由南丹麦大学、德国基尔赫尔姆霍茨海洋研究中心等机构组成的研究团队，2009年8月在北海中部的Tommeliten海域开展了为期3天的湍流与溶解氧联合观测。团队把一支响应时间仅0.2秒的德国AMT公司原电池式快速溶解氧传感器安装在自由下落式微结构湍流剖面仪上，配合船采水样的温克勒滴定校准，以毫米级垂向分辨率解析温跃层内的氧浓度梯度与湍流氧通量，首次量化了近惯性波动把氧气从温跃层氧最大层泵入底层水的过程。相关成果于2016年发表于《Biogeosciences》。
研究背景
溶解氧在海水中的分布是生物过程（光合作用与呼吸作用）和物理输送过程共同作用的结果，其浓度变化直接关系生态系统健康：一般认为低于62.5微摩尔每升即为低氧阈值，会对水生生物造成显著胁迫。近几十年来，北海中部底层水夏季溶解氧持续走低，历史数据显示1990年后氧亏损明显加剧，虽尚未跌破低氧阈值，但低氧风险的上升使人们迫切需要弄清底层水氧收支的驱动机制。
每年4月至10月，北海中部水体出现季节性分层：温暖的混合表层与寒冷的底层水之间隔着强跃层，底层水与大气隔绝，有机质降解不断消耗氧气。跃层既是屏障也是通道——理论上湍流混合可以把跃层内光合作用产生的氧气向下输送，但这一通量从未在北海被直接量化。研究团队推测，温跃层附近的近惯性波动等动力过程可能是关键，遂在分层盛期的北海中部布下观测阵。
研究过程
观测在挪威海域的Tommeliten站位进行，位于多格滩东北约100公里，水深约70米，海底为平坦沙质底，以埋藏盐丘、甲烷渗漏和细菌席著称。2009年8月8日至11日，团队搭乘调查船开展了3天观测，获取39条微结构湍流剖面，以3至5条为一组、组内间隔5至10分钟连续施放；同时船载温盐深剖面系统采集水样，用于温克勒滴定校准。
核心观测平台是自由下落式微结构湍流剖面仪，以每秒0.5至0.6米的速度下沉，以1024赫兹采样。这台剖面仪除两支空气箔剪切探针、加速度计与快速温度传感器外，还加装了一支AMT快速原电池式溶解氧传感器——其0.2秒的响应时间足以匹配剖面仪的下沉速度，不致拖尾模糊氧浓度细节；绝对浓度再经船载剖面与温克勒滴定校准。海床上还布放着陆器，用声学多普勒流速剖面仪每15秒记录一次三维流速，底层光学氧传感器每分钟记录一次近海底氧浓度，持续刻画水柱动力环境。
实验结果
一、四层水柱结构与跃层氧最大值。 观测期间水柱呈稳定的四层结构：15米厚的混合表层与30米厚的底层边界层之间，夹着过渡层与强分层的内部层；内部层内上下各有一条陡峭温跃层，温度梯度最高达每米4摄氏度。表层与过渡层氧浓度接近饱和，内部层过饱和最高达115%，在约39米深处形成浓度约315微摩尔每千克的氧最大层；其下与底层边界层交界处存在仅2至3米厚的陡氧跃层，氧浓度梯度高达每米34微摩尔每千克。
图1. 德国AMT公司溶解氧微传感器
图2. 基于高分辨率湍流剖面与船载剖面的水柱温度、透光率与氧饱和度、氧浓度垂向分布（论文 Figure 2）
二、近惯性波动在温跃层内制造强剪切。 流速谱分析显示，观测期间温跃层内存在显著的近惯性波动，振幅约0.11米每秒，在表层与底层之间呈180度反相，属第二垂向模态；由此产生的界面剪切层厚2至3米，剪切值可达0.05每秒，恰好叠加在两条强温跃层所在深度上。湍流耗散率在内部层中心极低，而在上下界面处明显升高，说明近惯性波动确在温跃层内局部制造湍流。
图3. Tommeliten站位ADCP观测的流场、剪切与频率谱特征（论文 Figure 3）
三、氧气从温跃层被泵入底层水。 借助AMT传感器的高精度氧梯度数据，团队计算出内部层的湍流扩散系数与垂向氧通量：内部层中上部氧通量仅约1毫摩尔每平方米每天；而在温跃层下部向底层边界层方向，氧通量高达9至134毫摩尔每平方米每天，平均54毫摩尔每平方米每天。这一未被先前氧收支研究计入的输送通道，量级上足以显著影响底层水氧平衡。
图4. 内部层湍流耗散率、湍流扩散系数与垂向氧通量的深度分布（论文 Figure 4）
四、氧补充使底层水呼吸维持在高位。 近海底氧时间序列显示观测期内底层水表观氧损失约为每升0.42微摩尔每天，折合每平方米15毫摩尔每天；结合约10毫摩尔每平方米每天的沉积物耗氧，反推出水柱呼吸率约60毫摩尔每平方米每天，底层水总呼吸约70毫摩尔每平方米每天，其中86%的有机碳矿化发生在水柱中。若没有温跃层的氧补充，底层水氧下降速度将高达观测值的4倍——跃层输氧在支撑底层高碳转化的同时维持了较高的氧浓度。
图5. 底层边界层氧时间序列与湍流耗散剖面（论文 Figure 5）
图6. 本研究各氧通量分量汇总及AMT传感器与船载剖面氧数据对比（论文 Figure 6）
研究结论
这项研究在北海中部首次直接量化了温跃层向底层水的湍流氧通量，证明近惯性波动驱动的混合是一条长期被忽视的底层供氧通道；随着气候变暖使分层增强、周期延长，这一输氧机制可能被削弱，加上会垂直迁移的甲藻把产氧层抬升至跃层上部，北海中部底层低氧风险或将加剧。对开展陆架低氧监测、跃层过程研究与沉积物耗氧调查的用户而言，跃层内氧浓度梯度陡峭、结构精细，只有响应足够快的传感器才能在剖面运动中真实还原氧跃层细节。德国AMT公司的溶解氧微传感器正为此类场景而生：微传感器响应迅速、钛壳防护、尺寸紧凑，提供在线与自容两种版本，可集成于剖面仪、浮标或拖曳平台，测量参数覆盖溶解氧、硫化氢、总硫、二氧化碳、氢、臭氧、pH、氧化还原电位与电导率，并配有专用校准装置。从湍流剖面搭载到长期底层观测，AMT溶解氧传感器都能在关键层位交出可靠的垂向氧数据。
参考文献
Rovelli, L., Dengler, M., Schmidt, M., Sommer, S., Linke, P., McGinnis, D. F. Thermocline mixing and vertical oxygen fluxes in the stratified central North Sea. Biogeosciences, 2016, 13: 1609–1620. https://doi.org/10.5194/bg-13-1609-2016
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