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南大洋内潮与混合研究 南大洋内潮与混合研究 摘要 本文利用我国多年的南极考察资料，结合前人对参数化混合模型的研究工作 选择适当的模型，对南极大面积海域的混合情况进行了估算及其分析。资料利用 主要为中国第1 9 、2 l 、2 2 次南极考察数据，针对海区为a c c ( a n t a r c t i c c i r c u m p o l a rc u r r e n t ) 流域、威德尔海、普里滋湾、毛德皇后地陆架陆架坡等海 域。 在埃默里冰架东侧，我们利用k u n z e ( 2 0 0 6 ) 混合估算方法求得的结果和 t u r b o m a p 湍流剖面仪直接测量的结果进行对比，发现除在表层以外基本吻合。而 本文所列出的一系列模型也主要是针对深海大洋而言，所以说该混合模型在高纬 度地区同样适用。通过对埃默里冰架前缘东西两侧的两个连续站的研究，可以看 出：埃默里冰架东西两侧正压潮、斜压潮均以半日潮为主，斜压能量主要是向下 传播的，并且混合也具有明显的半日周期变化特征。 利用我国南极考察资料和k u n z e 混合估算方法得到的南大洋混合分布中，发 现在南极广阔的陆架陆架坡上存在强烈的混合。这可能是由于南极陆架陆架坡上 的强流场与剧烈变化的地形相互作用的结果。从普里滋湾的三个经向断面可以非 常清楚的看到在陆坡底部存在强混合区，最大混合率为6 1 0 。2 s 1 ，并且强混 合区厚度可以达到几百米。毛德皇后地陆架陆架坡的混合也明显强于其它的海 域。在整个南大洋存在着大面积的辐散区( 主要是指a n t a r c t i cs h e l ff r o n t ， 简称a s f ) ，就观测到的海域来说辐散区都是混合比较强烈的区域。这一点在横 跨a c c 流域断面、沿a c c 流域断面、普里滋湾经向断面等均有体现，在层结较弱的 绕极深层水c d w ( c i r c u m p o l a rd e e pw a t e r ) 中表现最为明显。另外当有大量陆 架水s w ( s h e l fw a t e r ) 注入的地方混合最强，例如在威德尔海东侧经向断面4 个辐散区站位的平均混合率达7 4 2 1 0 1m ? s 一，在普里滋湾外面同样混合明显加 强。通过对威德尔海北部断面的研究再次佐证了强流场和粗糙地形相互作用，会 产生强烈的混合。 关键词：南大洋、耗散率、混合系数、理查德数、拉伸剪切比 m i x i n gi nt h es o u t h e r no c e a n a b s t r a c t e s t i m a t i o na n da n a l y s i sa r ec o n d u c t e do nt h eo b s e r v a t i o ni nm o s t r e g i o n so ft h eo c e a ni nt h ea n t a r c t i c af o rm a n yy e a r su s i n gt h ep r o p e r p a r a m e t e r i z a t i o n , w h i c hi s c h o s e n b yc o m p a r i n g d i f f e r e n t p a r a m e t e r i z a t i o n sv a l i d a t e di np a s tw o r k s t h eo b s e r v a t i o n sc o m ef r o m t h e1 9 出，2 1 3 t , a n d2 2 da n t a r c t i cr e s e a r c h , a n dt h ee x p e r i m e n tr e g i o n s c o n s i s to fa c cr e g i o n ，w e d d e l ls e a , p r y d zb a ya n dt h ec o n t i n e n t a ls h e l f a n ds l o p eo fm a u d eq u e e n ( b e t w e e nt h ez h o n g s h a ns t a t i o na n dt h e c h a n g c h e n gs t a t i o n ) t h er e s u l td e r i v e df r o mt h em o d e lm o d i f i e db yk u n z e ( 2 0 0 6 ) c o m p a r ew e l lw i t ht h eo b s e r v a t i o nm e a s u r e dd i r e c t l yb yt u r b o m a p e x c e p t i nt h es u r f a c e l a y e ri nt h e e a s to fa m e r yi c es h e l f t h e p a r a m e t e r i z a t i o n sv a l i d a t e di nt h ed e e po c e a na r ea p p l i e dt ot h eh i g h l a t i t u d er e g i o n ss u c c e s s f u l l y t h er e s u l t so f2r e p e a t - o c c u p a t i o ns t a t i o n s l o c a t e di nt h ee a s ta n dw e s to ft h ea m e r yi c es h e l ff r o n ts h o wt h a t ：t h e s e m i d i u r n a ls i g n a ld o m i n a t eo v e rt h eb a r o t r o p i ca n db a r o c l i n i ct i d e ，t h e e n e r g yo fb a r o c l i n i ct i d ep e r m e a t ed o w n w a r da n dt h em i x i n gi st y p i c a lo f s e m i d i u m a lm o d u l a t i o n t h ee n h a n c e dt u r b u l e n td i a p y c n a lm i x i n go v e rt h eb r o a dc o n t i n e n t a l s h e l fa n ds l o p ei nt h ea n t a r c t i c ai sp r o d u c e db yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n t h es t r o n gc u r r e n ta n dt h er o u g ht o p o g r a p h y i ti sc l e a rf r o mt h e3 s e c t i o n so ft h em o u t ho fp r y d zb a yt h a tt h ee n h a n c e dm i 对n gr e g i o n a p p e a r sn e a rf l a e b o t t o mo ft h ec o n t i n e n t a ls l o p e ，w i t ham a x i m u m d i a p y c n a ld i f f u s i v i t y o f6x1 0 4m 2 s - 1a n dam a x i m u mt h i c k n e s so f h u n d r e dm e t e r s t h ee n h a n c e d m i x i n g o v e rt h eb o a o ml a y e ro f c o n t i n e n t a ls h e l fi se v i d e n tf r o mt h es e c t i o nb e t w e e nt h ez h o n g s h a na n d c h a n g c h e n gs t a t i o n t h e r e i sad i v e r g e n c e r e g i o n w i t hl a r g ea r e a ( p a r t i c u l a r l ya m a r c t i cs l o p ef r o m ) i nt h ew h o l es o u t h e r no c e a n ，a n da n e n h a n c e dm i x i n gr e g i o nw i t hal a r g et h i c k n e s s t h i sc o n c l u s i o nc a l lb e s e e nf r o mt h e ：r e g i o n sa l o n ga n da c r o s sa c c ，a n dt h es e c t i o n so fp r y d y b a y ，e s p e c i a l l yi nt h ea n t a r c t i cd e e pw a t e rw i t hw e a ks t r a t i f i c a t i o n t h e m i x i n gi sr a t h e ri n t e n s ei n t ow h i c hp l e n t yo fs l o p ew a t e ra r ei n j e c t e d ，f o r e x a m p l e ，t h ea v e r a g e dd i f f u s i v i t yo v e rt h e4s t a t i o n si nt h ed i v e r g e n c e r e g i o ni nt h ee a s to ft h ew e d d e l ls e ar e a c h e s7 4 2 1 0 4m 2 s ，a n dt h e m i x i n gi sa l s oi n t e n s eo u t s i d et h ep r y d yb a y i ti sa l s oc o n f i r m e db yt h e n o r t h e ms e c t i o no ft h ew e d d e l ls e at h a tt h ee n h a n c e dm i x i n gi sc r e a t e d b yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es t r o n gc u r r e n ta n dr o u g ht o p o g r a p h y k e y - w o r d s ： s o u t h e r no c e a r l dis sip a tio nr a t e ，dia p y c n ai d i f f u s i v i t y r i c h a r d s o nn u m b e r t h er a t i o no fs t r a i nt os h e a r 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 () 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做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：自酯晦签字日期：2 。7 年月7 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( 如中国科学技术信息研究所等) 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： 导师签字： 签字隰砷年月厂日 签字日期 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：圆易( 身髯于j 缸笮中，各， 通讯地址：泛谤匆磁融路知量 电话： 邮编；一，f ， 南大洋内潮与混合研究 1 、引言 1 1 海洋内波混合的研究意义与现状 海洋内波生成与内波混合是海洋中普遍存在的现象，对于大洋中的质量、动 量、能量输送及全球气候变化起着重要的作用( m u n ka n dw u n s c h ，1 9 9 8 ) 。内波是 由分层流与底地形相互作用或分层流受海气界面强迫作用生成在海洋内部的一 种波动现象，其振幅可达几十米甚至上百米；而内波混合( 内波混合伴随着内波 破碎的发生) 则是由内波经反射、折射或波一波非线性相互作用诱发而生的，它 是驱动大洋温盐环流主要的动力源泉。 纵观内波生成与内波混合的研究，大体上可分为两个阶段。第一阶段可追溯 到上个世纪六十年代至八十年代。当时，人们并没有意识到内波混合对大洋温盐 环流和气候变化的重要性，以致内波混合研究成果相对甚少。与此相比，内波生 成理论研究却有了较大进展。早期，r a t t r a y ( 1 9 6 0 ) 基于简单的内波两层控制方程， 分别给出了正压潮与阶梯和斜底海底地形相互作用时激发出来的内波解析解。 b a i n e s ( 1 9 7 3 ，1 9 7 4 ) 给出了在阶梯和余弦海底地形下，从正压潮向内波能量转化 率解析解，并指出：内潮引起的剪切不稳定及混合最容易出现在边界及临界点处 ( 海底坡度等于内潮的群速度的点) 。随后，b e l l ( 1 9 7 5 a , 1 9 7 5 b ) 研究了在正压潮 与亚临界状态海底地形( 海底坡度小于内潮的群速度方向) 相互作用下激发内波 的问题，给出了正压潮与亚临界状态海底地形相互作用下的内波解析解。概括而 言，这一阶段内波研究大体基于以下三个假设条件：线性一无粘条件，亚临界海 底地形及垂向尺度无界( 不考虑内波边界散射) ，浮力频率是常数。这些约束条 件导致这个时期的内波理论研究在实际应用上存在着较大的局限性。 上个世纪九十年代，物理海洋科学遇到了具有挑战性的科学问题：m u n k 和 w u n s c h ( 1 9 9 8 ) 指出：“要维持现今的大洋温盐环流的强度，至少需要大洋平均混 合率为1 0 一所2 s “”，而g r e g g ( 1 9 8 9 ) 和l e d w e l l 等人( 1 9 9 3 ) 的外海观测实验表 明：“大部分海域的主温跃层混合率仅为1 0 。j ，z 2 j ，难以封闭现今的大洋温盐 环流”。这意味着在大洋内部必须存在由某种特殊机制诱发出来的强烈混合区， 以支撑现今的大洋温盐环流正常运行。自m u n k 和w u n s c h ( 1 9 9 8 ) 揭示内波激发 出来的强烈混合对大洋温盐环流具有极其重要作用和l e d w e l l 等人( 2 0 0 0 ) 在大 南大洋内潮与混合研究 西洋海脊观测到的强烈的内波混合区以来，内波生成与内波混合研究引起了广大 海洋科学家的极大兴趣和高度重视，从而掀起了内波生成与内波混合研究的新高 潮。 在理论研究方面；首先，s m i t h 和场蝴颤2 0 0 2 ) 将早期内波生成的代表性工作 魔刀的理论推广到二维弱海底地形( 海底坡度远小于内潮的群速度的 斜率) 和非均匀浮力频率情况下的内波生成问题，并给出了正压潮向内波( 内潮) 能量转化率的解析表达式。随后，b a l m f o r t h ( 2 0 0 2 ) 等人又进一步发展了s m i t h 和 y o u n g 的工作，建立了任意亚临界状态海底地形和随机海底地形下的内波生成理 论模型，并对临界状态内波混合做了初步解释，进一步拓宽了内波生成与内波混 合理论研究的应用范围。与此同对，内波混合理论研究工作也取得了较大的进展， p o l z i n ( 1 9 9 5 ) 等人在总结内波混合各种参数化方法理论( 参数亚谐波失稳和诱发 扩散机制、剪切不稳定机制、高波数截断方法等) 基础上，发展了内波混合理论 研究，提出了新的内波混合参数化模型，该模型目前广泛应用于海洋混合研究中。 在数值研究方面：h o l l o w a y 和m e r r i f i e l d ( 1 9 9 9 ) 通过数值模拟发现：由长宽比 为3 ：1 的理想海脊地形生成的半日潮频率内波的能通量比具有相同坡陡对称海 底地形生成的斜压能通量大一个量级以上。l e g g 和a d c r o f l ( 2 0 0 3 ) 年利用非静压 平衡的m i t 环流模式( m i tg e n e r a lc i r c u l a t i o nm o d e l ) ，研究了内波在临界状态下 的凸、凹海底地形的反射和剪切不稳定以及由此导致的内波混合问题，并指出在 内凹的斜坡上混合率并非明显减小。针对内波生成润题，l e g g 和4 d c r o f i ( 2 0 0 3 ) 、 k h a t i w a l a ( 2 0 0 3 ) 和l i ( 2 0 0 2 ) 的内波模拟结果都证实：目前内波生成理论与观测和 数模结果存在较大差异，有时甚至可达到7 0 ( l i 的内波生成能量转化率的数模 结果= 1 7 x 内波生成线性无粘解析结果) ：这充分证实了“非线性相互作用和粘 性耗散作用在内波生成过程中的重要性”( b a l m f o r t h 等人2 0 0 2 年) ，同时也指出 了内波生成理论的研究方向。 在实验方面：美国开展了夏威夷岛附近海域内波观测实验和大西洋洋中脊内 波主动示踪技术等一系列外海实验。e g b e r t 和r a y ( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 给出了夏威夷岛 附近从正压潮向内波的能量转化率，p o l z i n 等人( 1 9 9 7 ) 和l e d m e l l 等人( 2 0 0 0 ) 估 算了大西洋海脊断裂带的内波混合率和湍流耗散率的平均值，并发现最大混合率 发生在海脊陆坡附近。此外，值得注意的是l u e c k 和m u d y e ( 1 9 9 7 ) 在西北太平洋 2 南大洋内潮与混合研究 c o b b 海山附近的内波微结构观测实验以及l i e n 和g r e g g ( 2 0 0 1 ) 在加利福尼亚外 海的m o n t e r e yc a n y o n 内波观测实验中同时发现一个重要现象：内波混合率最大 值发生在沿着从海山顶端出发的内波波射线上。这一物理现象恰与内波非线性双 曲方程组解沿特征线问断的数学特性相吻合，这表明非线性双曲方程弱解理论是 研究内波混合的有力工具。g r e g g ( 2 0 0 3 ) 根据在太平洋和大西洋4 2 。和2 。s 之间 的温度和流速剪切的观测资料，计算了不同纬度的耗散率和混合率的分布，发现 在赤道附近两者大小只有中纬度的1 0 ，这表明耗散率和混合率随着纬度的不同 丽显著的变化。最近，g a r a b a t o 等人根据南大洋s c o t i a 海的流速和温盐实测数 据，估算了s c o t i a 海混和率分布，结果表明在2 0 0 0 到3 0 0 0 米深度范围的混合率 比大洋平均值普遍大l o 到1 0 0 0 倍，这说明南大洋的深层混合对于驱动封闭子午 温盐环流起着至关重要的作用。内潮和风生的近惯性内波在全球大洋陆架区域是 非常普遍的( h o l l o w a ye ta 1 2 0 0 1 ) ，陆架上生成的内波在全球海洋能量收支平 衡中起着非常重要的作用，并为当地的混合提供能量( m a e k i n n o na n dg r e g g , 2 0 0 3 ) 。 人们已经在世界大洋的某些陆架海区开展了关于内潮和风生近惯性内波的 研究。p i n g r e e 和n e w ( 1 9 8 8 ) 利用数模的方法研究了比斯开湾内潮在不同季节随着 时间的变化；s i m p s o n 等( 1 9 9 6 ；2 0 0 0 ) 在爱尔兰海域发现了强烈的内潮及混合现象， 并用数模的方法得到验证；i n a l l 等( 2 0 0 0 ) 从非线性内波理论出发，建立了一个 温跃层的高耗散率与强剪切之间的定量关系；n a s h 和m o u r n ( 2 0 0 1 ) 在o r e g o n 海 的陆架海区发现强烈的湍耗散现象；m a e k i n n o n 和g r e g g ( 2 0 0 3 ) 根据1 9 9 6 年在新 英格兰陆架海区的温盐流观测研究了陆架海区内潮的性质；n a s h ( 2 0 0 4 ) 根据1 9 9 8 年5 月到6 月在维吉尼亚海的地形变化剧烈的陆坡海区的观测，研究了当地的内 潮的传播，反射和强烈的内波混合现象，结果发现存在一种半日周期的低模态的 能量的辐聚与高模态的能量辐散相平衡。近年来人们也发现近惯性内波在海洋中 的含能较大，对于大洋内部的混合以及维持大洋环流同样非常的重要，h a r e n 等 ( 2 0 0 2 ) 根据在比斯开湾的锚系资料研究了当地的近惯性运动，以及它与内潮之间 的相互作用：g a r r e t t ( 2 0 0 1 ) 研究了海洋中的近惯性运动的传播，并指出近惯性运 动导致了海洋中的大部分的流速剪切，进而对混合有着重要的贡献。 南大洋内潮与混合研究 1 2 南大洋混合的研究意义与现状 南大洋是指太平洋、大西洋、印度洋的南部互相连通的海域，因其在海洋学 上具有独特的性质于是被称为南大洋。南大洋常年盛行西风，这一海域的环流受 风场的影响主要是自西向东环绕南极的绕极流。通过这个地球上唯一东西贯穿的 大洋，南极绕极流在长达2 1 0 0 0 k m 的绕极海域将海水从西向东输运，流量达 1 3 0 s v ，形成了各大洋间最强的水交换。南极绕极流如一条纽带连接起全球的热 盐环流，对中层水和深层水的运输具有重要意义。 近年来南大洋在全球气候系统中的重要作用也逐渐得到认识。热量和盐量的 异常随着南极绕极流在各大洋间传输，从而在海洋中建立起一条气候性异常的遥 通讯途径，而南极绕极波的发现贝| j 进一步确认了南极绕极流在全球气候系统中的 作用。最近的研究显示，南极绕极波与热带太平洋的e n s o 及其印度洋季风之间 存在强相关。不仅仅南大洋的经向环流对全球的大洋质量、能量、动量输运具有 重要的作用，而且纬向环流也对维持南极和亚南极区动力和热力平衡起着重要的 作用，在全球气候中也有着深刻的影响。全球中、底层水体的交换都要经过南大 洋，并且南大洋也是水团相互作用的主要区域之一。 全球热盐环流是在高纬度地区( 北大西洋和南极沿岸海域) 高密度水团下沉， 在其他海域向上翻转。这一翻转过程需要的能量现在还没有确切的定论，但是内 波破碎导致的翻转是必不可少的。根据g r e g g ( 1 9 8 9 ) 和l e d w e l l 等人( 1 9 9 3 ) 的 外海观测实验表明实际大洋的平均混合率比要维持世界大洋温盐环流所必须的 混合率强度小一个量级。从而引起一些科学家对地形变化剧烈海域的高混合区的 寻找。在低纬度地区的确发现了一些强混合区域，但是在高纬度地区由于数据有 限，还不能够很好的了解这一地区的混合情况，西风带就属于这些少数地区。对 于混合，话风带除此之外还有一些自己的特殊的地方。冷水的上翻的另一个可能 能量源泉是南大洋强大的风场，但是风场能量的下传肯定会伴随着混合的发生。 高纬度地区尤其是南大洋广阔海域的混合满足混合的普遍规律，但是由于其周围 环境的不同肯定也存在一定的特殊性。南极下沉水与周围水体的作用、南极下沉 水受西风带的强风场作用等都是相对其它海域特殊的地方。总之，由于南大洋的 数据稀少及其周围环境的特殊性，导致对南大洋混合的研究具有非常重要的意 义。 4 南大洋内潮与混合研究 数据稀少严重影响了南大洋混合的研究，但是也有一定的研究成果。r d m u e c h 等利用澳大利亚1 9 9 7 年南极考察数据对威德尔海西北部上层海洋混合做 了仔细研究，并指出了这一海域强大的潮汐对上层海洋混合的作用。k j h e y w o o d 等利用w o c e 实验在斯科舍海及其周围海域的观测，发现斯科舍海的混合强度是 世界大洋混合背景场的近4 0 0 倍，并且基本闭合斯科舍海热盐环流。p o l z i n 也 利用一参数化混合模型对印度洋1 8 。s 以南的一条断面进行了研究分析，并指出 南大洋混合明显强于低纬度地区。k u n z e 等利用w o c e 实验数据对全球混合给予 估计，其中同样证明了南大洋强混合的存在。本文利用我国在南极多年的考察数 据结合现今常用的参数化混合模型对南大洋a c e 流域、威德尔海、普里滋湾、毛 德皇后地( 中山站至长城站之间) 陆架陆架坡等地区研究分析，并且给出了调查 海域的混合分布情况。 1 3 本文的技术路线及其创新点 图i i 本文研究技术路线示意图 上图表示的是本论文的研究技术路线图，为了保证整个过程的可行性及其工 作的效率，实际的操作过程中选取了几个c t d 和l a d c p 数据质量较好的剖面，进 5 南大洋内潮与混合研究 行实验性研究分析，而后应用于全部的调查数据。其操作具体可分为以下五个步 骤：l 、对原始数据滤波，从而去除噪声信号；2 、分析选择合适的参数化模型； 3 、把数据代入选定的模型中计算耗散率、混合率；4 、给出调查海域的水文特征， 并对基本动力场进彳亍分析：5 、结合地形、混合率和耗散率、水文特征，研究调 查海域的混合分布及其机制。为了验证模型的有效性，我们把参数化模型计算结 果分别和微结构剖面仪的直接观测及前人在相对应海域的结果进行对比分析。 由于南大洋调查数据较少，混合研究相对其它海域比较缺乏，而本论文正是 针对此问题，利用我国多年的南极考察数据给出了一个南大西洋一印度洋扇区、 w e d d e l l 海、p r y d z 湾等海域的混合分布图。本研究不仅覆盖海域面积大，而且 包含不同特点的底地形和不同种类的水团。因此，这样的混合分布图对正确理解 大洋深海环流有着非常重要的意义。 本研究也是首次在高纬度地区把直接观测结果和模型结果进行对比，对高纬 度地区混合模型的可靠性给予检验，有助于对混合机制的深入理解，最终对模型 进行适当的改进以使其能繁衍实际的混合情况。同时，本文首次用直接观测数据 给出a m e r y 冰架前缘的潮流结构及其温盐、等密度面起伏的日变化情况，并且从 中提取了内潮，给出潮致混合的基本特征。 6 南大洋内潮与混合研究 2 、实验仪器及其混合模型介绍 2 1 海洋调查仪器介绍 在我国南极考察中使用的仪器主要有m a r k i i ic t d 、x b t 、x c t d 、s e a b i r d - 2 5 c t d 、l a d c p 、a d c p 、t u r b o m a p - h 等。这里我们重点介绍本文中应用的一些仪器， 其它的仪器及其数据就不再赘述。 2 1 1 水文测量仪器 在我国南极考察中最常用的水文测量仪器为m a r k - u lc t d 、x b t 、x c t d ，只是 在第1 9 次南极考察时一些站位使用了s e a b i r d 一2 5c t d 。x b t 为抛弃式深温测量 仪器，在本文计算耗散率混合率时不能缺少盐度参量，所以x b t 测量的数据在本 文中应用很少。相比x b t 而言，m a r k 一c t d 、x c t d 的数据则是在本文中应用最 多的水文测量仪器。m a r k i i i - c t d ，是一套温盐深测量仪系统，简称c r d ( c o n d u c t i v i t yt e m p e r a t u r ed e p t h ) 。它是测量海水电导率、温度、压力和溶 解氧的大型自动记录系统。由三大部分组成：a 、水下探测系统，即c t d 探头；b 、 数据处理终端及采水控制系统；c 、6 0 0 0 米铠装电缆绞车。m a r k 一c t d 能够测 量0 - 6 0 0 0 米不同深度的温度、盐度( 电导率) 、压力及其一些其它的环境参量， 同时可采集1 1 瓶2 升不同水层的海水样品，为海洋生物、化学、提供分析研究 资料，并且为研究南大洋陆架水团、结构和形成机制提供可靠的数据，具体的参 数参考表2 1 。x c t d 与x b t 的相仿也是一种抛弃式的水文测量设备，但是增加了 电导率探头。历次南极考察使用的x b t 和x c t d 探头均由美国s i p p i c a n 公司生产。 m k 2 1 数据采集板、软件和发射枪等也由美国s i p p i c a n 公司提供。x c t d 是一种抛 弃式温盐深测量仪，关于x c t d 的技术指标参考表2 1 。 表2 1 、m a r k i i i - c t i 、x c t d 技术指标 姒m ( 珊mx m 传巷器测量范围精确度分辨辜 稳定性测量范围精确度 分辨率 响应时同 如0 0 2 。0 0 0 0 5 。 0 0 0 1 0 c 温度 一5 _ 十3 5 。c 一2 - 3 5 a c - 0 0 2 a c 0 0 1 气 4 0 喝e c cc 珊o n t h ) i - o 0 0 0 2 0 0 0 0 1o 0 3 电导率 0 7 0 o 一7 00 0 30 0 1 7t o o m s e c m m h o c mm h o c m0 l o n t h ) m m h o c m m s c mm s c mm s e m o 6 筒d ao 1 5 0 o l 薯 2 压力 1 0 0 0 m 1 7 c m 南大洋内潮与混合研究 2 1 2 流速测量仪器 我国早期南极考察是没有海流测量仪器的，在近几年先后引进了a d c p 、l a d c p 等测量仪器对我国的南极考察做出了不可磨灭的贡献。对于本文而言主要应用的 是l a d c p 的资料，所以这里主要针对l a d c p 作简单介绍。我国南极考察使用的都 是3 0 0 k l a d c p ( l o w e d a c o u s t i c d o p p l e r c u r r e n t p r o f i l e ) ，它是由美国r d i 海洋仪 器公司出品的自容下放式声学多普勒海流仪，它是目前深海流速观测最常用的仪 器之一。一般采取与c t d 捆绑的下放方式测量，以获锝海洋中温盐流的同步资料。 由l a d c p 资料首先可以得到海水的水平流速剪切剖面，然后通过底跟踪或者g p s 数据得到绝对流速。我国南极考察所使用的3 0 0 kl d ) c p 最大观测水深可以达到 6 0 0 0 米，测流的精度可以达到i c m s - 1 ，具体的一些参数在r d i 的主页上均有 介绍。 2 1 3t u r b o m a p - ii 微尺度剖面仪 我国第2 1 次南极考察还进行了湍流微尺度的直接观测，使用的观测仪器是 日本a l e c 公司生产的t u r b o m a p i i 微尺度剖面仪，其也是是国内引进的第一台 微尺度剖面观测仪器。本仪器在下放过程中处于准自由落体状态，观测的物理量 主要有耗散率、混合率、电导率、温度、深度、叶绿素、浊度等。t u r b o m a p i i 的观测水深范围是0 5 0 0i l l 。温度和电导率的测量精度分别为o 0 1 。c 和2 x l o 4 m sg i t l 1 。湍脉动流速用一个标准的压电陶瓷剪切探头测量，探头的观测范围是 0 0 0 1m s 2 o 5m s o ，观测的精确度为5 。操作规则，数据校正和信号处理以 及测量范围见o s b o r na n d c r a w f o r d ( 1 9 8 0 ) ，l u e c ke t a l ( 1 9 9 7 ) 和g r e g g ( 1 9 9 9 ) 等叉_ 扦。剪切探头首先测得水平流速的变化率孚，水平流速的垂向剪切数据则 根据t a y l o r 冻结定理求得 塑：上丝，( 2 1 ) 一一 、i ， 出西 其中w 是仪器的下降速度。根据流速剪切计算其耗散谱5 c ，( t ) 并且与对应尺度的 n a s m y t h 广义谱进行比较。湍动能耗散率则根据下式求得： 嘲却2 - 7 5 y 鼽k ) d k ， ( 2 2 ) 其中v 为运动粘性系数，它的大小与当地水团的温度、盐度和密度有关，u 是水 8 南大洋内潮与混合研究 平脉动流速，z 是垂向坐标。脉动流速剪切平方的平均值则是由前面所述的耗散 谱y ( 七) 积分求得，积分的下限是lc p m ，积分的上限是没有被高频信号污染的最 大波数。从实际的资料分析中可以看出由观测资料得到的耗散谱缈( 七) 与n a s m y t h 广义谱符合较好，对t u r b o m a p - 详细评价见w o l ke ta 1 ( 2 0 0 2 ) 和l u e c ke ta 1 ( 2 0 0 2 ) 等文献。 混合率可根据o s b o r ng 9 8 0 ) 所述关系求得，选取的混合系数为，= 0 2 ，这 与高r e y n o l d s 数湍流一致， 柠y 寺， ( 2 。) 其中n 是浮力频率。依此方法我们就可以得到每个深度范围内平均的混合率。 2 2 混合模型简介 2 2 1 混合模型的产生背景 高密度水团在高纬度地区( 北大西洋、南极地区) 形成，注入世界大洋海底， 最终在世界各大洋上翻，这样便构成了世界大洋热盐环流( 子午向环流) 的基本 框架( m u n ka n dw u n s c h1 9 9 8 ；g a n a c h a u da n dw u n s c h2 0 0 0 ：w u n s c ha n df e r r a r i 2 0 0 4 ) 。m u n k ( 1 9 9 6 ) 用一个一维垂直对流扩散模型w v p = 0 7 2 p 指出要维持现 在大洋温盐环流的强度需要混合系数达l 旷m 2 s ，但是在大量大洋外海试验结 果中显示世界大洋内部混合系数只有1 0 m s ( g r e g g1 9 7 7 ；l e d w e l le ta 1 1 9 9 3 、2 0 0 0 ；t o o le ta 1 1 9 9 4 ) 。为了维持封闭的大洋热盐环流，人们掀起了对 强混合区的寻找热潮。日前研究认为这些强混合区主要集中在些地形变化比较 剧烈的地区( k u n z ea n ds a n f o r d1 9 9 6 ：n ka n dw u n s c h1 9 9 8 ) 和高纬度地区 ( t o g g w e i l e ra n ds a n u e l s1 9 9 3 ：g n a n a d e s i k a n1 9 9 9 ：n a v e i r ag a r a b a t oe t a 1 2 0 0 3 ) 。但是由于在实际的大洋观测中高分辫率的温盐流资料比较稀少，为了 弥补这一不足，便就提出了一系列的参数化模型，用分辨率相对较低的温盐流资 料来估计大洋的耗散率、混合率。本文中主要介绍适合大洋内区的根据波波相互 作用推出的一系列半经验混合模型。 2 2 2 混合模型的发展 首先，m c c o n t a sa n dm u l l e r ( 1 9 8 1 b ，简称删) 利用共振波波相互作用理论 9 南大洋内潮与混合研究 ( r e s o n a n ti n t e r a c t i o nt h e o r y ) 得到的结果导出了内波场中的动力平衡。在 这个模型中，认为发生在低频( 2 f w 4 f ) 高波数的次谐波不稳定机$ ! j ( p a r a m e t r i c s u b h a r m o n i ci n s t a b ili t y ，简称p s i ) 和发生在高频( 4 f w n ) 的诱使扩散机制 ( i n d u c e dd i f f u s i o n ，简写i d ) 主要构成了在垂向波数空间内的一个统计稳定 谱( s t a t i s t i c a l l ys t a t i o n a r ys p e c t r u m ) 。由此而得到的结果与理想的g m 7 6 谱非常匹配，这说明通过波数空间的p s i 和i d 能通量之和不依赖于g m 内波场中 的垂向波数。这个传到高垂向波数的能通量等价于湍能量的耗散，由此可以估算 出耗散率。具体的参数化公式为占= ( 2 1 1 0 8 m 2 ) r e 2 n 2 ，其中f 是惯性频率，e 是内波场中的总能量，n 是浮力频率。 关于共振波波相互作用理论的一个主要缺陷是在高频和高波数时弱相互作 用这个假设的合理性( m u l l e re ta 1 1 9 8 6 ) 。针对这个问题，h e n y e re ta 1 ( 1 9 8 6 ， 简称h 盯) 通过射线跟踪技术( e i k o n a la p p r o a c h ) 描述了波波相互作用机制并 通过对射线方程的m o n t ec a r l o 模拟计算了能通量。在这个模型中，波波相互作 用是波携带能量传向高频和高波数范围，最终通过临界层内的某些过程传向微尺 度。这是完全不同于非线性共振波波相互作用理论中诱使扩散机制的一个动力过 程。为了量化内波场中的耗散率，h w f 假设在一个标准的垂向截至波数 ( 屈= ( 2 x l o ) m 。) 之后g m 剪切谱便是白谱了。这个谱在波数孱到成之间正比于 波数的倒数p 一，其中屈是在波破碎之前一个最大的垂向波数。具体的参数化公 式如下：s 一：( ! 旦) 6 一z o t 厂c 。s h 一- ( 冬) 工z e z ，其中b 是温跃层的厚度尺度，为j j 1 3 0 0 m ，0 为参考浮力频率，为5 2x1 0 r a d s 。 若是不把速度场经典地分为“湍流”和“平均”两部分，考虑稳定状态的动 能方程，g a r g e t ta n dh o l l o w a y ( 1 9 8 4 ，简称g h 8 4 ) 导出耗散率的估计公式： e g h “：一删，罢= c ( 忑i ( 罢) 2 ) 1 ”，其中c 是一个无量纲的三倍相关系数( t r i p l e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ) ，2 和w 2 分别是内波场中的水平和垂向速度的平方 的平均，( 加o z ) 2 是内波场的剪切的方差。 1 0 南大洋内潮与混合研究 之后海洋科学家便在前人的理论研究基础上结合实际观测结果提出了一些 半经验的参数化公式。g r e g g 于1 9 8 9 年首先提出了一个以剪切为基础的模型， 其形式如下： x = 筹组4 ， 其中 是实际测得的1 0n l 剪切的方差， 匕2 是酬普适谱的剪切的 方差，瓦取5 x 1 酽珂2 s 一。这一模型一经提出便得到了广泛的应用，使得我们对 世界大洋混合的基本情况有了一个新的认识。 虽然g r e 9 9 8 9 模型得到了广泛的应用，但是早期流速资料有限，并且由于其 流速资料精度的限制也不能反应实际海洋内波场的实际情况。w i j e s e k e r a 等 ( 1 9 9 3 ) 年提出一个以拉伸为基础的模型，这样就可以利用当时已经成熟的水文测 量仪器的观测资料，其模型如下式所示： k = 筹汜s ， 其中 、 。分别是实测的、伽普适谱的拉伸的方差a 它的提出完全 是针对当时剪切模型可用的资料有限而提出的。 g a r r e t t ( 1 9 9 0 ) 指出( 2 4 ) 式会低估高波数内波剪切谱的谱值，因为计算 过程中波长最小值限制在1 0m 。h e n y e y ( 1 9 9 1 ) 指出内波场能量从低波数向高波 数传递受内波波数比( 毛t ) 的影响，也可以用拉伸剪切量的比值吃来代替， 实际的计算中可以用公式吃= ( 2 ) 来计算。接下来的参数化的混 合计算公式就同时包含剪切量和拉伸量，p o l z i n 等( 1 9 9 5 ) 年给出如下参数化公 式： 足= 墨菇觚) ， ( 2 6 ) 其中 石( ) = 咒+ 1 。r 。 t - r 。+ ( 1 一r o ) 2 + 8 心厂2 n 2 】 ( 如) + 1 。 ( 吃) 1 一( 心) “+ 【l 一( 屹) 鳓】2 十8 ( 屹) 厂2 n 2 】 墨取7 1 0 6m 2 s 一。 南大洋内潮与混合研究 s u n 和k u n z e ( 1 9 9 9 ) 之后又给出了一个相似的模型公式，同样也能基本反 应实际海洋的混合情况，具体公式如下： 足= 局筹毗， 隰， 地c 驴孵。l 。a r c c o s h ( 争赤讣k 2 i 玟1 2 x 1 0 - 7 m 2 s - , ，i 取1 0 。 2 0 0 3 年g r e g g 等总结h e n y e y ( 1 9 9 1 ) 和p o l z i n 等( 1 9 9 5 ) 年的工作，把关于 剪切拉伸比民和纬度层结t l f n 项分解成两个函数，参数化公式变成如下形 式： 肛k o 2 噍( 心w ) ， ( 2 8 ) 挑( 驴等后州悱丽f a r c c o s h ( n f ) ，厶嘲3 0 口) 。 本文的研究把k u n z e ( 2 0 0 6 ) 提出的g r e g g ( 2 0 0 3 ) 模型计算方法应用在实