珠江河口与陆架海过渡区潮汐应变产生的对流混合与泥沙悬浮新机制

Marine dynamical structures and processes at the transition between the estuary and the shelf sea are significantly different from those in the latter waters. Surface river plume and benthic salinity intrusion are separated by a weakly mixed layer in the mid-depth. However, these dynamical structures and their roles in vertical transfers in momentum and material are still open questions. This project will investigate stratified shear flows and their induced sediment diffusion in the intermediate waters between the Pearl River Estuary and adjoining shelf ocean of the northern South China Sea, where surface river plume and bottom salinity gravity current are separated by a weakly mixed layer in the mid-depth waters. Field observations and theoretical analyses will be undertaken to examine the stratified shear flows over three scales, i.e. tidal straining circulation, straining processes and turbulent mixing. The topic of straining-induced convective motions at the head of salinity gravity current is focused on, with an emphasis on the sediment diffusion induced by this convection. These studies may give dynamical structures and underlying mechanisms for understanding the formation and maintenance of coastal eutrophication and hypoxia.

河口与陆架海之间的过渡区在近岸海洋动力结构上具有明显的特征，表层羽状流扩展与底层高盐水入侵出现分离，形成由两层盐度跃层分隔的三层分层剪切流结构，两层跃层之间发育一个明显的弱混合层。这与经典的河口重力环流及陆架海分层流结构存在明显的差异，中部弱混合层与陆架高盐水入侵对水体动量垂向交换和物质扩散产生的影响还不清楚。本申请项目将采用现场观测与理论分析相结合，运用河口应变环流、分层剪切流及湍流等基本理论与方法，分别从亚潮、潮内应变及湍流等三个不同尺度分析珠江河口与南海北部陆架海之间过渡区潮汐应变环流和分层剪切流动力结构，阐明潮汐应变产生对流混合的机制，分析对流混合对近底层泥沙垂向扩散的影响，揭示陆架高盐水入侵头部泥沙扩散的新机制，为近岸海洋富营养化与低氧区水团发育与维持提供新的动力解释。

河口低氧空间分布规律及其发育程度是国际海岸低氧研究尚未解决的难题，也是海岸低氧发育数值模拟研究的“瓶颈”。河口与陆架海过渡区（可称为河口下游）潮汐应变产生的对流混合及泥沙悬浮新机制的研究将为解决这个难题提供关键的动力学基础。. 本项目耦合河口水动力、沉积动力以及生态动力过程，采用河口应变环流、分层剪切流及湍流混合等基础理论与方法，主要进展如下：（1）分别从亚潮、潮内应变及湍流混合等三个不同尺度阐明珠江河口与南海北部陆架海之间过渡区潮汐应变环流和分层剪切流动力结构，揭示了潮汐应变产生对流混合的机制，分析对流混合对近底层悬浮颗粒垂向扩散的影响，揭示陆架高盐水入侵头部第二个河口最大浑浊带悬浮颗粒垂向对流扩散的新机制。（2）河口低氧区发育于河口三层分层流中，水体中部弱混合层控制低氧区生态动力结构及其空间分布，当其厚度超过临界厚度（约3米）时，持续维持低氧状态；反之，则恢复到正常氧状态。河口第二个最大浑浊带悬浮颗粒产生的耗氧占到总耗氧约34%，与海底沉积物耗氧（SOD）合计占总耗氧约70%。这表明河口低氧发育程度是由近底悬浮颗粒物和海底沉积物的共同耗氧决定，而不是仅由海底沉积物耗氧控制的经典认识。（3）河口邻近陆架海旋转流在垂向上呈现明显的相位差，同样旋转流产生的湍流混合也表现出相位差，潮流艾克曼底边界层理论分析表明这是由潮汐振荡、科氏效应以及涡动粘性的共同作用产生的，湍流混合的相位随高度呈现线性变化。垂向涡动动量扩散产生平均剪切以及湍流混合的相位，其相位振幅受到地球旋转效应的抑制。河口邻近的陆架海旋转流的垂向相位对低氧区动力结构与过程的影响有待深入研究。. 该项目研究成果将丰富和完善河口水动力、沉积动力、生态动力等基础理论，同时提出了海岸低氧形成的新生态动力解释，修正了富营养化诱发藻华爆发和低氧形成的经典认识，为河口海岸带低氧灾害的综合治理与生态修复提供了前沿科学支撑。