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黄海湍流混合特征研究 黄海湍流混合特征研究 摘要 海洋混合是海水一种普遍的运动形式，混合的过程引起动量、热量、物质 在水平或铅直方向传输，使得海水各种特性逐渐趋向均匀。海洋内部混合是物 理海洋学中一个十分重要且发展迅速的研究内容，已成为制约诸如海洋环流、 锋面、跃层等动力学研究发展的关键，逐渐受到更多学者的关注。 本文从观测资料分析出发，给出了黄海湍流混合变化特征，探讨了其变化 机制。首先利用2 0 0 5 年1 2 月1 4 日至1 5 日青岛外海2 号锚地( a 3 站) 周日连续 观测的a d c p 资料，分析了平均流场特征，雷诺应力和湍流动能生成率特征。 结果表明青岛外海以半日潮振荡占优，水平潮流表现为往复流的形式，有显著 的涨落不对称现象，且涨潮流强，落潮流弱；底边界流速符合对数分布，底边 界层厚度绝大部分都在1 0 a 以下雷诺应力量级为1 0 。m 2 s 2 ，其高值时刻对 应涨潮流的高值时刻。湍流动能生成率在表，底层大，中间层较小，量级为 1 0 4 ，堙；利用c t d 资料估算了t h o r p e 尺度，在t h o r p e 尺度和0 z m i d o v 尺 度相等的假设下，推算出湍流动能耗散率和密度扩散系数，结果表明，青岛外 海t h o r p e 尺度在1 1 米9 米之间变化，有约2 小时的周期， 其累计概率密 度函数服从w e i b u l l 分布；湍流动能耗敖率和密度扩散系数的量级分别为 1 0 - 7 妇和1 0 。3 肘2 a ，前者有约1 4 小时和约5 5 小时的周期，后者有约2 小时和约6 小时的周期，二者累积概率密度函数均服从对数正态分布。 然后利用2 0 0 5 年初春北黄海和山东半岛南部两个连续观测站( a 2 、a 1 ) 的a d c p 资料，分析了流场特征，表明a l 站和a 2 站流场以半日潮振荡占优， 1 站潮流椭圆主轴为西北一东南向，a 2 站潮流椭圆主轴为东北一西南向，均处 于黄海旋转潮波系统。a l 站潮流较强，底边界流速符合对数分布；a 2 站潮流 较弱，观测期间出现7 8 级大风，使得a 2 站底边界层流速不符合对数分布； 利用a d v 资料分析了底层湍流耗散率特征，结果表明，a l 站和a 2 站的底层湍 流动能耗散率平均值分别为1 0 x 1 0 矿，碚和4 6 8 x 1 0 5 矽，k g ，均有约1 2 小时 和6 小时的周期利用c t d 资料估算了t h o r p e 尺度、湍流动能耗散率和密度 黄海滴流混合特征研究 扩散系数，结果表明，a i 站t h o r p e 尺度在0 8 m 4 8 m 之间变化，a 2 站t h o r p e 尺度在1 1 m 7 5 m 之间变化，且均服从w e i b u l l 分布。湍流动能耗散率在a l 站和a 2 站均在1 0 4 矿堙一1 0 - w 培之间变化，其累积概率密度函数服从对数 正态分布密度扩散系数量级在a 1 站和a 2 站均在1 0 。m 2 s 1 0 - 2 肘2 s 之间 变化，其累积概率密度函数服从对数正态分布 最后利用2 0 0 5 年夏季胶州湾内锚地( a 4 站) 连续站的c t d 资料估算了 t h o r p e 尺度、湍流动能耗散率和密度扩散系数，结果表明，a 4 站t h o r p e 尺度 在0 1 m 3 3 m 之问变化，且服从n i b u l l 分布，受潮流的影响有约1 2 h 的周 期；湍流动能耗散率在9 8 1 0 4 w 培1 1 5 x 1 0 4 w 培之间变化，其累积概率 密度函数服从对数正态分布；密度扩散系数量级在 4 9 3 1 0 所2 s 。3 7 x 1 0 4 所2 s 之间变化，其累积概率密度函数服从对数正态 分布。 各连续站的对比分析表明，潮混合和风混合是黄海湍流混合的主要形式 潮的影响主要表现在底层，风的影响则表现于水柱内 关键词：湍流混合；潮流；黄海 c h a r a c t e r i s t i co ft u r b u l e n t m i x i n gi nt h ey e l l o ws e a a b s t r a c t o c e a nm i x i n gi st h eu n i v e r s a lm o v e m e n to fs e aw a t e r s t h ep r o c e s so f m i x i n gc a r lb d n go nt r a n s p o r to f m o m e n t u ma n dq u a n t i t yo f h e a ti nh o r i z o n m la n d v e r t i c a ld i r e c t i o n ，a n dm a k et h es e aw a t e rb e c o m eh o m o g e n o u s o c e a nm i x i n gh a s b e c o m e 锄i m p o r t a n ta n df a s t - d e v e l o p i n gf i e l d i np h y s i c a lo c e a n o g r a p h y , a n d b e c o m et h ec h o k ep o i n tw h i c hr e s t r i c t st h ep r e d i c t i o no f t h ec i r c u l a t i o n 。f r o n ta n d t h e r m o c l i n e s oi ti sp a i dc l o s ea t t e n t i o nt ob ym o r ea n dm o r er e s e a r c h e r s r e c e n t l y b a s e d o i l t h e a d c p d a t a o f a na n c h o r s t a t i o n i n t h ec o a s t o f q i n g d a o ( a 3 ) i n d e c 1 4 ，2 0 0 5 ，t h ef e a t u r eo fm e a nf l o w , r e y n o l d ss 打e s sa n dt u r b u l e n tk i n e t i c e n e r g yp r o d u c t i o nr a t ea r ea n a l y z e d i ti ss h o w nt h a tc o a s to fq i n g d a oi sd o m i n a t e d b ys e m i d i u r n a lt i d a lc o m p o n e n tw i t ht i d a lc u r r e n t sf l o w i n gb a c ka n df o r t h t h e p h e n o m e n o no ff l o o d - e b ba s y m m e t r yi so b v i o u sa n df l o o di ss t r o n g e rt h a ne b b b o t t o mv e l o c i t yi sw e l l a p p r o x i m a t e db yi o g r i t h m i cd i s t r i b u t i o n t h em a g n i t u d eo f r e y n o l d ss t r e s si s1 0 。坍2 s 2 。a n dt h ee v e n t so fm a x i m a lr e y n o l d ss t r e s s c o r r e s p o n dt ot h ee v e n t so fm a x i m a lm e a nf l o w a n dt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y p r o d u c t i o nr a t ei sh u g ea ts e ab o t t o ma n d as u r f a c e ，w h i l es m a l li nt h em i d d l e l a y e r so ft h e 啊啦斌c o l u m n , w i t hm a g n i t u d eo f1 0 “wf 堍b ya n a l y z i n gt h e t e m p e r a t u r ed a t af r o mc t d , w ee s t i m a t et h et h o r p es c a l e t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y d i s s i p a t i o nr a t e ( h e n c et h ev e r t i c a ld i f l h s i v i t y ) i nt h ew a t e rc o l u m ni se s t i m a t e d f r o mt h et h o r p ed i s p l a c e m e n t sa s s u m i n gt h a tt h et h o r p es c a l ei se q u a lt ot h e o z m i d o vs c a l e t h et h o r p es c a l er a n g e sf r o m1 1 mt o9 mw i t ha2 hp e r i o di nc o a s t o fq i n g d a o a n di t sw e l l - a p p r o x i m a t e db yw j i b u i ld i s t r i b u t i o n t h em a g n i t u d eo f d i s s i p a t i o nr a t ea n dv e r t i c a ld i f f u s i v i t yi s1 0 4 w 培a n d1 0 一| 坍2 sr e s p e c t i v e l y , t h ef o r m e rh a sp e r i o d so fa b o u t1 4 ha n d5 5 h , w h i l et h el a t e rh a sp e r i o d so fa b o u t 2 ha n d6 h , a n db o t ht h ed i s s i p a t i o nr a t ea n dt h ev e r t i c a ld i f i u s i v i t ya r cf a i r l y l o g - n o r m a l f l o wc h a r a c t e r i s t i co f t w os t a t i o n s ( a la n da 2 ) i nt h en o r t hy e l l o ws e aa n d 苎堡型苎堡垒箜堡! 塞 s o u t ho fs h a n d o n gp e n i n s u l ai sa n a l y z e du s i n gt h ea d c pd a t ai ne a r l ys p r i n gi n 2 0 0 5 b o t hs t a t i o na ia n ds t a t i o na 2a r cd o m i n a t e db ys e m i d i u m a lt i d a lc o m p o n e n t n d ea ts t a t i o na ii ss t r o n ga n db o t t o mv e l o c i t yi sf a i r l yi o g r i t h m i e w h i l et i d e 砒a 2 i sw e a ka n db o t t o mv e l o c i t yi sn o tl o g a r i t h m i cb e c a u s eo ft h es 订o n gw i n dd u d n g t h eo b s e r v a t i o n a tt h es a m et i m e ，b o t t o mt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yd i s s i p a t i o nr a t ea t s t a t i o na ia n ds t a t i o na 2a r ee s t i m a t e df r o ma d vd a t a t h eb o t t o md i s s i p a t i o nr a t e a tb o t hs t a t i o na la n ds t a t i o na 2h a st h ep e r i o d so fa b o u t1 2 ha n d6 h , w i t hm e a n v a l u eo f1 0 x l o 。律| 堍a n d4 6 8 x 1 0 。w f 堍r e s p e c t i v e l y u s i n gc t dd a t a , t h o r p es c a l e ( h e n c et h ed i s s i p a t i o nr a t ea n dt h ev e r t i c a ld i f f u s i v i t y ) a ts t a t i o na i r a n g e sf r o mo 8 mt o4 8 m w h i l et h o r p es c a l ea ts t a t i o na 2r a n g e sf r o m1 1 mt o 7 5 m ，a n dt h o r p es c a l ei sw e l l - a p p r o x i m a t e db yw e i b u 1d i s t r i b u t i o n t h e d i s s i p a t i o n r a t e a tb o t hs t a t i o na ia n ds t a t i o na 2 眦b e t w e e n1 0 4 w | k g a n d l o 6 矿，堙，a n dt h ev e r t i c a ld i f f u s i v i t yv a r i e sf r o m 1 0 m 2 st o1 0 - 2 m 2 s b o t hd i s s i p a t i o nr a t ea n dv e r t i c a ld i f f u s i v i t ya l ef a i r l yl o g - n o r m a l t h o r p es c a l eo f s t a t i o na 4i nt h ei n n e ra n c h o r a g eg r o u n do f j i a o z h o ub a yi s e s t i m a t e du s i n gt h ec t dd a t ai l ls u m m e ri n2 0 0 5 t h o r p es c a l er a n g e sf r o mo 1 mt o 3 3 m ，w i t hap c d o do f1 2 h ，a n di ti sw e l l - a p p r o x i m a t e db yw e i l m l ! d i s t r i b u t i o n ，t h e d i s s i p a t i o nr a t e i sb e t w e e n1 0 4 w f 堍a n d l 0 4 w 魄，a n d t h ev e r t i c a ld i f f u s i v 吣 v a r i e sf r o m1 0 朋2 st o1 0 4 肼2 s b o t hd i s s i p a t i o nr a t ea n dv e r t i c a ld i f f u s i v i t y a r ef a i r l yl o g - n o r m a l c o m p a r i s o no f a l lt h er e s u l t ss h o wt h a tt u r b u l e n tm i x i n gi nt h ey e l l o ws e ai s m o s t l yi n f l u e n c e db yt i d ea n dw i n d , a n dt i d em a i n l ya f f e c t sb o t t o mm i x i n gw h i l e w i n di n f l c n c c st h em i x i n gi nt h ew a t 盱c o l u w m k e y w o r d ：t u r b u l e n tm i x i n g ；t i d e ；t h ey e l l o ws e a 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得! 洼；翅选直基丝噩要挂型童明 数：奎拦豆窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：墨确囊 签字日期：z 。年e 月e 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：主确象 导师签字： 签字日明：2 0 0 6 年6 月6 日 签字日期：2 0 0 6 年6 月6 日 学位论文作者毕业后去向：就业 工作单位：国家海洋局北海分局 通讯地址： 电话： 邮编 黄海湍流混合特征研究 o 前言 海洋混合是海水的一种普遍运动形式，混合的过程使得海水各种特性逐渐 趋向均匀，引起动量、热量，物质在水平或垂直方向传输。各种尺度的涡动混 合( 行星流涡、中尺度涡、湍流混合) 、对流混合( 自由对流、兰米尔环流等) 是最重要的混合方式( 冯士绍等，1 9 9 9 ) 海洋内部混合是物理海洋学中一个 十分重要且发展迅速的研究内容，已成为制约许多方向( 诸如大洋环流模式和 海气相互作用模式，彤朋舶的动力学机制，混合层模式，浅海环流模式，海 洋生态模式，海洋沉积动力学，河口海岸动力学，遥感海洋学以及海洋声学等) 的改进和发展的关键( 范植松，2 0 0 2 ) 。本文拟选择黄海典型连续站对黄海湍 流混合特征进行初步研究。 0 1 黄海概况 黄海是全部位于大陆架上的一个半封闭浅海。它北界辽宁，西傍山东，江 苏，东邻朝鲜、韩国，西北边经渤海海峡与渤海沟通，南面以长江口北岸的启 东嘴至济州岛西南角的连线与东海相接，东南面至济州海峡习惯上又常将黄 海分为南，北两部分，其间以山东半岛的成山头至朝鲜半岛的长山一线为界。 北黄海的形状近似为一椭圆，南黄海则可大致视为六边形北黄海东北部有西 朝鲜湾，南黄海西侧有胶州湾和海洲湾，东岸较重要的海湾有江华湾等。黄海 面积约4 0 万平方公里，平均水深4 4 米黄海区受东亚季风气候的控制，冬季 以北风和东北风为主，夏季以东南风为主，降水量集中在夏季。黄海的潮汐以 半日潮为主尬半日潮波在黄海的无潮点有两个，分别位于山东半岛以南和 成山头附近海区，墨全日潮波的无潮点在南黄海中部潮差一般是海区中部小 而近岸大，东岸一般又比西岸大。朝鲜半岛的西侧，潮差一般为4 8 米，最 大在仁川附近，可达l l 米，是世界有名的大潮差区。流速一般是东部大于西 部，朝鲜半岛西岸的一些水道，曾观测到4 8 m s 的强流。黄海最大水深位于 济州岛北侧，达1 4 2 米。注入黄海的河流，东岸主要有鸭绿江、大同江和汉江， 西岸主要是沂河、灌河、沐河及苏北灌溉总渠等。长江口虽然位于东海之内， 但长江径流对南黄海的影响却很大，许多研究都认为，长江冲淡水的影响可达 黄海湍流混台特征研究 济州岛附近( 冯士榨等，1 9 9 9 ) 0 2 浅海混合研究概述 关于海洋内部湍流混合的早期研究成果，在2 0 世纪7 0 年代末期，t u r n e r 已经做了较权威性的概括和总结近2 0 年来，由于观测手段的进步和研究思 想的突破，关于湍流混合的研究取得很大的进展。海洋涡动混合尤其是大洋上 层混合的结构特征( l a n g m u i rc i r c u l a t i o n ) 以及演化过程( g a r r e t t 。1 9 9 6 ) 逐渐为人类所认识，在巴西海盆进行的深海混合实验( s t l a n r e n te ta l 。 2 0 0 1 ) 深化了人们对湍流混合的认识，该实验指出，粗糙底地形使湍耗散增强。 由斜压潮引起的内波可能为湍耗散提供能量来源。研究表明，混合使海洋内部 势能发生变化，进而造成了动能( 环流) 的重新分配( h u a n g 。1 9 9 8 ) 在浅海，湍流结构与大洋中显著不同，这主要表现在：湍流的生成区占整 个水体的相当一部分。风混合和夜间对流可以在海表附近产生湍流，而在底边 界层强剪切是湍流的主要生成机制。风暴( 潮) 可以在上层和底边界层生成湍 流。在上、下边界层中间的水体中，湍流主要由内波破碎和剪切不稳定生成， 并形成不同的斑块。同时，正压与斜压潮流、上升流、局地锋面、沿岸射流等 其他一些流动，都影响浅海水体的湍流结构，从而使得浅海湍流非常复杂。由 于周日、季节等不同尺度的强迫，浅海水体在时间和空间上的变化都具有很宽 的谱带。然而，一些基本的特征是稳定存在的，并且可以用来刻画浅海湍流的 演变规律。比如，白天加热与风生湍流在上混合层之下产生一个浅的日跃层 ( s i m p s o ne ta l ，1 9 7 4 ) ；在潮流明显占优的浅海，潮流的周期性交化使得水 体中湍流结构有着明显的同频或倍频的变化规律。 近年来，由于观测手段的不断进步，湍流参数的估算方法也越来越多；f l y p r o f i l e r ( d e w e ye ta l 。1 9 8 7 ：s i m p s o n e ta l ，1 9 9 6 ) ，t a m i ( t e t h e r e d a u t o n o m o u sm i c r o s t r u c t u r ei n s t r u m e n t ) ( l u e c ke ta l 。1 9 9 7 ：l u e c ka n dh u a n g ， 1 9 9 9 ) 。t u r b o m a p 、m s sp r o f i l e r 之类自由下降微尺度剖面仪均可通过测量小 尺度流速剪切、温度垂向梯度来估计湍流动能耗散率，得到高频率的耗散率特 征但是用这类仪器观测时需要匀速下放，进行一次观测耗时耗力，因而观测 时间间隔不可能太短，不适合进行长期观测；而a d c p 则比较适合进行长期观 测，上世纪八十年到以来，各种利用a d c p 快速采样的优点而估算湍流参数的 黄海湍流混合特征研究 方法有所发展，g a r g e t t ( g e x g e t t ，1 9 8 8 ；g a r g e t t ，1 9 9 4 ) 提出了一种“大涡 方法”，这种方法可以用窄带a d c p 来估算团流动能耗散率；v a nh a r e n 等( v a n h a r e ne ta l ，1 9 9 4 ) 提出了一种“直接相关法”，这种方法通过利用锚泊的、 b e n 坐标下的窄带a d c p ，估算内波频段的雷诺应力；l o h r m a n n 等( l o h m a n ne t a l ，1 9 9 0 ) 提出了一种利用脉冲相关声学流速仪估计陆架海水体内雷诺应力和 湍流动能密度的“方差方法”，s t a c e y 等( s t a c e ye ta 1 1 9 9 9 ) 及l u 和l u e c k ( l u ，y e ta l 。1 9 9 9 ) 发展了这一方法，并利用高频宽带a d c p 将该方法应 用到浅海。该方法的优点在于，其所测流速的噪音水平比窄带a d c p 低得多， 且其流速剖面的观测范围很大，几乎可以覆盖整个水体。因而，这种方法受到 普遍关注；其他测量湍流参数的仪器诸如a d v ( a c o u s t i cd o p p l e rv e l o c i t y m e t e r s ) ( z r a n s ，n c e ta l ，1 9 9 4 ) ，p i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 心i 删 s m i t he ta l ，2 0 0 2 ) 之类，可以直接测量水体中某一点的湍流脉动，是湍流参 数观测的行之有效的方法；值得一提的是，以高分辨率的c t d 观测所得的数据 计算t h o r p e 尺度，进而根据t h o r p e 尺度和o z m i d o v 尺度的线性关系估算湍流 动能耗散率的方法( p e t e rs g ，a n dd n k e l l e y ，1 9 9 6 ) ，越来越受到人们的 重视；此外，同位素示踪法以其极高的灵敏度、简便的方法、准确的定位定量 等优点，成为湍流混合研究的重要方法。 潮混合在深海和陆架浅海都十分显著( j a y n ee ta l ，2 0 0 1 ：r i p p e t he ta l ， 2 0 0 2 ) ，j a y n e 报道了大洋潮汐经过洋中脊这种粗糙地形产生的耗散混合， r i p p e t h 则发现在有内潮存在的m a l i n 陆架海混合强度数倍于无内潮浅海如厄 勒冈陆架( m o u ma n dn a s h ，2 0 0 0 ) s i m p s o n 等( s i m p s o ne ta l ，1 9 9 6 ) 在爱 尔兰海的充分混合区和季节性层化区分别进行了2 5 小时的连续观测，第一次 由实际观测资料揭示了在潮占优的欧洲陆架浅海湍动能耗散率f 的垂向结构及 其在潮内的变化。在观测区域 如分潮明显占优。观测结果表明：湍动能耗散 率g 的变化具有很强的 以分潮周期，且随着离底的距离增大相位有明显的滞 后，随深度增大占逐渐减小：r i p p e t h 等( r i p p e t he ta 1 2 0 0 1 ，s i m p s o ne t a 1 2 0 0 2 ) 在利物浦湾受淡水显著影响的区域进行了2 5 小时的连续观测，揭 示了在受淡水显著影响的浅海区湍动能耗散率的垂向结构及其在潮内的变 化。结果表明：在受淡水显著影响的( 尬分潮明显占优的) 浅海，f 的变化 黄海湍流混合特征研究 具有显著的四分之一周日( 帆) 和半日( 鸩) 的周期；在底上l o m 之内，暑 有明显的四分之一周日( 凡) 的周期，底部g 的高值时刻与涨落急对应，s 的 低值时刻与高低潮对应，且在高低潮时占存在不对称性，低潮强，高潮弱。这 种不对称性是因为在低潮时有斜压流的存在；在底上1 5 m 以上，占变化的最主 要周期是半日( 厶) 周期，且低潮时f 最小，高潮前宣最大，其值相差达两个 量级：造成这种显著差异的原因是：落潮时，底应力使近底层流减弱，于是来 自于河流的淡水被不断地带到深层咸水之上，使得垂直密度梯度增大，从而底 部生成的湍流被限制在水体的下半部；而在涨潮时，离岸的重水被带到近岸， 垂直密度梯度被削弱高耗散在高潮前可以贯穿整个水体；p e t e r s ( p e t e r s 2 0 0 1 ) 在受淡水显著影响的啥德逊河口( h u d s o nr i v e r ) 于大潮期和 小潮期分别进行了两个周日的连续观测，研究了湍流混合与大小潮及层化的关 系，研究结果表明：大潮期间( 径流量最大) 层化减弱、胄。数较小，湍流耗散较 大，小潮期间层化增强，冠数较大，湍流耗散较小。湍流耗散有明显的涨落潮 不对称现象。 风混合是研究浅海混合不可忽略的一个方面，l o z o v a t s k y 等、r o g e r 等在 这方面作了不少工作l o z o v a t s k y 等( l o z o v a t s k ye ta l ，1 9 9 9 ，l o z o v a t s k y a n df e r n a n d o 。2 0 0 2 ) 在保加利亚瓦尔纳港外黑海陆架浅海区一个东北一西南 向断面上8 个站位于强烈天气事件发生前后分别进行了观测，从而研究了在风 生混合与垂向对流作用下，经过一次大的风暴潮，再经过一次短期的加热过程 后海洋温盐结构的形成和演变过程，以及黑海陆架浅海湍流混合率的分布。研 究结果表明：即使是只有一天的轻微风暴，也可以使整个先前由风暴导致的强 混合而形成的2 0 m - - 2 5 m 厚的上混合层的水温下降2 5 。c ，盐度下降2 个单位 根据层结状态和湍流状态的不同，将黑海陆架浅海的水体在垂向上分为性质稳 定的五层：上边界层、底边界层、日跃层、主跃层以及层化的弱湍流内层如 果以大洋主温跃层内平均的湍流混合率蚝- - 1 0 册2 j “( g r e g g ，1 9 8 7 ；l e d w e l l e ta l 。1 9 9 3 ) 为标准，水体各层内湍流混合率的平均值分别为：1 在微风情况 下，上混合层内混合率约为4 0 1 ( o ；2 在受底层流影响的层结底边界层内混合率 约为3 蚝；3 在水体中的湍流活跃区域( 各项同性斑块与剪切湍流区) 混合率 约为2 碗1 5 确；4 在强层化的跃层内( 主跃层与日跃层) ，混合率大约为 4 黄海湍流混合特征研究 o 2 蚝o 3 砀上述四部分分别约占整个水体的2 0 、2 5 、1 5 和1 0 ，其余 的水体为湍流非常弱( 吼 、 、34 l 。 “ # 弋 图1 - 5a i ) c p 四个b e a m 位置示意图e = 2 0 0 在水平方向各向同性假设下，可以得出： 一 7 “皇帮 一 言 v=v 一 = w = w ；= 0 ( 3 ) 黄海湍流混合特征研究 由此可进一步推出平均沅的表达式为： 石；生鱼一识丛鱼 2 s i n 口7 2 c o s 口 万：d 4 - b 3 + 识刍塾 ；n 丹m q 9 珏警一缟慧+ 仍黠 “ 万。一坠至! 二堕型 在湍流脉动的二阶距水平各向同性假设下，可进一步推出雷诺应力的表达式 为； 罚。登+ 仍( 万一刁一 罚= 锚一移2 ( v - i 一刁+ 纯丙 湍动能密度参数s 的表达式为： s = 去( 矛+ 矛+ 矛+ 矛) 一协i 虿一经i 叼( 乏南一- ) ( e ) 其中，s 与湍动能密度9 2 2 = ( + 一1 2 + 万) 2 通过以下关系式相关联； s = 击( - + 南 一：，口= 矿伊+ 刁 而湍流动能生成率则可通过以下关系式计算： ，= ( 硐詈+ ( 硼象 1 3 2 结果分析 1 3 2 1 平均流场分布特征 如图1 - 6 和图1 - 7 为l o m i n 平均流的时间剖面图。可知流速东分置有约1 2 小时的周期。在- 0 6 m s o 3 = s 之问变化，流速北分量在- o i = s o 1 5 i s 之间变化，比东分量弱。由深度平均流的调和分析知，该观测站附近主要为西 北一东南向往复流( 图卜8 ) 。流速剪切平均值为o 0 0 6 8 s 一，由剪切的时间剖面 黄海湍流混合特征研究 图( 图1 - 9 ) 知，剪切表现为表层和底层大，中间层小。底层剪切平均值达 图l - 6l o m c n 平均流东分量时间剖面图 图1 - 7l o m i n 平均流北分量时间剖面图 0 0 0 8 8 s 1 ，中间层剪切平均值为0 0 0 4 1 s 。表层剪切大主要是由于受风的影响， 底层剪切较大则是由底摩擦造成。 黄海湍流混合特征研究 图i - 8 青岛外海连续观测站潮流椭圆 图卜9 平均剪切( 取以t o 为底的对数，s ) 时间剖面图 图卜1 0 深度平均流时间变化曲线 黄海湍流混合特征研究 图1 一l o 为深度平均流时间变化曲线，实线为深度平均流东分量，虚线为 深度平均流北分量，点实线为流速的模。可知，深度平均流东分量有较为明显 的潮信号，退潮时流速小，涨潮时流速较大，最大可达0 s m s ；而深度平均流 北分量潮信号不显著，且比东分量弱得多对深度平均流做功率谱分析( 图 卜1 1 ) ，得出其有约1 2 小时、6 小时、4 小时、3 小时、2 4 小时，2 小时、1 7 小时的周期，半日周期最为显著，同时还受多个浅水分潮如肼，m 、m l 、m l o 、 m ，：等分潮的共同作用 。2 p 。如1 。1 2 图1 - 1 1 青岛外海深度平均流功率谱分析 1 3 2 2 流速剖面的对数拟合 海洋的边界层是流剪切很大、摩擦效应增强的区域，其结构和大气边界层 有很多类似的地方，例如，普遍认为边界层是一个对数层，其流速随着离海底 距离的增加而呈对数增大。边界层位于地球旋转效应起主要作用的深度之下， 同时又位于一个很薄的底边界层之上，在这个很薄的底边界层内，分子粘性和 底粗糙度将起主要作用( b o e d e n ，1 9 7 8 ) 确定对数层的存在非常重要，因为 它提供了一种估算底应力的方法在对数层内，流速剖面可以用如下关系式 ( l u e c k 1 9 9 7 ) 表示： 坼，= 睾h r磊， ( 9 ) 蝴 内igpjpgk 黄海湍流混合特征研究 其中，( ，是平均流，z 是距离海底的高度，r 为y o nk a r m a n 常数，气为底粗 糙度，玑为摩擦速度。底应力f 即可用下式表示： f = 硝( 1 0 ) 其中，p 为海水密度 本文利用所得的平均流进行最小二乘拟合给出每l o m i n 的平均值，估算 2 1 们 图1 - 1 2 边界层流速对数分布 了摩擦速度和底粗糙度。如图1 - 1 2 所示为边界层流速对数分布及其拟合线， 除去个别剖面受风的影响较大外，其他剖面拟合结果良好。 如图1 - 1 3 所示为平均流、摩擦速度、粗糙度以及拖曳系数时间变化曲线， 可知，摩擦速度的变化与潮流的变化基本对应，最大可达0 0 4 m s 。粗糙度值 较小。平均为0 o l ? 4 m 。7 4 的值小于0 o l i n ，极大值可达0 2 5 m ，最小为 1 0 7 x l o 。m 。拖曳系数c j 的量级为1 0 4 ，流速大时q 较小，流速小时c , i 较大 对拖曳系数q 作功率谱分析( 图1 - 1 4 ) 表明，g 有约2 4 小时，2 小时，1 7 小时的周期，深度平均流也有这三个周期。 1 6 黄海湍流捏台特征研究 幅 葛 n 附加埘曲r 捌口“靖- m a l 回 图1 - 1 3 平均流、摩擦速度、粗糙度以及拖曳系数时间变化曲线 1 3 2 3 雷诺应力分布特征 运用公式( 5 ) ，本文估算了水柱内的雷诺应力分布。在公式( 5 ) 中，由 于仍和缟均在监。之内变化，因此，等式右端后两项对应力估算的影响可以忽 略不计，只用右端第一项进行计算。图卜1 5 为玑时问剖面图。经计算得，雷 诺应力平均值为1 3 9 x1 0 。m 2 s 2 ，量级在1 0 。1 1 2 s 2 1 0 4 朋2 s 2 之间变化。 比较图卜1 5 和图1 - 1 6 发现，雷诺应力的高值发生在流速的高值时刻。而在第 3 8 小时和第1 7 2 0 小时，流速较小，雷诺应力也很小。此外，雷诺应力在 底层稍强，而风的作用使雷诺应力在表层也较强 冒毫3 r 黄海湍流混合特征研究 图卜1 4 拖曳系数功率谱分析 图1 - 1 5 雷诺应力时间剖面图 图1 - 1 6 深度平均流时间变化曲线 量置-暑j，至 黄海湍流混合特征研究 为验证所估算雷诺应力的正确性，将所得底层雷诺应力与流速剖面对数拟 和所得砰进行对比，如图1 - 1 7 所示为由方差方法得到的底应力和对数拟合得 到的疋时间变化曲线，可以看出，二者的变化趋势很相似，正时间变化比较大。 最小值为3 2 x l o - j ，1 2 s 2 ，最大值为6 2 l o 。所2 ，j 2 ；而方差方法得到的底应 力时间变化不大，最小值为7 5 1 0 - m 2 s 2 ，最大值为2 4 x 1 0 。m 2 s 2 尽管 如此，从平均情况来看，方差方法得到的底应力比疋稍大一些，疋平均值为 1 2 7 x l o 历2 ，而方差方法得到的底应力平均值为1 4 l o 。历2 s 2 图卜1 7 由方差方法得到的底应力和对数拟合得到的砰时间变化曲线 1 3 2 4 湍流动能生成率及湍动能密度分布特征 湍流动能生成率可以通过雷诺应力的两个分量叫和- v 钿以及平均流 剪切的两个分量和乡乞由公式( 8 ) 计算得出图l 1 8 为湍流动能生成 率时间剖面图，由该图可知，湍流动能生成率表、底层大，中间层较小在某 些时刻( 例如第1 0 5 小时，第1 4 小时、第2 l 小时) 整层水柱湍流动能生成 率都很大，这与雷诺应力在这些时刻也很大相互对应。可见，湍涝e 动能主要生 成于表层和底层，表层主要由风提供能量t 底层主要由潮提供能量。由图卜1 9 湍动能密度参数时间剖面图可以得出相同的结论湍流动能生成率跨越4 个量 级，变化范围是1 0 9 矿，堙1 0 4 船。底层湍流动能生成率的平均值为 1 4 2 x 1 0 一堙，中间层湍流动能生成率的平均值为3 6 x 1 0 4 ，姆 黄海湍流混合特征研究 图卜1 8 湍流动能生成率( 取对数，霄k g ) 时间剖面图 湍动能密度可以通过( 6 ) 式和( 7 ) 式估算。公式( 7 ) 中口= ( + 万) 图卜1 9 湍动能密度参数( 取对数，肌2 s 2 ) 时间剖面图 表征了湍流的各向异性情况湍流为二维湍流时( 无垂直脉动) ，口- - 0 。此时 s = 窖2 2 ，湍流为各向同性时，口；o 5 ，此时s = 2 5 q 2 2 ( 0 = 2 0 0 ) s t a c e y ( 1 9 9 6 ) 指出，在无层化流中可以假设口= 0 2 ，此时。s = 1 7 q 2 2 ，这样就 可以用s 来分析湍流动能密度了由图1 - 1 8 可知，湍流动能密度参数在表、 2 0 黄海揣流混合特征研究 底层较大，在很多时刻，湍流动能密度参数在整层水柱都较大。湍流动能密度 参数平均值为0 0 0 9 1 埘2 ，在i 0 - 3 r f 2 ，口i o - 2 m 2 一之间变化( 最小值为 0 0 0 5 8 辨2 s 4 ，最大值为0 0 3 3 4 m 2 ，) 。 为确定湍动能密度的周期，对其进行经验正交函数分解( e o f 分解) ，由于 其第一模态方差贡献已经达到9 9 ，故只对其第一模态时间系数进行功率谱分 析( 图1 - 2 0 ) 。分析表明，湍动能密度有1 2 小时和4 0 m i n 的周期。 。2 p e 。” ” 图卜2 0 湍动能密度第一模态时间系数功率谱分析 1 3 2 5 垂向湍流粘性系数分布特征 图卜2 1 垂向湍流粘性系数( 取以1 0 为底的对数，拼2 s ) 时间剖面图 2 i 室ncg；t主 黄海湍流混合特征研究 有了湍流动能生成率和平均蜘就可以根据公式以= 绯黔( 胡来 估算垂向湍流粘性系数了图卜2 1 所示为垂向湍流粘性系数时间剖面图。4 ，的 估算有很大的不确定性，尤其当剪切很小的时候垂直湍流粘性系数平均值为 1 1 5 x 1 0 2 脚2 s ，最大0 4 2 m 2 s ，最小为9 2 1 0 4 m 2 s 。有四个量级的变化。 1 4 用c t d 资料分析青岛外海湍流混合特征 对温度细结构的观测是非常有用的，因为可以用温度数据来确定一些湍 流长度尺度，例如t h o r p e 尺度( k ) 和最大t h o r p e 尺度( k 。) ( t h o r p e ，1 9 7 7 ) ， 已经发现在t h o r p e 尺度和o z m i d o v 尺度之间有很强的相关( o f 1 l o n ，1 9 8 2 ) 。 因此，对t h o r p e 尺度的计算可以提供一种间接估算湍流动能耗散率的方法。 t h o r p e ( 1 9 7 7 ) 指出，首先将观测所得的瞬时密度剖面进行重新排序，获得随 着水深逐渐增大的稳定的密度剖面，然后就可以计算t h o r p e 位移d ，那么 t h o r p e 尺度就可以根据k ；r m s ( d ) 计算得出。最大t h o r p e 尺度( k 。) 即 可以用来表征垂向最大的翻转尺度。 在湖泊和某些海域，盐度对密度的贡献不是很大时，我们可以用细结构 的温度剖面( 由自由下降微尺度剖面仪如t u r b o m a p 、