使用快速剖面仪进行高分辨率河口采样

research boat returning to harbour

Dr. Rocky Geyer是美国伍兹霍尔海洋研究所高级研究员,专门从事河口海岸输运过程、沉积物传输、河口与淡水舌数值模拟的研究。实际上,Geyer博士的所有研究都源于对自然和物理的热爱。Geyer博士说:“科学的核心是回答问题与拓展认知。对我而言,我一直在致力于水体混合过程、水流或锋面结构的研究。揭示这些现象的同时,可以从中领略其结构的美。”

正是由于对自然的热爱以及对揭示海洋动力的真实过程的渴望,Geyer博士及其团队不断地将不可能变为可能。无论需要多高的观测分辨率,他都能想出新的创新办法去探究这些现象的本质,并揭示海洋动力的详细过程。

Geyer博士还提到:“通过去做前人还未想到或者不敢去做的事情,我们可以不断提高现场观测的分辨率。另外,感谢先进的仪器设备,可以让我们进行更深入的研究,以阐明这些海洋动力过程是如何进行的。

在这种挑战极限、将不可能变为可能的想法驱使下,Geyere博士开始研究如何提升垂向观测的分辨率,以更好的捕捉河口海岸的输运过程。“传统观念认为垂向采样是个缓慢过程。但是,我们可以进行快速采样并获得更高的分辨率。”Geyer博士说:“在海上的时候,可能需要4个小时将CTD采水器下放到海底。但是在河口区域,设备下放到水底仅需15秒,因此可以在短时间快速获取多个垂向剖面。河口属于动力环境,高空间密度的剖面测量,可以捕捉到水体的细节特征,传统的剖面测量可能难以测量到这些细节。”

这种挑战极限的想法和对探究河口结构的热忱,引导Geyer博士及其团队创造出一款快速剖面仪,可连续、快速地测量河口海岸环境过程。

快速剖面仪连接着一个带有离合器的绞车。船只向前航行的同时,剖面仪以最大速度自由下降到水底再被拉回水面,然后不断重复此过程,最终获取研究区域高分辨率的横断面数据(图1)。剖面采样速度由多个因素决定,包括剖面仪自由下降速度、水深、绞车回收速度以及船速等。如果剖面仪自由下降速度为2m/s、水深为10m、船速是4节,那么剖面仪下放至水底仅需5秒,但同时绞车缆绳放出去20m。所以绞车必须配有离合器,可快速放出缆绳–约4m/s。另外,绞车回收速度也必须够快。绞车越快,剖面采样约快。如此快速的剖面采样,可以比其他垂向剖面仪获取更好的分辨率。“绞车回收速度约200m/min,是常规绞车速度的5倍。”Geyer博士说:“真的非常有趣,如此快的速度意味着这些剖面数据空间分辨率非常高。另外,布放设备时需要保证仪器可以下放到水底。”

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图1 快速剖面仪连续采样动画演示

仪器本身重量非常轻。Geyer博士说:“仪器在水下几乎没有重量,所以我们增加了一个五磅重的配重,但是下降又太快了——约4m/s。然后我们在仪器上方又增加了几块浮力材料,将下降速度降低到了2m/s。”在仪器和缆绳之间几乎没有阻力,因此剖面仪可自由下降到水底。

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图2 Joe Jurisa正在操作快速剖面仪进行采样

剖面仪上搭载的RBRconcerto3 C.T.D温盐深仪,可同时测量水体温度、电导率、压力(深度),另外还可集成浊度、荧光或溶解氧传感器。结合水体锋面的生物地球化学和物理性质,可了解水体的详细结构,同时为不同水体的动态过程提供更多信息,以揭示河口环境水体混合过程。Geyer博士及其团队对增加溶解氧和荧光传感器非常有兴趣,增加这些传感器可提供水体的生物地球化学信息,另外对水质和生态研究也具有重要意义。

这款快速剖面仪帮助Geyer博士团队全面了解不同环境下的河口混合过程(图3),另外,不同配置的快速剖面仪也被用于其他研究中采集数据,发表的相关论文包括Honegger et al. 2017 and Corlett & Geyer 2020。在论文Honegger et al. 2017的研究中,研究团队于2013年5月24日到6月12日期间,将快速剖面仪与一些采样方法结合使用,在哥伦比亚河口区域采集数据。快速剖面仪在Westwind科考船上进行剖面测量,另外团队还进行了ADCP观测、坐底锚系观测以及岸基和跟踪雷达监测。结合这些观测方法,研究团队得以观测到这个分层河口水域的潮汐循环、倾斜、内部水跃等等。

four profiles taken with rapid vertical profiler

图3 快速剖面仪于2019年4月在James河口采集的4个剖面数据

在论文Corlett & Geyer 2020的研究中,研究团队也将快速剖面仪与一些其他设备结合使用。于2016年春天到初夏期间,在Newark湾的亚河口水域和纽约港进行船上和锚系观测。锚系观测系统布放在河口水底,为了观测河口水质沿河道的变化,使用快速剖面仪以3m/s的速度进行连续剖面采样。快速剖面仪以12Hz的高频采样率采集水质参数,沿着河道每70m测一个剖面,盐度剖面数据的垂向分辨率可达0.1m。

最终,快速剖面仪描绘出了完整的水体结构,图4展示了2021年6月Mobile湾淡水舌一个横断面的盐度变化。利用快速剖面仪可观测到高分辨率的水体结构,比如本例中的盐度。

Salinity across mobile bay plume

图4 使用快速剖面仪观测到的Mobile湾淡水舌的盐度变化

将高分辨率的仪器,比如RBRconcerto3 C.T.D,和创新的采样方法结合,可以观测到之前认为不可能观测到的数据结果,最终解开这些河口现象的复杂并发现它的美。

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参考文献:

Corlett, W. B., & Geyer, W. R. (2020). Frontogenesis at Estuarine Junctions. Estuaries and Coasts43(4), 722-738.

Honegger, D. A., Haller, M. C., Geyer, W. R., & Farquharson, G. (2017). Oblique internal hydraulic jumps at a stratified estuary mouth. Journal of Physical Oceanography47(1), 85-100.