悬浮海带养殖场中的朗缪尔湍流，可持续水产养殖和海洋流体动力学
海洋流体动力学与悬浮海带养殖场之间的相互作用是海洋研究的一个快速发展的领域，特别是关于朗缪尔湍流的影响。这种现象的特点是海洋表层内有大规模涡流，在营养循环、流体动力学条件和海带生长中起着至关重要的作用。随着全球对海洋水产养殖和碳封存的兴趣日益浓厚，了解朗缪尔湍流在这些系统中的作用变得越来越重要。
朗缪尔湍流
海藻森林是生产力最高的海洋生态系统之一，提供海洋生物栖息地、海岸保护和碳封存等基本生态系统服务。最近，大规模海藻养殖已成为可持续海洋水产养殖和减缓气候变化的一种战略。然而，影响海藻生长的环境条件，特别是水流和湍流，仍然知之甚少，尤其是在悬浮海藻养殖场的背景下。
这种环境的一个关键要素是朗缪尔湍流，这种现象会显著影响海洋混合和营养分布。朗缪尔湍流是一种由风和洋流相互作用产生的表面层湍流，会形成平行涡流，从而在海洋中引起强烈的垂直混合。这种混合过程可能会改变海带养殖场周围的营养物质供应，直接影响海带的生长率和整个养殖场的生产力。
朗缪尔湍流发生在海洋的混合层中，表面风和洋流在此形成有组织的涡流或朗缪尔涡。这些涡流结构通常与风向平行，可以延伸到海面以下几米。这些涡流产生的湍流导致水团混合增强，这会对海洋生物产生深远影响。
朗缪尔涡流是通过一种反馈机制产生的，该机制涉及海洋表面的风应力，从而诱发与背景流相互作用的表面流。这些表面流形成长长的平行涡流，称为朗缪尔涡流。这些涡流的强度和结构受风速、波浪条件和海洋分层等因素的影响。
朗缪尔湍流引起的混合可能会改变海洋中营养物质的垂直输送。由于这些涡流垂直拖拽水，它们会导致深水中的营养物质上涌到水面。这一过程对于维持地表水的初级生产力至关重要，特别是在营养物质供应通常有限的贫营养环境中。
在海带养殖场中，这些垂直营养通量可以显著影响海带生长的关键资源的可用性，包括氮、磷和其他微量营养素。
朗缪尔湍流对悬浮海带养殖场的影响
悬浮海带养殖场是在水柱中养殖海带的系统，通常使用浮动平台或线。这些养殖场暴露于周围水域的自然流体动力学条件，包括洋流、波浪和湍流。了解朗缪尔湍流如何与这些悬浮结构相互作用对于优化养殖场生产力和确保这些水产养殖系统的可持续性至关重要。
海带养殖场会因海带叶与周围水体的相互作用而产生湍流。这些大型柔性生物的存在会改变流动模式，形成局部湍流，从而增强营养供应。海带本身产生的湍流与朗缪尔湍流相互作用，放大其对营养通量的影响，并可能改变养殖场周围的流体动力环境。
研究发现，这种湍流可以提高海藻吸收营养的效率，从而有可能提高湍流强度高的地区的生长率 。
朗缪尔湍流与悬浮海带养殖场之间的相互作用改变了局部流体动力学，从而影响了营养物质的可用性。朗缪尔湍流产生的涡流与海带养殖场的湍流相结合，可以促进营养物质从海洋深层上升到养殖场水平。这种相互作用有助于确保海带从下方获得足够的资源，而海带需要稳定的营养物质供应才能生长。
此外，这些增强的垂直洋流会影响海带养殖环境中作为海洋生物食物的浮游生物、碎屑和其他悬浮颗粒的分布。
新的研究发现
一项新的研究对悬浮海带养殖场朗缪尔湍流的研究提供了重要的见解。研究人员调查了在存在洋流和波浪的情况下，悬浮海带养殖场对海洋混合层流体动力学的影响。我们使用大涡模拟方法，通过求解波浪平均方程来整合波浪效应。
研究发现，养殖场内产生朗缪尔环流归因于两个主要因素，具体取决于养殖场配置：(i) 由于海带叶面积密度变化而导致的垂直剪切增强，以及 (ii) 由于间隔行横向边缘的冠层不连续而导致的横向剪切增强。流向速度的垂直和横向剪切增强（分别代表横向和垂直涡度分量）可以倾斜到下游涡度以产生朗缪尔环流。
朗缪尔环流形成的成对涡流可以重新分配浮游生物、小生物和颗粒，从而影响海洋食物网。海带养殖场通过放大这些影响，可以通过增强或破坏浮游生物的分布来改变当地的生物多样性。
海带养殖场产生的湍流可以显著增强营养物质从较深水层向上流到水面。这一过程有利于海带的生长，因为增加的营养供应有助于促进其生长。然而，湍流效应并不总是均匀的，在某些情况下，过度的湍流会导致营养分布不均匀或以不利于海带最佳生长的方式扰乱水柱。
此外，海藻养殖场的存在会将额外的垂直结构引入水柱，从而改变朗缪尔环流与海洋混合层的相互作用。这种扰动可能会增加水的混合，并影响温度、盐度和溶解气体（如氧气）的分布。这些变化对于依赖稳定环境条件的海洋生物的健康尤其重要。
该研究还引发了人们对这些发现能否扩展到更大规模的全规模海带养殖场的担忧。虽然湍流效应在小型实验养殖场的规模上很明显，但将其扩展到更大的区域，因为那里的洋流、波浪模式和海带养殖场密度可能会有所不同，这会带来一系列新的不确定性。这可能意味着养殖场产生的湍流可能会对更大的生态系统产生不同的影响。
研究结果表明，朗缪尔湍流在悬浮海带养殖场的流体动力学中起着关键作用，影响着营养物质的供应和海带的生长。养殖场产生的湍流与自然湍流动力学之间的复杂相互作用可能会显著影响海带养殖场的生产力及其在海洋生态系统中的作用。
思考
悬浮海带养殖场的不同设计参数（例如深度、间距、海带结构排列）如何影响朗缪尔湍流动力学？朗缪尔湍流和流向海带养殖场底部的营养物通量之间的定量关系是什么？这对海带生长率和生态系统健康有何影响？朗缪尔湍流如何影响与海带相关的微生物群落，包括有益和有害物种？
参考文献：Langmuir turbulence in suspended kelp farms.Journal of Fluid Mechanics , Volume 985 , 25 April 2024 , A11，DOI: doi.org/10.1017/jfm.2024.287
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