高浊度海洋环境下悬浮泥沙对湍混合过程调制作用的研究

Turbulent mixing in the ocean is a key process whose mechanisms and parameterization schemes determine the predictable ability of the numerical model, which in turn becomes a hot topic in the physical oceanography community. It is no doubt that high concentration sediment can significantly affect the turbulent mixing processes. However, how and to what extent the sediment affects the turbulence is still unclear. Especially for oceanography studies, the influence of sediment on turbulence is generally ignored. To clarify the importance of the sediment to turbulence, this project will study the influence of sediment induced stratification and momentum transfer on turbulent mixing processes using theory, observation and numerical model methods. First, we will improve the theory of the sediment influence on turbulence and build proper parameterization schemes. Second, tripod-moored observation will be conducted at high turbidity abandoned Yellow River Delta area to evaluate the mediation effects of sediment on turbulent mixing processes. At last, the sediment mediation schemes derived from observation will be integrated into a 3D numerical model and quantitatively estimate the sediment mediation effects on the turbulence. The outcome of this study will help to understand the mechanisms of the sediment mediation effects on turbulence and improve the accuracy and predictability of numerical modeling of the hydrology and ecology processes in the China Seas.

湍混合过程是海洋水动力中的核心物理过程，其影响机制和参数化方案关系到海洋模型的预测能力，是目前物理海洋学研究的热点。高浊度泥沙会影响水体湍混合过程已毋庸置疑，但其显著性和影响机理尚不清楚，在海洋学科研究中，悬浮泥沙对湍混合过程的调制作用常被忽略。为阐明高浊度悬浮泥沙是否显著影响海洋湍混合过程，本申请拟从悬浮泥沙的层结作用和惯性动量效应两方面着手，通过理论、观测和数值手段研究其对湍混合过程的影响：首先完善悬浮泥沙对湍混合过程影响的理论并建立相应的理论参数化方案；然后在高浊度的废黄河口选择一个站位进行座底平台观测，利用理论参数化方案评估观测点悬浮泥沙对湍混合过程的调制作用；最后建立观测海区三维数值模型，将一维理论参数化方案应用于三维数值模型，量化悬浮泥沙对湍混合过程的影响。预期成果对认识悬浮泥沙对湍混合过程影响的机理，提高海洋动力和生态环境预测能力具有显著科学意义。

湍混合过程是海洋水动力中的核心物理过程，其影响机制和参数化方案关系到海洋模型的.预测能力，是目前物理海洋学研究的热点。高浊度泥沙会影响水体湍混合过程已毋庸置疑，但其显著性和影响机理尚不清楚，在海洋学科研究中，悬浮泥沙对湍混合过程的调制作用常被忽略。为阐明高浊度悬浮泥沙是否显著影响海洋湍混合过程，本项目利用卫星遥感、现场观测和数值模拟手段研究湍混合和泥沙的相互作用，取得了如下成果：（1）在卫星遥感研究方面，利用卫星遥感数据高时空分辨率的优势，揭示了渤海泥沙浓度分布的多时间尺度的变化特征，量化了潮流和风浪等动力过程在泥沙浓度调制方面的作用，并发现渤海泥沙浓度在最近十几年有锐减的趋势。（2）在渤海废黄河口进行了原位连续座底观测，获得了大量水动力和泥沙数据。基于现场观测数据研究了风浪作用下湍混合参数的计算方法、潮流和风浪对湍混合过程的调制作用、湍混合过程对泥沙运动的影响。（3）建立了渤海水动力和泥沙输运模型，利用模型检验了渤海地形和岸线变化对水动力过程和泥沙输运过程的影响。基于上述研究成果，目前项目已经发表两篇第一标注的二区SCI文章，还有系列文章在投稿和撰写过程中。这些成果对认识渤海泥沙变化特征、阐明潮流和风浪作用下湍混合过程和泥沙过程的相互作用机理、提高海洋动力和生态环境预测能力具有显著科学意义。