【摘 要】
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底边界层(BBL)是流体与底床相互作用的前线,经过底边界层的沉积物从哪里来?到哪里去?过程-产物关系是什么?发生各种现象的机理是什么?这些问题是海洋沉积动力学研究的核心内容。高悬沙浓度情况下,一方面垂向的密度分层效应会极大的改变底边界层流速结构,一方面可能在近底部形成悬沙浓度大于10 g L-1的高浓度层,引发重力流输运。沉积物重力流输运是一种特别的底边界层过程,具有发生偶然、持续时间短、难以捕捉
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目(41676081,41676077)
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底边界层(BBL)是流体与底床相互作用的前线,经过底边界层的沉积物从哪里来?到哪里去?过程-产物关系是什么?发生各种现象的机理是什么?这些问题是海洋沉积动力学研究的核心内容。高悬沙浓度情况下,一方面垂向的密度分层效应会极大的改变底边界层流速结构,一方面可能在近底部形成悬沙浓度大于10 g L-1的高浓度层,引发重力流输运。沉积物重力流输运是一种特别的底边界层过程,具有发生偶然、持续时间短、难以捕捉和动力行为复杂等特征。本文以长江口和江苏海岸两个区域为例,基于观测,结合模型,着重研究(1)垂向悬沙浓度梯度导致的密度分层效应对底边界层参数计算的影响;(2)坡度极缓、范围有限、物源不丰富的内陆架沉积物重力流输运过程。本文的研究基于四次野外观测,分别是2011年长江口、2015年新洋港、2018年大丰港和2019年大丰港,其中前两次为课题组已有资料,后两次本人参加。这四次野外观测主要使用底基三脚架进行连续观测,同时进行剖面观测,为研究科学问题提供了最原始的第一手数据。剖面测量的浊度仪器采用野外同步水层水样标定,搭载于底基三脚架的浊度仪器采用室内标定,用激光粒度仪对水样和底质沉积物进行粒度分析。运用经典对数流速剖面拟合法对长江口外观测到的近底约2 m范围内的底边界层高分辨(0.2 m)流速剖面进行分析,结果表明,Z0随时间变化剧烈。这可归因于当BBL中垂向悬沙浓度梯度达到0.1 kg m-4量级时,垂向悬沙浓度梯度导致的强烈分层效应。基于扩展对数拟合方法对长江口底边界层距底0.22~0.38 m部分的流速剖面进行分析得到的Z0为2.08×10-4 m,接近于泥质底的真实值。运用垂向一维k-?模型研究分层对底边界层流速结构和底部拖曳系数Cd的影响,发现沉积物分层效应会导致Cd减小。运用对数流速剖面(LP:log profile)、协方差(COV:covariance)和湍流运动能量(TKE:turbulent kinetic energy)法分析了江苏海岸潮流底边界层距底0.2和1.0 m处用ADV测量的三维高频流速,发现由COV和TKE计算的U*是合理的,但由LP方法计算的U*明显偏大,这是由底边界层近底部垂向悬沙浓度梯度导致的分层效应引起的。由COV方法计算的U*与湍流运动能量E的比值是0.20,这个值与前人的研究相符合。运用含有经验常数α、β和A和代表分层效应的理查德森数的修正的对数流速分布模型可以修正LP方法明显过估的U*。修正后,α、β和A的值分别为3.16、2.99和3.98,比以前的研究选取的值要小。α为3.16,与前人研究的取值3.33非常接近。在江苏海岸潮控内陆架捕捉到了重力流输运的直接证据,在水下岸坡上捕捉到的重力流极有可能开始于潮滩上砂泥混合物聚合形成的高浓度层。波浪是触发重力流的重要机制,坡度的减小是重力流停止的重要因素,重力流输运过程受潮流调控。观测到的重力流输运过程的动力行为符合经典理论浮力-阻力模型。运用基于经典对数流速分布的公式计算底边界层参数时,应该考虑沉积物分层效应的影响。当底边界层沉积物分层效应明显时,修正的对数流速分布模型可用于数值模拟研究。比起我们之前的认知,重力流发生的区域可能更广泛,发生的频率可能更高,且可能有着更复杂的动力行为。
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