[发明专利]基于现场湍流观测计算冲淡水下垂向盐通量的方法

说明书

本发明公开了一种基于现场湍流观测计算冲淡水下垂向盐通量的方法，利用现场观测数据中的湍扩散系数和温盐数据，通过菲克扩散理论得到了层化层内湍流混合对冲淡水垂向输运的影响，量化河口湍流对冲淡水垂向扩散的大小。相比于以往的通过模型模拟的方法计算垂向盐通量，采用现场观测的方法较为精确。此外，本发明提供了计算垂向盐通量上下边界的选取方法，盐度梯度的计算方法，为将来各大河口冲淡水垂向扩散提供了分析基础。

技术领域

本发明涉及海洋科学领域，具体涉及一种基于现场湍流观测计算冲淡水下垂向盐通量的方法。

背景技术

径流入海后，通常携带大量的淡水、沉积物、营养物质，大量的淡水浮在水体上层形成较强层结，阻隔着冲淡水与其他水团间物质及能量的垂向交换。小尺度湍流混合是控制冲淡水与其他不同水团性质交换的关键过程，湍流混合能够影响冲淡水的垂向扩散，进而影响河口海域营养盐的垂向分布，最终控制浮游植物与初级生产的空间分布，对河口生态环境有着重要的影响。湍流微尺度剖面仪，是一种自容式海洋湍动能耗散率同步测量仪，同时配备高频流速剪切、温度及电导率探头，可以实现对水体整个剖面的湍流更高质量的观测，为计算不同水团间物质交换提供数据基础。相较于模型模拟，现场观测可以对冲淡水下的垂向扩散进行更准确的量化，然而，由于湍流混合具有高度的空间变异性，冲淡水下的垂向盐通量的计算方法亟待解决。

发明内容

冲淡水的垂向扩散直接影响着该海域的营养物质的分布，而跃层是物质垂向交换的最大瓶颈，鉴于此，本发明提供了一种基于现场湍流观测计算冲淡水下垂向盐通量的方法，目的在于更加准确的获得冲淡水下盐通量垂向扩散的数量级(冲淡水下是指：冲淡水覆盖在表层，所以是水下范围内)，为研究河口邻近海域中冲淡水与其他水团之间物质与能量交换提供较为准确的计算基础。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于现场湍流观测计算冲淡水下垂向盐通量的方法，包括以下步骤：

步骤1，获取水域目标站位的湍流数据、温度、盐度水文要素数据；

步骤2，利用高频剪切探头的微尺度剪切直接观测，通过比较局部标准差的方法去除数据中的奇异值，对剪切谱采用相干噪音法去噪，最终寻找实测谱与理论谱的最佳拟合，确定积分的上、下限，计算得到垂向湍动能耗散率ε数据；

湍动能耗散率ε的计算公式为：

式中v为分子粘性系数，流速脉动剪切的方差通过积分剪切谱来得到，k₁为积分下限，取2cpm，积分上限k₂通过找到与普适的Nasmyth谱的最佳拟合来确定；

步骤3、利用所得垂向湍动能耗散率ε数据，结合浮力频率与混合效率计算得到湍流扩散系数K_ρ：

式中Γ为混合效率，取传统常数值0.2，浮力频率平方N²由位势密度ρ、重力加速度g的函数关系式N²＝-(g/ρ)(dρ/dz)计算得到；

步骤4、选取计算盐通量的深度上下边界范围；

将位势密度的垂直梯度大于0.1kgm^-4的深度位置定义为跃层上边界位置，该跃层上边界位置作为计算盐通量的上边界；下边界为盐度31的深度；

步骤5、在步骤4选取的深度上下边界范围内，计算出盐度梯度S为盐度，z为垂向深度；

步骤6、将计算出的湍扩散系数K_ρ与盐度梯度的乘积来计算垂向盐通量F_salt。

在上述技术方案中，步骤1中，数据使用湍流微结构剖面仪VMP测得。