的关键问题之一［68］。尽管其间涉及的湍流是一个尚未完全解决的科学问题，甚至有关它的一些最基本的假设也受到理论和实验的质疑［69］。但不进入湍流微结构的观测与小尺度过程分析，是难以真正深入认识河口动力过程的。

尽管在河口层化、混合过程的理论研究与微结构观测方面，国际上已初步取得了可喜的成果，但同时发现，此领域尚有充分发展的空间。（1）河口存在丰富的界面过程，如盐跃层、风驱水表混合层、底剪切Ekman层、锋面等，这些重要的河口物理过程的研究工作过去一直在大尺度过程上开展的，其湍流微结构特征与小尺度动力机制层面的理论成果也是令人期待的；（2）其次，河口小尺度过程对极端性气候—水文事件的响应研究较少（这与灾变事件的现场观测存在极大难度有一定关系）。以往的研究多集中在利用湍流动能平衡方程分析正常气象条件下的微结构特征，而缺少风暴潮、大洪水等事件条件下的微结构形态探讨。实际上极端事件也是河口重要的动力过程之一，它们所起的作用可能产生超过自身尺度数倍的响应效应，如数天尺度的洪水作用，其漫滩淤积幅度可能比正常淤积强度大数个量级。因此这些过程下发生的微结构更值得我们关注；（3）当前涉及的河口微结构观测与理论分析很少与尺度问题联系起来，它们与传统的研究手段近似，仅仅局限在微结构资料对应的小尺度上，而与大尺度的联系及两者之间的解藕或藕合问题，恰恰是复杂的非线性的河口系统面临的主要问题之一。

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A Literature Review on Estuarine M icrostructure and Small Scale Dynam ic Processes

Ren Jie1，Liu Shoujiang2
（1.Institute of Estuarine and Coastal Research，Marine school of SunYat-Sen University，Guangzhou 510275，China；2.Land&Resources School，China West Normal University，Nanchong Sichuan 637009，China）

Estuarine microstructure，contacted directly with dissipation and mixing processes，plays an important role on energy cascade.Early research on estuarinem icrostructure beganin the 90’s of last century，and great progress has been made on the following aspects：（1）obvious progress of observation technology and instrument；（2）interaction of estuarine energy dissipation rate，m ixing processes and turbulence；（3）estuarine turbulent kinetic energy balance and estimate buoyant flux；（4）typical scales analysis on estuarine microstructure.Although considerable achievements have been madein estuarine m icrostructure and small scale processes，but m icrostructure measurement of estuarine interface and extreme hydrometeorological incident need more research.

m icrostructure；small scale process；turbulent；estuary

P737.121

A

10.16246/j.issn.1673-5072.2016.01.016

1673-5072（2016）01-0107-07

2015-12-24

国家自然科学基金项目（41476072）

任 杰（1975—），男，四川南部人，副教授，博士，主要从事近岸河口动力沉积过程研究。

任 杰，E-mail：renjie@mail.sysu.edu.cn