陆架海重要界面水体动力学特征对悬浮颗粒物及沉积物影响研究

Sediment dynamics studies in coastal waters is of great importance since it have relevance to a broad spectrum of marine science and engineering. However, it is also full of challenge that is associated with the complex and often non-linear interactions among combined forcing by waves and currents, the dynamic response of the bed, and sediment size and type, as well as the fundamental role of turbulence. Sediment dynamics studies are based on field observations, we need therefore to obtain simultaneous co-located observations in differing sedimentary and hydrodynamic environments and under a range of forcing conditions. In the last two decades, acoustic method provide an alternative to simultaneously measure current, turbulence, sediment properties in remote and non-intrusive manner. The goals of this project are to clarify the mechanisms underlying the sediment resuspension, settling, flocculation processes in different hydrodynamical settings (tide and wave boundary layer) and turbulent mixing levels (i.e., well-mixed, strongly stratified water columns) from a 'macroscale' or 'microscale' perspective. The mechanism of the interaction between suspended sediment particles and turbulence eddies/intensity within the tide-wave induced bottom boundary layer and pycnocline will be studied.

悬浮颗粒物和沉积物动力学是浅海动力学研究的前沿和最具挑战性的领域之一，涵盖了波浪、潮流联合边界层，水体层化与湍扩散，沉积物分类与动力响应、海床冲淤演变等多个研究方向的交叉和非线性相互作用。其中，以湍流为根本特征的浪流底边界层是悬浮颗粒物及沉积物动力学研究的主线。沉积物动力学是一门实证科学，近年来逐渐发展成熟的流速、温盐、湍流参量、悬浮物浓度和粒径的近底层和水体剖面声学同步原位观测技术，具有高时空分辨率、不破坏现场观测环境等优势，显著提升了对该研究领域的认知水平。本课题在前期观测和方法研究基础上，重点分析潮流、波浪等浅海动力要素和水体层结效应与沉积物再悬浮、沉降、絮凝以及垂向扩散等过程的关系，采用近底高分辨率数据从"微观"层面上探寻导致沉积物剥蚀、起动和再悬浮的动力源泉，重点探讨浪流底边界层和水体层结两个浅海重要界面处颗粒物的动力响应及其与湍流强度的相互作用特征。

悬浮颗粒物和沉积物动力学是浅海动力学研究的前沿和最具挑战性的领域之一，涵盖了波浪、潮流联合边界层，水体层化与湍扩散，沉积物分类与动力响应、海床冲淤演变等多个研究方向的交叉和非线性相互作用。其中，以湍流为根本特征的浪流底边界层是悬浮颗粒物及沉积物动力学研究的主线。沉积物动力学是一门实证科学，近年来逐渐发展成熟的流速、温盐、湍流参量、悬浮物浓度和粒径的近底层和水体剖面声学同步原位观测技术，具有高时空分辨率、不破坏现场观测环境等优势，显著提升了对该研究领域的认知水平。本课题在前期研究和观测的基础上，系统分析了我国东海济州岛西南泥质区、黄海西部，以及浙江北部近海的海床基观测资料，利用PC-ADP和ADV等高频声学仪器反演得到高时空分辨率的悬浮物分布，采用流速协方差法、惯性耗散法等方法估算了底边界层切应力和沉降速度，重点分析了底边界层内沉积物再悬浮、沉降等过程，定量估算了沉降和再悬浮的临界应力，发现了泥质区沉积物的再悬浮临界应力系统高于沉降的临界应力，对提高东海悬浮颗粒物输运数值模式的精度和预测侵蚀与沉降有着重要意义。此外，在浙江北部近海通过声学反演得到悬浮物浓度剖面的时间变化，并结合粒径分析仪研究东海浮游动物垂直迁移及其习性。分析发现了精致真刺水蚤一次昼夜垂直迁移，精致真刺水蚤在夜间进入跃层附近进食，白天蛰伏于底层低温高盐的台湾暖流中，垂向迁移速度达到为50 mm/s左右。同时本次观测使用光学粒径分析仪LISST-100发现观测期间跃层边界处大粒径颗粒物的聚集和100-150μm大小的颗粒物夜间的减少，说明水体中不同粒径的悬浮颗粒物有明显的昼夜变化，水体中生物群落结构存在昼夜差异。通过本课题研究进一步完善了采用声学观测手段开展沉积物底边界动力学研究的方法体系，定量揭示了东海典型泥质区沉积物再悬浮和沉降的临界应力，拓展了声学观测手段在浮游生物高时空分辨率监测中的应用，为浅海动力学、沉积动力学和浮游生物学现场观测的融合交叉提供了借鉴。