最近，中国海洋大学贾永刚教授团队对内波与海底相互作用的研究获得突破性进展。该研究基于南海现场观测数据、室内模拟实验和数值模拟，围绕内孤立波与海底相互作用，揭示了内孤立波的沉积动力学过程，建立了浅化内孤立波形成底部和中部雾状层的机制，确定了内孤立波悬浮海底沉积物的最大水深和扰动海床深度的范围，并进一步对南海内孤立波悬浮海底沉积物量进行预估。该研究对阐明边缘海“源汇”过程、深海沉积过程和预测研究区海床演变具有重大科学意义。相关研究成果发表在Scientific Reports, Journal of Geophysical Research: Oceans, Journal of Marine Systems, Appiled ocean research等国际重要学术期刊。
内孤立波是一种特殊的非线性内波，广泛分布在全球海洋中，中国南海为世界最大振幅内孤立波发生的海域。内孤立波可在相对较短的时间内，引起海水与海底之间显著的相互作用，已被证明是海岸、陆架和河口等浅海环境中沉积物再悬浮的有效成因。大陆边缘是沉积物、营养物和碳的基本来源，沿着垂向剧烈破碎的内孤立波可引起强烈的混合、影响海水成分的扩散，并对生态和地质过程产生重要影响。
研究团队通过内孤立波在陡坡上破碎的室内实验，揭示了底部雾状层的功能和悬浮沉积物的命运。研究发现相当大量的沉积物随着涡流在斜坡上发生再悬浮，并且几乎同时充满整个水体，随后，逐渐沿密度跃层形成两个明显的中部雾状层和一个底部雾状层。悬浮沉积物可通过底部雾状层输运至斜坡顶部，沿斜坡向下输运距离非常短，悬浮的沉积物没有通过底部雾状层到达斜坡的底部。坡面高程的变化可能受到连续冲刷、沉积物再沉积和沙波迁移的影响。悬浮的沉积物主要在斜坡中部再沉积，一些悬浮的细粒沉积物通过中部雾状层沿着密度跃层扩散到更远的地方。该研究强调了内孤立波在沉积动力过程、海底演化以及一般沉积环境中的重要性，需要进一步的研究来分析准确的密度跃层演变、量化输运距离以及底部雾状层和中部雾状层的能力。
浅化内孤立波悬浮沉积物过程示意图
结合室内水槽实验和南海现场观测，研究团队分析浅化内孤立波悬浮沉积物及其诱发底部和中部雾状层的详细过程。研究发现浅化内孤立波通过涡旋中的水平速度悬浮海底沉积物，随后近底垂直速度将沉积物托举到水体中，并产生底部雾状层，底部雾状层从斜坡分离沿着等密度线扩散，形成多个中部雾状层。结合前人研究结果，发现底部和中部雾状层的数量主要由内孤立波波群速度向量角（α）和海床坡度（γ）之间的关系决定。在传播区（γ/α<1）中，形成一个底部雾状层和一个以上的中部雾状层，沿密度跃层的中部雾状层是最长的并且具有最高浓度。在临界区（γ/α~1）中，仅能形成一个底部雾状层和少于一个中部雾状层。在反射区（γ/α> 1）中，形成少于一个底部雾状层，且没有中部雾状层。临界区的底部雾状层应该是沉积物再悬浮最大的地方，底部和中部雾状层的浓度和厚度与内孤立波的能量和振幅以及沉积物条件有关。该研究将有助于预测内孤立波从海洋边缘到海洋内部形成的输运通道的数量和大小，为量化研究海洋“源-汇”过程提供理论支持。
浅化内孤立波在传播区形成底部雾状层和中部雾状层过程示意图
结合室内水槽实验和数值模型，研究内孤立波在部分饱和的多孔海床的动力响应深度。实验和模拟结果表明，砂质粉砂质和粉质粉砂质海床瞬时超孔压都随着海床深度的减小而呈现下降趋势。在相同深度下，砂质粉砂产生的超孔压要大于粘土质粉砂。内孤立波引起的超孔压极大地影响了表层海床，并显示出线性关系。海床的动力响应深度比内孤立波的半波特征宽度大约小一个数量级，可能比表面波的动力响应更大。研究结果有助于理解内孤立波对海床的破坏，并为将来直接测量内孤立波与海床沉积物之间相互作用的现场实验提供支持。
部分饱和的多孔海床瞬时孔压场的垂直分布与无量纲深度的关系
已有的研究发现内孤立波悬浮沉积物主要发生在河口、陆架和水下三角洲，更深的海域未曾发现内孤立波的悬浮作用。通过南海东沙陆坡布设的潜标观测，发现内孤立波在约1000米水深位置可以悬浮海底沉积物。利用船载调查设备，在南海北部多处观测到内孤立波悬浮深海沉积物，最大深度达1500米。基于已有研究成果，通过对南海北部网格划分，研究团队对南海内孤立波悬浮海底沉积物进行预估，预估南海北部内孤立波的悬浮量可达787 Mt/yr，是所有南海北部河流入海泥沙的2.7倍。同时，南海内孤立波一年的悬浮量占世界河流入海泥沙的6.1%，亚洲河流入海泥沙的16.4%。该研究成果将内孤立波的影响推向更广泛的海域，为深入研究内孤立波的深海作用奠定基础。以往的研究大大低估了内孤立波对海底的作用，内孤立波对海洋沉积和动力过程的作用也需要更多关注。
潜标观测南海内孤立波悬浮海底沉积物并形成海底雾状层
研究团队通过对内孤立波与海底相互作用的系统研究，首次使用线性波反射理论解释雾状层的形成规律，并建立预测模型；同时，阐明内孤立波悬浮沉积物的详细过程，解开了该领域多年的争论。研究团队近期取得的成果有助于深入认识内孤立波在深海沉积物再悬浮、沉积和动态过程中的作用，拓宽了内孤立波的影响范围。内孤立波对边缘海沉积物运移的作用的研究，可以更好地了解沉积过程和地质时间的海底演化，这对于海底地质灾害评估至关重要。以往的研究大大低估了内孤立波对海底的作用，这些发现强化了内孤立波与沉积物再悬浮之间的关系，以及对海洋沉积和动力过程的作用。
该研究得到国家自然科学基金重大仪器专项（41427803）和国家自然科学基金重点项目（41831280）的联合资助。
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