海洋底边界层（Benthic Boundary Layer）是指水流结构明显受到底床影响的水层。在河口海岸环境中，波浪和流（包括浅海环流、潮流、径流等）等中小尺度动力过程极为活跃，并在海底因摩擦作用而发生能量耗散，产生微观尺度的湍流，最终以底部切应力的形式表现出来，对河口海岸系统中的物质输运和能量循环产生重要影响。由于这些中小尺度动力过程发生在底部沉积物和水界面附近，会显著影响两者之间的物质交换，包括海底-水界面系统中的C、N、S、P生物地球化学循环。由于湍流过程高度复杂，在时间和空间上具有很强的不规则性和随机性，对其进行高质量的观测和分析是海洋科学中的重要挑战。
近年来，随着海洋观测技术的发展，三维高频点式声学流速仪和湍流微尺度剖面仪被广泛用于湍流观测，但在河口海岸区域，由于水深限制，微尺度剖面仪常常无法使用。在数据分析技术方面，可以从雷诺剪切应力的角度来刻画湍流间歇性猝发事件。Kline等人于1967年提出了一种象限分析方法，基于水平和垂向脉动流速（u', w'）的正负属性，在u'-w'平面上将间歇性猝发的湍流事件分类为上抛或喷射（ejection）、下扫或扫掠（sweep）、内向（inward interaction）和外向运动（outward interaction）四个相位（图1）。这四个相位能够解析有组织的、间歇性发生的微观尺度运动结构，这种微观尺度的运动一经触发就以某种特定的次序发展为特定的运动状态，称为相干结构或拟序运动(coherent structures)。然而，对于湍流相干结构、间歇性猝发事件的定量化研究仍存在诸多困难，其与沉积物起动、再悬浮之间的定量关系及宏观表现尚不明确。此外，在具有层化效应的潮控河口，湍流相干结构具有怎样的时空演化特征？这些研究将有助于对河口物质输运和能量循环的深入理解。
图1 湍流相干结构的四象限划分示意图
河口海岸学国家重点实验室汪亚平教授团队在长江口外水下三角洲前缘15m处进行了多个潮周期的座底式和船载锚系观测，获得了高质量水沙动力资料，开展感潮河口近底部边界层的湍流结构和间歇性猝发事件研究，初步研究成果近期发表于Journal of Geophysical Research: Oceans期刊。论文揭示了在不规则半日潮海区底边界层内湍流相干结构的潮周期性变化特征：随着一日内潮汐过程的发展，四个象限的时间占比（Time share）与雷诺应力贡献（<u'w'> contribution）发生了周期性的变化（图2）。研究还指出，湍流能量生成耗散的不平衡对湍流相干结构起到了重要的控制作用。落潮期间，更高的耗散率导致Inward与Outward事件的时间占比增加，进而引起对雷诺应力贡献的周期性变化。
图2 湍流相干结构四象限事件的潮周期变化特征
通过定义频率（Frequency）、持续时间（Duration）以及平均强度（Strength）和有效强度（Intensity）四个参数，来定量刻画湍流猝发事件的间歇性特征。可以看出，不同象限事件控制的雷诺应力平均强度基本一致、但方向相反，而考虑了频率的持续时间的有效强度则完全由Ejection和Sweep控制的猝发事件占优（图3）。因此，频率和持续时间是不同象限事件之间主导地位差异性的主要控制因素。
图3 湍流相干结构不同象限事件控制下的猝发事件的统计特征指标
研究还进一步发现了上抛和下扫对沉积物垂向输运的控制作用，内向和外向运动则对细颗粒沉积物的再悬浮有重要影响，会导致悬沙沉速1mm/s的量级变化。值得注意的是，基于三脚架观测资料获得了长江水下三角洲前缘平均态的拖曳系数为0.00297，非常接近学术界常用的数值0.0025。
本研究发现了湍流相干结构的在感潮河口环境中的潮周期变化特性，并指出了内在的动力机制，提出了描述湍流间歇性的新指标，加深了对底边界层内湍流结构的认识，为未来的微观尺度沉积-动力过程研究提供了重要的线索和思路。
参考文献
Renzhi Li, George Voulgaris, Ya Ping Wang*, 2022. Turbulence Structure and Burst Events Observed in a Tidally Induced Bottom Boundary Layer. Journal of Geophysical Research: Oceans, 127(6), e2021JC018036. https://doi.org/10.1029/2021JC018036