近日，国际知名地学期刊《Geophysical Research Letters》和《Journal of Physical Oceanography》分别以“Scaling the Mixing Efficiency of Sediment-Stratified Turbulence”和“Shear Instabilities and Stratified Turbulence in an Estuarine Fluid Mud”为题发表我室涂俊彪副研究员、范代读教授及合作者的最新研究成果。
图1. 流动不稳定结构的声学图像及剪切、层结特征。
高浓度细颗粒悬浮泥沙引起的密度分层和水流剪切之间的相互作用产生流动不稳定性。研究团队通过船载回声探测仪对剪切不稳定结构进行精细观测，利用座底三脚架中的ADP-HR对近底层湍动能耗散率进行观测，结合流速和悬沙浓度剖面数据等，揭示了浮泥层中湍流剪切层生消规律和湍流混合特征：（1）剪切不稳定性形成于强剪切和强层结（浮泥所致）期间，尤其是在梯度理查德森数（Ri）小于或在临界值0.25附近波动的情况下；（2）在潮汐周期的时间尺度上湍流混合对细颗粒沉积物的垂直混合、卷吸起到重要作用；（3）声学图像中识别的内波和涡旋的波高可作为两个重要参数化方案的基础：波高波长比是初始理查森数的指标，它指示了剪切流中不稳定结构何时开始生长；基于剪切不稳定形态结构可推算湍流耗散率，该方案对于预测以往海洋环境中观测和模拟的结果都是十分有效的。然而，该方案与泥跃层的观测结果并不完全吻合，尚需要对相应参数进行调整，其原因有待进一步研究。
图2. 流动不稳定结构的声学图像及湍流混合特征。
层化湍流中的混合效率（Mixing Efficiency，亦称通量理查森数Rf）对海洋环流和物质输移具有重要的作用。流体中的湍流动能主要通过两个过程来消耗：大部分能量通过摩擦消散，另一部分能量则用于输运重要的流动成分，如热量、沉积物和二氧化碳等。后者即湍流混合效率，更准确地定义为克服重力做功的动能。由于海洋中湍流混合效率难以直接观测，通常假定其为恒定值（Rf ~0.2），但近年来的一些研究表明，Rf可随湍流强度的变化而变化。本研究在高浊度河口中对强湍流、悬沙层化的流动进行了现场观测；结合已发表的观测数据和模拟结果，证实了混合效率可从较易观测的湍流强度指标（即湍流弗劳德数）进行估算。
图3. 通量理查森数（混合效率）随湍流弗劳德数的变化趋势。
论文第一作者均为我室涂俊彪副研究员，我室范代读教授和美国俄勒冈州立大学 Bill Smyth教授为共同通讯作者，合作者包括厦门大学刘志宇教授，美国加州大学伯克利分校Alexis Kaminsik教授，以及我室博士生孙飞翔。该研究受国家自然科学基金（41906052, 41976070, 41776052, 91858201, 41721005）项目、上海市教委创新项目重点项目（2021-01-07-00-07-E00093）和同济大学海洋交叉学科项目（2022-2-YB-01）共同资助。同时该研究也致谢美国国家科学基金（OCE-1830071,OCE-1537173, OCE-1657676）。
全文链接：
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2022GL099025
https://journals.ametsoc.org/view/journals/phoc/52/10/JPO-D-21-0230.1.xml
撰稿：涂俊彪
编辑：高小丰