沉积物起动条件的再解读——湍流的尺度效应
在沉积动力学基础研究方面，临界剪切应力是判断沉积物是否起动的关键参数，是沉积动力学的经典科学问题。近期，在南黄海采用海底三脚架获取多个站位的近底部切应力，发现观测获得的临界起动切应力比希尔兹模型（Shields curve）计算值偏小 30-83%，即希尔兹模型会显著高估沉积物的临界剪切应力（图 1）。我们提出了湍流间歇性是海底沉积物临界起动条件、沉积物再悬浮的一个重要控制因素，即在大尺度的强潮环境中，湍流间歇性发育较好，沉积物再悬浮主要由湍流间歇性控制，从而导致含水量较高的粘性或非粘性沉积物在小于希尔兹临界值的条件下被起动。这项突破性成果发表于本领域国际主流期刊Ocean Dynamics、Estuarine Coastal and Shelf Science。在此基础上，集成已有研究的主要成果表明，影响沉积物起动的因素很多，在Shields 曲线框架下已经考虑到的因素有颗粒雷诺数、粒度分布、球度、磨圆度、粘滞性等五个变量。本研究认为还应该考虑影响Shields曲线的第六个变量：湍流的尺度效应，并深入讨论了如何量化该尺度效应，以及如何建立包含该尺度效应的六变量Shields曲线族的问题。这一系列成果揭示了湍流间歇性在底部边界层物理过程中的显著作用，提高了沉积物输运和地貌演化模拟水平，在临界起动剪切应力研究方面取得突破性进展，补充和丰富了沉积动力学理论。
图. 1. (a) Map of the locations of the observation sites (red circled dots) in the southern Yellow Sea, China; Tripods were deployed at B4, D1, D2, d1, s1, d2 and s2 stations.
(b) A comparison of critical shear stress for seabed erosion derived by in situ measurements and Shields curve, with additional data from Mehta and Partheniades (1979) and Barry (2003).
该研究成果以综述论文形式发表于Continental Shelf Research期刊上：Yang, Y., Gao, S., Wang, Y.P., Jia, J.J., Xiong, J.L., Zhou, L., 2019. Revisiting the problem of sediment motion threshold. Continental Shelf Research, 187,103960. 第一作者为杨阳博士，通讯作者为高抒教授。