（物理海洋学专业论文）黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化.pdf

黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 摘要 本文利用夏冬两季黄东海水文与微结构观测资料，分析了该海域湍流混合与 双扩散现象的空间分布特征与季节变化。研究结果表明，黄东海陆架湍流混合除 了与风应力，底摩擦等外界强迫条件有关，与局地环流与水团也有密切的联系， 同时不同环流或水团之间的相互影响也可以为双扩散现象的发生提供有利的条 件。 对于湍流混合研究，将观测海域自北向南大致划分为三个区域，黄海区断面 观测表明，夏季黄海冷水团内部由于存在弱垂向环流导致了局部加强的混合，而 冬季黄海暖流内部则是一支层结较为稳定的流动，内部混合非常弱，仅暖流与周 围水团交界处会存在由于剪切不稳定导致的混合增强，黄海暖流的存在甚至抑制 了冬季上混合层的加深。另外比较冬夏两季海洋上层混合发现，强烈的混合耗散 大致仅集中在表层1 5 米，且耗散强度在两季相差不大，这是由于风应力以及表 面波破碎导致的结果，冬季增加输入的风能会进一步下传引起混合层的加深。长 江冲淡水区的混合主要集中在表层与底层，以前研究发现的湍耗散率与混合率分 布与等盐线一致的结论在我们的观测中并不是很清晰。陆架区底部强烈的混合来 源于局部小尺度地形突变引起内波破碎的加强，冬季混合率断面总体平均大约是 夏季的1 0 0 倍。夏季台湾暖流区的混合与黄海暖流相反，暖流内部的混合高于周 围水团，冬季台湾暖流与入侵大陆架的黑潮水存在互侵现象，在水团垂向交界处 可以发现加强的水平流速剪切与混合率，然而引起混合增强的机制仍不是很清 晰。东海路架坡折处是内潮的高发区，该区域混合的增强主要由内潮传播过程中 的破碎不稳定引起的，混合率高值沿m 2 内潮波射线分布，冬季混合率比夏季高 一个量级，并且湍流混合可以达到1 0 0 米水深以上。 黄东海双扩散现象的发生集中在冬季，夏季的观测并没有发现该现象。黄东 海海域的盐指现象主要发生在陆架坡折处，高温高盐的黑潮水在冬季强烈入侵到 东海陆架水表层是形成盐指现象的重要原因。扩散对流现象主要发生在黄海暖流 流域，高温高盐的黄海暖流在水层底部向两端拓展，为扩散对流发生提供了有利 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 条件；另一重要的扩散对流区域是长江冲淡水锋及闽浙沿岸流区，两者均来自冬 季低温低盐的长江水，形成扩散对流的机制相同，受冬季大气，辐射等条件的影 响，使表层长江水在冬季形成扩散对流有利区。盐指与双扩散单站温度微结构研 究表明，盐指现象可以使热扩散率增大超过湍混合率，而扩散对流却不具备此性 质，这是由于盐指与扩散对流不同的温盐结构所致。 风致内波可以用混合层方程与内区内波方程进行计算，计算结果显示风主要 以近惯性频率向海洋输入能量，波动的水质点速度也以近惯性频率为主导。估计 风通过内波输入到海洋的动能一个周期内在夏季与冬季约为9 6 3 1 0 3 j k g 与 9 9 9 l o d j k g ，由于湍流导致的耗散分别为3 7 2 1 0 。j 瓜g 和3 9 6 1 0 。1 j l 唱，冬季 约为夏季的1 0 0 倍，冬夏耗散与输入的比值则比较接近，约为3 8 4 0 。 关键词：混合，湍流，双扩散，黄东海 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 t h e 仙r b u l e n tm i x i n ga n dd o u b l ed i 觚s i o ni ny _ e l l o ws e a a n d e a s tc h i n as e a a n dt h e i rs e a s o n a lv a r i a t i o n a b s t r a c t h y d r o l o g i c a la n d1 1 1 i c r o s 仃u c n 鹏d a t ah ly e l l o ws e a ( y s ) a n de a s tc h 胁s e a ( e c s ) a r eu s e dt 0a i l a l y z es p a t i a ld i s t r i b u t i o na 1 1 ds e 弱o m lv 耐a t i o no fl o c a lt u i - b u l e n t m i x i n ga n dd o u b l ed i 肌s i o np h e n o m e n o n r h er e s u l ti n d i c a t e st m u l e n tr n i ) 【i n go n t h ec o n t i n e n t a ls h e l fo fy sa n de c sh a sas n ? o i 坞r e l a t i o i l s h j p 谢t hl o c a lc i r c u l a t i o n a 1 1 dw a t e rm a s s t h ei r l t e r a c t i o nb e 帆e e nd i f f e r e n tw a t e rm 雒s e sm a yb ef a v o r a b l et o t l l eo c c u i t e n c eo f d o u b 】ed i 币l s i o n f o rt h er e s e a r c ho nt u 】r b u l e n tr n i x i n g ，t l l eo b s e r v e da r e ac a l lb ed i v i d e di n t ot 1 1 l e e p a n sf b mi l o n ht 0s o u t h t i l eo b s e n ，a t i o ni i ly sa r e as h o w st l l e r ei saw e a kv e r t i c a l c n u l a t i o n 洫t h ey e l l o ws e ac o l dw a t e rm a s s ( y s c w m ) ，w 1 1 i c hc a u s e st h ee i l l l 锄c e m i x i n g ，w h e r e a sy e l l o ws e aw a 加c 1 埘蜘t ( y s w c ) i sas t a b l es t r a t i f i e dc u 玎e n ti n w h i c ht h em i x i i 培i sq u i t ew e a k o i l l yi 1 1t l l eb o u n d a r yo fm ew 锄c 1 e n te x i s t st h e e i l l l 锄c e dm i x i n gd u et 0t h es h e a ri i l s 讪i l 吼t 1 1 ed e p t l lo fu p p e rm i x e dl a y e rc 觚b e r e s 砌n e db yt l l ec u i l r e n ti i lw i n t e r c o m p 撕i 培u p p e rl a y e rm i x i n g 证驯i i i u i l e ra n d 研n t e r w em a ys e ev e 巧s 仃o n gt i b u l e n td i s s i p a t i o no c c u r si nt h eu p p e r l5m e t e r s a 1 1 dt h es 骶n g t l lb 铂e e nt l l e s e 铆os e a s o i l si sv e r yc l o s e t h j sm a yb eb e c a u s eo f 晰n d - i n d u c e dt u r b u l e n td i s s i p a t i o na 1 1 ds u r 】沁ew a v eb r e a ：b n g n l em o r ei 印u t 、i n d e n e r g yi n 、i n t e rg o e sd o w nt 0d e e p e nt l l em i x e dl a y e r t h em i x i n gi l lm ea r e ao f c i 啪由i 锄gd i l u t e dw r a t e r ( c d w ) i sm a i l l l yo nt h es u r f a c e 甜l db o t t o m m a t s u n o s u g g e s t e dt h ed i s s i p a t i o nr a ：t ea n dd i f 如s i v i t ya r ec o n e s p o n d i n gt 0t l l ec o n t o u ro f s a j i r l i t y ，b u ti ti sn o ts oc l e a ri i lo u ro b s e r v a t i o n i l l e r et h es t r o n gi m x i n gi nm es h e l f b o t t o mi sr e s u l t e d 丘0 mi r l t e m a l 、w i v eb r e a kd u et os m a l l s c a l e db o t t o mr o u g h n e s s n l e s e c t i o n a v e r a g e dd i m l s i v i t ) ，i l lw i l l t e ri s10 0t i m e sa st h a t 访s l l m m e r 1 1 1 e 惭w 锄 w 撕nc u r r e n t ( t w c ) a r e ah a s 锄o p p o s i t ec h a u r a c t e 订s t i ct oy e l l o ws e aw a 珊c u r r e n t i l ls u m m e r t i l em i x i n gi i l l ew a n i lc u r 他n ti s1 1 i 曲e rt l l 锄翻m o 眦l d i n gw a t e r t h e t w ca n dm o s k oi i l 仃u d ee a c ho t h e ri 1 1 砸n t e r t h ee i l l l a n c e dv e l o c 耐s h e a ra n d 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 d i 饷s i v 埘a r e 抽t l l ev e r t i c a lc o m m o nb o u n d a 巧b 舐e e nw a t e rm a s s e s ；h o w e v 盯，t 1 1 e d y n 锄j c a lm e c h a n i s mi ss t i l l 锄b i g u o u s t h es h e l f b r e a l ( i 1 1e c si s 锄a r e a 1 a tt e n d s t 0i i l d u c ei 1 1 t e m a lt i d e ，s o l ee i l l l a l l c e dm i x i n gh e r ei sm o s t l yo r i g i n a t e d 伍) mt l l e i n t e n l mw a v eb r e a l 【d 而n g 恤p r o p a g a t i o n 1 1 1 em 曲d i 胁s i v 时i sc o 盯e s p o n d i n gt o t h er a yo fm 【2i n t e m a lt i d e n l em a 鲥砌ei 1 1w i n t e ri sa b o u to r l eo r d e rm g h e rt l l a nm s 吼1 i l l e ra 1 1 dt h em i x i n gc a l lr e a c hu pt o1 0 0 m 协丽m e r t h ed o u b l ed i 觚i o np h e n o m e n o ni ny sa i l de c so c e u r si i l 、访m e rb u tn o ti j l s u m m e r 1 1 1 es a l tf m g e r 、v a so b s e r v e di i l 恤s h e l fb r e a k k u r o s h j ow a t e r 谢mk 曲 t e m p e r a t l l r e 肌ds a l i l l i t ) ，c a n i n t r u d eo n 幻t l l es u r f a c eo fe c ss h e l ew t l i c hi s r e s p o n s i b l et ot h e f o r n l a t i o no fs a l tf i n g e r n ed i 肌s i v ec o n v e c t i o ne x i s t si nt h e y s w c t l l ew a n l l e ra i l ds a l t i e ry s w cm a ye x t e n d 撕d ei nt l l eb o m ，w m c hi s f a v o r a b l et om ed i f 骶i v ec o n v e c t i o n t h eo t h e ra r e a 、v i t hd i 行u s i v ec o n v e c t i o ni s 1 0 c a t e di i lm ec d w p 1 啪ea 1 1 dz h e m i i lc o a s t a lc u 盯e n t b o mo ft i l 锄c o m e 舶m c o l da i l d 丘e s hc k m 萄i a i l gw a t e r ，t h e r e f o r et 1 1 e yi em es 锄em e c h a n i s mo nt 1 1 e f o 肌a t i o no fd i 胤s i v ec o n v e c t i o n a 施c t e d b ya t m o s p h e r i cc o n d i t i o na n dr a d i a t i o n ， c h a i l 西i a l l gw a t e rc a l l 蠡w o rd i 缅s i v ec o n v e c t i o ni nw i n t e r w i m 缸t t l e re x p l o r i n gt h e t e m p e r a t u r em i c r 0 蛐m c t u r em t l l es i t e s 、i t l ls a l tf i n g e ra r l dd i f m s i v ec o n v e c t i o n ，i t s h o w ss a l tf i n g e rc a i li n c r e a s et h et l l e 肌a ld i 鼽s i v 埘o v e rm ee d d yd i 肌s i v i t ) rb u t d i f m s i v ec o n v e c t i o nc 籼o t t h er e a s o nf o rt t l i si st h ed i 彘r e n c eo fv e n i c a l t e i n p e r a t u r ea r l ds a l i l l i t ) r 鲫m c t l j r eb e 觚e e nt l l e m w 协d - g e n e r a t e di n t e m a lw a v ec a i lb ec a l c u l a t e d 谢t l lt h ee q 似i o n si 1 1t h em i x e d l a y e ra n dl o w e rl a y e r t h er e s u l ts h o w st 1 1 e 、i n di 印u t se n e r g yi n t om eo c e 锄诵t l l t h en e a ri n e n i a lf k q u e n c y ，t 1 1 ev e l o c i t ) ro fw a t e rp a r t i c l ea l s oh a st l l en e a r 洫e n i a l 丘e q u e n c y t h ee s t 妇a t e dl 【i n e t i ce n e r g ) ri sa b o u t9 6 3 1o 3 j 瓜gi 1 1s 啪m e ra i l d 9 9 9 l0 3 j l ( gi 1 1 、析n t e r t h et u r b u l e n tl ( i n e t i cd i s s i p a t i o nm t ei s3 7 2 l0 1 j l 唱i 1 1 团山n n l e ra r l d3 9 6 1 0 1 j k gi 1 1 、 r i n t e r t h er a t i ob e t 、v e e nd i s s i p a t i o na n d 邱u ti t l s 咖e ra n dw i n t e ra r ev e 巧c l o s e ，a b o u t3 8 一4 0 k e ) 哪r d s ：m i x i n g ，t i b u l e n c e ，d o u b l ed i f h l s i o n ，y e l l o ws e a e a s tc i l i n as 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! 如遗直墓丝重要撞别虚明丝! 奎拦互窒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做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 靴论文作者签破憾缸字吼 月f 口r 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。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适 一虢铆炻淼 签字同期：7 。6 丐年月f 1 扫婵嗍：竹钼嗍 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 第一章引言 海洋混合是海洋中一个基本而重要的现象。从大尺度上讲，海洋中跨越等密 面的混合是控制海洋热盐环流强度的最重要因素( w j m s c ha n df e 玎 l r i ，2 0 0 4 ) ，而 后者则承载着全球南北热量输运的三分之一( m u n ka 1 1 dw u l l s c h ，1 9 9 8 ) ，对全球 气候的变化有明显的影响。在近岸区域，混合不仅对控制水团性质分布有决定性 作用，而且对营养盐通量，以及其他化学物质的浓度都有着重要影响。尤其在近 岸大陆架区，渔业资源以及其他生物产量丰富，同时也受陆地影响最大，如径流 及污染等人类活动。因此，混合影响在该海域作用尤为显著。然而相对于开阔大 洋，近岸区域的混合研究较少。主要原因是受陆地侧边界及浅水底边界影响，该 区域的混合与开阔大洋存在较大差异。 本论文首次对中国近海黄海与东海混合空间分布与季节变化进行详细描述 与分析。利用在该海域2 0 0 6 年与2 0 0 7 年两个不同季节( 夏冬) 总历时接近2 个月的大面积观测资料，我们重新考察了黄东海内的环流情况与水团分布，并以 此为背景，研究了湍动能耗散率及相应的湍混合率分布与变化，解释了湍流混合 的动力学机制，而对于发生双扩散现象的区域，我们给出了双扩散的强度并探讨 其形成的原因。 1 1 海洋混合研究历史与现状 海洋混合研究最早可以追溯到上世纪六十年代，当时，人们并没有意识到混 合对大洋热盐环流和气候变化影响的重要性，混合研究的成果相对较少且并没有 受到足够重视。与此相比，关于混合能量的一个重要来源内波的理论研究却有 较大进展。r a 船a y ( 1 9 6 0 ) 给出了正压潮与阶梯及倾斜海底地形相互作用时产生的 内波的解析解。b a i n e s ( 1 9 7 3 ，1 9 7 4 ) 计算了不同海底地形与正压潮相互作用产生 内潮的过程中正压潮向内潮能量转化率，并指出内潮引起的剪切不稳定及混合最 容易出现在海底坡度等于内潮的群速度的点处。这些为2 0 世纪9 0 年代研究粗糙 海底地形区出现的高混合率现象提供了坚实的理论基础。 及至上世纪九十年代末，m u i l l 【和w u l l s c h ( 1 9 9 8 ) 指出，子午向大洋环流 的底层水生成率为3 0s v ( 1s v = 1 1 0 6 m 3 s 。1 ) ，为了维持子午向的大洋环流， 1 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 估计需要2 1t w ( 1t w = 1 x 1 0 1 2 w ) 的能量，与此相应的大洋平均混合率需要 达到l 1 0 4 i n 2 s - 1 。然而研e g g ( 1 9 8 9 ) 和l e d 、e u 等人( 1 9 9 3 ) 进行的外海观测 表明，在开阔大洋主温跃层湍流引起的混合率范围仅为5 1 0 石到3 l o 。5 n 1 2 s - 1 ， 难以封闭现今的大洋温盐环流，因此人们开展了许多大洋观测来寻找高混合区 域。观测表明，海山区( k l 亿e 锄dt 0 0 l e ，1 9 9 7 ；e 缺s e n ，1 9 9 8 ) ，大陆架坡折区 ( m o 眦le ta 1 2 0 0 2 ；n a s he ta 1 2 0 0 3 ) ，海峡区( p o l z i ne ta 1 1 9 9 6 ) ，洋中脊区 ( a l t h a u se ta 1 ，2 0 0 3 ；r - u d m c ke ta 1 ，2 0 0 3 ) 等这些海底地形变化剧烈的区域普遍 都是高混合区，如前所述，正压潮与底地形相互作用产生的内潮破碎不稳定是导 致这些区域高混合率的一个重要机制。随着观测和理论的不断进展，一些新的理 论机制解释也相继被提出，t l l o r p e ( 1 9 9 2 ) 及m a c c r e a d y 与p a w l a l 【( 2 0 0 1 ) 提 出亚惯性流流过空间变化为波数k b 甜w 的底地形时，如果流速u 与l ( b 砒i l ，的乘积介 于惯性频率与浮力频率之间，会诱发背风内波( i i l t e m a ll e ew a v e ) 从而加强混合 率；s t l a u r e n t 等( 2 0 0 3 ) 和b a l 而n h 等( 2 0 0 2 ) 进一步指出当正压潮频率小 于k b a t h ，u 会诱发内波孤立子( s o l i b o r e ) 可以提高混合率；e 缺s e n ( 1 9 8 2 ，1 9 8 5 ) ， t h o 印e ( 1 9 8 7 ) ，s l i i m 与鼬l e y ( 1 9 9 6 ) ，m u l l e r 与l i u ( 2 0 0 0 ) 都证明如果内波 波射线倾角与底地形倾角接近或相当时，低波数的波能会向高波数波动传播，使 内波更加容易破碎引起湍流，从而使混合得到增强；另外，m u l l e r 与x u ( 1 9 9 2 ) ， t h o 印e ( 2 0 0 1 ) 也指出了小尺度剧烈变化的地形也能使内波破碎。但到底哪种过 程对混合率的增强起主要作用则取决于局地海流，底地形特征等条件。 相比开阔大洋及粗糙地形处的混合研究，陆架区混合的研究工作却很少，这 与陆架区复杂的环境是密切相关的，陆架区往往离大陆较近，侧边界引起的强剪 切与梯度的影响不可忽略；陆架区水深相对大洋较浅，当大洋内的波动传播到此 时，波能集中加上底边界，波与波之间的相互作用与底摩擦的影响使外界强迫与 耗散的时间尺度基本一致；陆架区的内波往往以低模态窄频带内波为主，很难达 到稳定状态，为混合研究带来困难。然而陆架混合在全球海洋能量收支平衡中起 着非常重要的作用( m a c k 砸o na i l d 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混合的观测与理论模型研究，探 讨了外界环境对混合的影响。s 呻s o n 等( 1 9 9 6 ，2 0 0 0 ) 在爱尔兰海底层观测到 了强湍流，这与潮摩擦的数值模型结果分析一致；1 1 1 a l l 等( 2 0 0 0 ) 通过对马林大 2 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 陆架的观测指出由于底摩擦产生的湍流耗散占整个海区的一半以上，并建立了强 剪切与高耗散率之间的关系；n 嬲h 与m o u i n ( 2 0 0 1 ) 也同样发现在俄勒冈大陆 架区存在强混合耗散。 尽管在世界其他各海域，混合的观测与研究已得到广泛开展，然而在我国近 海，由于观测数据的缺乏，混合研究工作比较少。周磊等( 2 0 0 5 ) 根据东海陆架 坡折区一断面混合观测资料计算，指出该断面上的平均混合率约为2 3 x l o 。3 m 2 s 一， 超过大洋背景场1 0 0 倍，并同时解释了造成该海域强混合的原因主要是m 2 内潮 破碎；m a t s u n 0 等( 2 0 0 6 ) 利用长江冲淡水域的断面观测结果，指出混合除了受 底摩擦影响外，与等盐度线也存在密切联系；在黄海海域，刘志宇与魏皓( 2 0 0 7 ) 通过观测计算表明，黄海底边界层内存在着很强的湍耗散，在充分混合的潮流底 边界层内，湍流主要由海底流速剪切生成，并且湍耗散率具有明显的周期变化规 律。 1 2 海洋双扩散研究历史与现状 双扩散是海洋中一种非常有趣的现象，双扩散混合有别于普通的湍流混合， 是一种由于流体盐度与温度扩散率不同而导致的混合。双扩散现象的发现与研究 可以追溯到1 9 世纪5 0 年代，w s j e v o n s ( 1 8 5 7 ) 首次在实验室将暖糖水置于 冷淡水上层发现了“热糖指”现象，然而这种由于分子热扩散与糖分子扩散具有 不同时间尺度而导致的现象，却在当时没有得到足够的重视，而且“被遗忘了将 近1 0 0 年( s c l m i t t ，1 9 9 5 ) 。直至1 9 5 6 年，在尝试设计一种观测深海伯纳德对 流的方法时，a m o l d 觚n s 等发现了所谓的“永久性盐泉”现象。随后几年，许 多物理海洋工作者陆续在实验室中模拟盐指现象，并得出一些重要的理论。s t e m ( 1 9 6 0 ) 给出了盐指的解析解，t l l m e r ( 1 9 6 5 ，1 9 6 7 ) 则运用湍流的理念提出4 3 通量定律，对量化双扩散通量奠定了理论基础。 海洋中真正意义上双扩散研究实际上是在2 0 世纪6 0 年代现代海洋观测仪器 极大使用与发展之后，在大洋温盐观测中人们发现了“热盐阶梯 ，这种现象已 被证明是由扩散对流( t u n l e r ，1 9 6 8 ) 与盐指现象( s t e m 与t 啪e r ，1 9 6 9 ) 这两 种基本的双扩散现象所造成，并且对增强跨越等密面的混合具有重要作用。 黄东海湍渡混会与双扩数现象及其季节交化 实际上双扩散现象在海洋中存在也是较力广泛熬，例如k 曲a 礅( 1 9 6 6 ) 发 现亚热带环流密跃层处存在盐指现象，这主要是由于亚热带水分强蒸发所致。而 北冰洋海域由于冰融化会使冷而淡的水覆盖于暖咸水之上，为双扩散现象的发生 提供了有利条件。另外，所有水团分界的锋面跫通常会形成彼此的侧向侵入，从 而在强梯度边界上下都有可能产生双扩散现象。 从上世纪7 0 年代至今，人们对双扩散现象的研究主要集中在通量计算与强 度评价上。p a d m a l l 与d i l l o n ( 1 9 8 7 ) 证实了由分子扩散引起的穿越北冰洋热盐 阶梯的通量符合粥遁量定律。然丽s c 瓤撬等( 1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) 观测并分析了巴 巴多斯附近由盐指造成的热盐阶梯，发现实际通量小于该定律结果。因此目前盐 指区通量理论仍然没有完全清晰。在评价双扩散强度方面，飘【m e r ( 1 9 7 3 ) 提出 可以用溢盐垂向梯度鲍来描述双扩教相对强度。然而由于此变量变化范围非常大 且存在正负符号变化，不利于直观解释，因此r u d d i c k ( 1 9 8 3 ) 引入了t u m e r 角， t u m e r 角变化分布予四个反正切象限( m c d o u g a l l 等，1 9 8 8 ) ，不同区域分别对 应着不圈的永露状态( 见l 。3 节) 。 我国黄东海双扩散研究比较少，l i e 等( 2 0 0 3 ) ，s 嫩与眠i ( 2 0 0 7 ) 均观测 到长江冲淡水区存在明显的双扩散现象。在东海陆架坡折区，周磊等( 2 0 0 5 ) 也 发现弱的盐指现象的存在。梁鑫峰( 2 0 0 6 ) 进一步指出该区域盐指现象是导致热 扩散率大于湍混合率的重要原因。 1 。3 背景知识简介：湍流与双扩散 当层流流体中惯性力相比粘牲力( 即雷诺数) 超过一定蕺墨( 临界雷诺数) 时，扰动会克服粘性力而发展增强并形成湍流，导致密度层结的破坏，与跨越等 密面的机械混合。在海洋中造成湍流混合的动力机制有许多种，表面风强迫，底 边赛摩擦，内波的动力不稳定也是孳| 起湍流混会的一个重要原嚣，尤其在海底粗 糙地形区域( 如海山，海脊等) ，是正压潮与底地形相互作用产生内潮( 内波的 种) 的高发区( r h e n d 姒1 9 7 7 ) 。 最基本的湍流来源于两层流体流速不同且达到一定阈值后引起的剪切不稳 定，即豢l v i 藏一h e l 瓣l o l 讫不稳定，通常我们用慰e k 谢s 锄数来衡量这个阈值， 毒 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 黜c h 砌s o n 数被定义为流体层化与剪切之比，即 尺f = 2 ( 幽出) 2 ( 0 1 ) m c t 砌s o n 数的临界值一般设为0 2 5 ，当砌 o 2 5 ， 则说明流体垂向剪切不足以克服层结，水体保持剪切稳定状态。 湍动能耗散率是衡量湍流水平以及混合强度的一个主要参量，利用湍动能耗 散率可以确定垂向上的涡扩散率( 湍混合率) 以及通量( 0 s b o m ，1 9 8 0 ；d e w e ya n d c r a w f o r d ，1 9 8 8 ) 。 在雷诺平均湍动能方程嬖+ v 丁，：尸一中，定义湍动能耗散率如下 d t ( s c m i c h t i n g ，1 9 6 5 ) s = 加( 吩屯) 考( 筹+ 等 c 眈， 其中v 是动力学粘性系数，甜7 是脉动速度，该耗散率表明了湍动能由于粘性 应力耗散的速率，对于各向同性的湍流，式( 1 2 ) 也可以写为， s 以5 吵( 警) 2 = e 心肌 3 ， 这里加，钇指水平脉动速度的垂向剪切( b a t c h e l e r ，1 9 5 3 ) ，对于小尺度湍流， 只要观测仪器下放速度超过0 3 i i l s ，它就可以通过t a y l o r 冻结定理，由速度的时 间导数及垂向速度算得( p 舢d k e 肌ds t i p s ，1 9 9 6 ) 。 进一步考虑垂向脉动速度谱，谱的积分波数范围并不是无限大的，而是存在 一个上限截断波数k o l m o g o r o i j f 波数，n 踟y t l l ( 1 9 7 0 ) 由实验发现海洋中垂向 脉动速度的普适谱型，该谱型业已被证实与观测吻合很好( y 觚l a z a k i ，1 9 9 0 ： w b s s o na 1 1 d 陆g g ，1 9 9 4 ；m o 啪e ta 1 ，1 9 9 5 ；p r a i l d l ( e 趾ds t i p s ，1 9 9 8 ) 。 黄东海端流月台m 扩散现象& 其季节变化 拿。3 乳 目l 1 无维化的经验s m y t h 普适许( 实) 肚# # hc 虚) - # 十k r 代k o l m 蚀o r o f f m * & 。 ( 9 i p s dp 枷d k e ，2 0 0 0 ) 湍流涡扩散率( 湍混合率) 可以由o s b o m ( 1 9 8 0 ) 公式给出， 例景 ( 0 4 ) 其中v 为混合效率，该物理量表明湍流中由于涡导致扩散的交换系数a 在完 全发展的湍流区o s b o r r i 建议取02 ，n 为浮力频率。 在海洋巾，双扩散现象依据温度与盐度随深度变化的不同主要分两种类型， 如果温度与盐度髓深度同时减小，即暖而咸的水冠于冷而淡的水上层，由于分子 热扩散与盐扩散速率不同发生的双扩散现象为盐指现象( 剐1 - 2 左) ；相反，当 温度与盐度随深度同时增加时，即鹱而咸的水置于冷而淡的水下层，_ 双扩散现象 体现为扩散对流现象( 图1 2 右) 缌湖 卉u z v i e j b 3 c 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 图l 2 ：盐指( 左图) 与扩散对流( 右图) ( t l 卸： 、) n ) i ，p h y s 0 c e 矾d a l c a ) t 1 l 加e r ( 1 9 7 3 ) 建议利用温盐垂直梯度的比率来衡量双扩散现象的强度，即 r 。：盟 9 s z ( 0 5 ) 其中q 代表热膨胀系数，a = 一p 一印加，p 为盐收缩系数，卢= 一p 一印瓠， 0 ：与s ：分别代表温度与盐度的垂向梯度。当接近l 时，盐指与扩散对流强度 都相应达到最大。 为了能更加清晰的分辨两种双扩散过程，i d i c k ( 1 9 8 3 ) 引入了t u 吼e r 角， 定义如下， 砌c d e g ，= 切n 。1 ( a 罢一卢箸，口警+ 暖) c ， l 与t l 肺e r 角( t u ) 之间的关系为 = 一t a l l ( 砌+ 4 5 ) ( o 7 ) 如图l 一3 所示，当t u 在- 4 5 。与- 9 0 。之间时( 即o k 1 ) ，水体有利于发生 扩散对流现象；当t u 在4 5 0 与4 5 0 之间，水体处于稳定层化状态；当t u 大于4 5 0 小于9 0 0 时，水体有利于发生盐指双扩散现象。根据t u m e r 角的范围，扩散对流 与盐指过程可以进一步划分为强中弱三档，9 0 0 t u 7 5 0 ，7 5 0 t u 6 0 0 ， 6 0 0 t u 4 5 0 分别代表强、中、弱扩散对流，同样盐指区也可以划分为强、中、 弱部分，对应的t u 【n l e r 角范围分别为7 5 0 t u 9 0 0 ，6 0 0 t u 7 5 0 ，4 5 0 t u 4 5 0 ) ，t u m e r 角最大值接近6 0 0 ，当深度到达6 0 0 米以下时，温盐分布重新回到稳定状态，对应的t u m e r 角也小于临界值4 5 0 。 由于1 r l 曲。脚i i 仪器观测深度范围的限制，我们计算的湍动能耗散率，湍 混合率，热耗散率以及热扩散系数被限制在4 0 0 米深度范围以内( 图4 3 ) 。从图 中可以看出，在表层上2 5 米深度，湍动能耗散率值十分高且随深度迅速下降， 我们仍然认为这是由于上耗散层的影响，在此区域风致混合占据主导地位，因而 湍动能耗散比热耗散大很多：在2 0 0 米深度处我们可以看出明显入侵的黑潮水 ( 图4 2 ) ，湍耗散率急剧下降，而热耗散率基本不变，湍混合率与热扩散率相比 差别也不是很大，但热扩散率稍大一些。我们计算了2 0 0 米至4 0 0 米发生盐指现 象水层的各参数，其中平均热扩散率为5 7 1 0 4 1 2 s ，平均湍混合率为5 o 1 0 。4 m 2 s ，平均热耗散率为5 2 1 0 。7 。c 2 s ，湍动能耗散率为7 8 1 0 8 w 他g 。热扩散 率大约是湍混合率的1 1 倍，o s b o m ( 1 9 7 2 ) 提出在充分发展的湍流区域，热扩 散率与湍混合率应基本相同，因此盐指现象的发生提高了热扩散率，增强了热扩 散过程，这与s c l l r l l i t t ( 2 0 0 5 ) 在热带西大西洋示踪物实验中得出的结论是一致 的。 3 1 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 s 血蚵口s 【】) 一7 5 - - 4 5 1 501 5 扣4 5 印7 5 t u 蹦啦昏e o 图4 - 2 ：断面1 0 上2 5 5 0 n ，1 2 3 。e 站点温度( 蓝色实线) ，盐度( 黑色实线) 与t u _ n l e r 角( 黑色虚线) 的垂 直剖面图 i o g o 寸a n di o g 附 图4 - 3 ：断面1 0 上2 5 5 。n ，1 2 3 。e 站点湍动能耗散率( 左图实线) 与热耗散率) c ( 左图虚线) ，以及湍混合 率( 右图实线) 与热扩散系数1 c 。( 右图虚线) 垂向剖面图，所有变量均取以l o 为底的对数 图4 4 是我们在断面3 上选取的一个发生扩散对流现象的代表站点，如图所 示，温盐随深度同步增加，计算的t u i n l e r 角显示最强扩散对流发生在3 0 至4 0 米深度范围，水体在5 0 米处出现小尺度的温盐梯度逆转，t u n l e r 角值显示强盐 指现象可能存在，但随着深度的增加，温盐马上回到有利于扩散对流现象发生的 结构，因而在此站点我们认为是扩散对流现象占优。 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 如前所述，造成扩散对流现象的原因主要是黄海暖流的影响，第三章关于黄 海暖流混合的分析表明黄海暖流内部混合是很弱的。考察该站点热耗散率与热扩 散率的垂向变化( 图4 5 ) ，在上混合层中( 水层上2 0 米) ，湍流混合仍然占据主 导地位，湍混合率远远大于热扩散率，然而在2 0 米到4 0 米深度处扩散对流区， 平均湍混合率为1 5 1 0 。3 1 2 s ，热扩散率为1 5 1 0 4 m 2 s ，并没有发现像盐指区 那样热扩散率超过湍混合率的特征，即使在扩散对流较强的3 0 米至4 0 米之间， 两者也几乎相同( 平均湍混合率2 2 8 1 0 4 m 2 s ，平均热扩散率2 3 1 0 4 m 2 s ) 。 相反我们却在5 0 米深度处小范围的盐指区发现热耗散率与热扩散率都有显著增 加。扩散对流热扩散远远小于盐指现象的原因是很容易理解的，简单上说这来源 于发生盐指现象与扩散对流现象的水体结构不同，发生盐指现象的水体结构是高 温高盐水覆盖于低温低盐水之上，由于相对较快的分子热扩散，上层水体热量下 传，使盐度场位势增加，产生密度不稳定引起垂直通量增加，下沉的高盐水( 盐 指) 与深层水进一步进行热交换，因而加强了热量的扩散；反观扩散对流，由于 高温高盐水置于低温低盐水下，盐度场是重力稳定的，热扩散仅依靠上下水体温 度的差异，仍然以分子扩散为主导，因此远远小于盐指现象发生时的热扩散。 枷舶柚崔瑚- 1 501 5与艿 t - _ - 一0 图4 - 4 ：断面3 上3 5 0 n ，1 2 2 5 。e 站点温度( 蓝色实线) ，盐度( 黑色实线) 与t u m 盯角( 黑色虚线) 的垂 直剖面图 3 3 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 芎 暑 詈 b g 旧a n d i o g e _ ， 苣 i o g 怔o ) a n di o g o q 图4 5 ：断面3 上3 5 n1 2 2 5 。e 站点湍动能耗散率( 左图实线) 与热耗散率) c ( 左图虚线) ，以及湍混合 率k ( 右图实线) 与热扩散系数- c 0 ( 右图虚线) 垂向剖面图，所有变量均取以l o 为底的对数 黄东海湍流混合与双扩散现象及其季节变化 第五章风致内波能量的收支 5 1 混合层与内区耦合解析模型 基于前述观测描述，我们对黄东海混合时空分布有了一个大体了解，由于风 致内波与内潮破碎不稳定是产生混合的重要机制，如东海大陆架坡折带的高混合 是典型的由于陡峭变化的底地形与正压潮作用产生m 2 内潮传播不稳定所致( 周 磊等，2 0 0 5 ) ，考虑到黄东海的整体特点，我们在此主要研究风对内波的激发作 用，以及在此过程向海洋中输送的能量。 我们考虑上混合层与下层内区的两层模型，假设混合层密度为常量，下层是 层化流体，但忽略粘性效应。因此，我们可以分别建立两层流体的控制方程： 混合层控制方程： 丝+ ：一旦而( 5 1 )+ ，y = 一“w k ，1 ， a l。8z 竺一：一旦而 ( 5 2 ) a t。8z 型+ 竺+ 里：o( 5 3 )+ + = ul ，- jj 舐 砂 瑟 边界条件为 在表面z ：o 处，一孑万：冬，一i 可：皂，其中t 为风应力。 ( 5 4 ) p p 在混合层边界z = 办处，一孑矿= o ，一i 可= o ，w = ( 5 5