《海洋科學(xué)導(dǎo)論》第十章 海水的混合和海洋細(xì)結(jié)構(gòu)

1、第十章 海水的混合和海洋細(xì)結(jié)構(gòu) 全水深水平渦動(dòng)混合、混合層內(nèi)垂向渦動(dòng)混合與垂向內(nèi)波混合，聯(lián)合構(gòu)成了海洋內(nèi)部的三維混合。三維混合海洋的混合混合是海水的一種普遍運(yùn)動(dòng)方式，混合是使海水的各種特性趨向均勻的過(guò)程海水混合的形式主要有三種： 分子混合：分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起（雙擴(kuò)散效應(yīng)） 渦動(dòng)混合：湍流運(yùn)動(dòng)引起 對(duì)流混合（熱鹽作用、鉛直方向）流體運(yùn)動(dòng)的層流與湍流流體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)可用雷諾數(shù)大小來(lái)表征，小雷諾數(shù)對(duì)應(yīng)層流狀態(tài)，大于某一臨界雷諾數(shù)時(shí)為湍流。雷諾數(shù)定義為湍流具有隨機(jī)性、擴(kuò)散性和能量耗散性的特點(diǎn)層流是一種比較規(guī)則的流動(dòng)，流體之間僅通過(guò)分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行特性交換湍流的生成和消衰湍流能量的產(chǎn)生來(lái)自平均運(yùn)動(dòng)的速度剪切

2、和浮力生成湍流能量的切變生成平均運(yùn)動(dòng)中的速度剪切。 湍流能量的浮力生成海水不穩(wěn)定，勢(shì)能變動(dòng)能。 湍流消衰的兩種途徑 (1) 由粘滯性的作用消耗； (2) 在海水穩(wěn)定度為正值的情況下，其浮力生成率為負(fù)值，使已經(jīng)開(kāi)始的擾動(dòng)被削弱甚至平息，這是湍流的動(dòng)能被轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的勢(shì)能所致。 海洋中的湍流海水靜力穩(wěn)定度 該值大于0時(shí)，說(shuō)明海水層結(jié)穩(wěn)定，否則不穩(wěn)定湍流能量耗散：粘滯性和海水穩(wěn)定度為正時(shí)，浮力生成率為負(fù)。平均流速梯度（剪切生成）與海水靜力穩(wěn)定度（浮力生成）是制約湍流生消的主要因素。海洋混合的區(qū)域性海洋中的混合現(xiàn)象，隨時(shí)隨地都會(huì)發(fā)生海-氣界面：渦動(dòng)混合在任何海區(qū)和季節(jié)和都會(huì)發(fā)生，對(duì)流混合在高緯海區(qū)與降溫

3、季節(jié)比較強(qiáng)烈（上混合層）海底混合：潮流和海流引起海洋內(nèi)部混合：海洋內(nèi)波引起海洋鋒由南海至太平洋的混合分布可以看出，南海深層的混合強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太平洋。Tian et al., 2009觀測(cè)斷面位置及地形圖混合率分布圖海洋的雙擴(kuò)散效應(yīng)在層結(jié)穩(wěn)定的海洋中，只要溫度或鹽度兩者之一具有不穩(wěn)定鉛直分布，由于分子熱傳導(dǎo)系數(shù)大于鹽擴(kuò)散系數(shù)兩個(gè)量級(jí)，可能引起自由對(duì)流，從而促進(jìn)海洋的內(nèi)部混合。由于這種海水混合現(xiàn)象完全是由熱量與鹽量通過(guò)分子擴(kuò)散而引起的，因而稱(chēng)為“雙擴(kuò)散”效應(yīng)。 海洋的雙擴(kuò)散效應(yīng)溫度不穩(wěn)定分布情形：冷而淡的海水位于暖而咸的海水之上 由于分子擴(kuò)散的結(jié)果，上層海水增溫增鹽，因?yàn)闊醾鲗?dǎo)系量是鹽擴(kuò)散系量的1

4、00倍，所以上層海水由于增溫而密度減小，導(dǎo)致海水從界面處上升，下層降溫降鹽而密度增大，導(dǎo)致海水從界面處下降。對(duì)流從界面開(kāi)始分別向上和向下擴(kuò)展。 海洋的雙擴(kuò)散效應(yīng)鹽度不穩(wěn)定分布情形：暖而咸的海水位于冷而淡的海水之上 上層海水因熱鹽擴(kuò)散，使其溫度和鹽度降低而下沉，下層海水因熱鹽擴(kuò)散，使其密度減小而上升，上、下兩層海水通過(guò)界面產(chǎn)生對(duì)流，分別向另一層海水?dāng)U散。在海洋中已經(jīng)觀測(cè)到這種從界面向上、下伸展幾厘米長(zhǎng)的指狀水柱，稱(chēng)為“鹽指” 海水上層的混合海洋中的混合包括動(dòng)力因子引起的渦動(dòng)混合、熱鹽引因子引起的對(duì)流和雙擴(kuò)散混合渦動(dòng)混合在各個(gè)季節(jié)各緯度海區(qū)都會(huì)發(fā)生，對(duì)流混合僅在高緯度降溫季節(jié)比較強(qiáng)烈，掩蓋渦動(dòng)混合

5、效應(yīng)渦動(dòng)混合在低緯度海區(qū)和夏季占優(yōu)，而對(duì)流混合在高緯度和冬季占優(yōu)一般而言，陸架和淺?；旌媳却笱蟾鼮閺?qiáng)烈海洋上層的混合效應(yīng)假定渦動(dòng)混合過(guò)程中熱鹽守恒，那么混合后的溫、鹽值，基本上應(yīng)等于它們混合前的平均值。在混合層的下界將出現(xiàn)一個(gè)水文特性梯度較大的過(guò)渡層，即形成溫、鹽、密度躍層。單獨(dú)由降溫引起的對(duì)流混合，其溫度值低于混合前的平均值，鹽度則等于混合前的平均值； 單純由增鹽引起的對(duì)流混合，其鹽度值高于混合前的平均值，溫度則等于混合前的平均值 海水混合效應(yīng)海洋中的混合增密效應(yīng)：兩種溫、鹽不同的海水混合后，其密度大于混合前兩種海水的平均密度對(duì)流所引起的海水混合，混合后的密度高于混合前的平均值對(duì)流混合可能出

6、現(xiàn)溫度或鹽度躍層，但肯定不會(huì)出現(xiàn)密度躍層。 原因：由于增密下沉的海水一定要下降到與其密度相同的深度上才會(huì)停止。增溫季節(jié)形成的密度躍層，阻礙了熱量向下輸送和營(yíng)養(yǎng)鹽的向上補(bǔ)充 海洋底層的混合效應(yīng)海底摩擦使流動(dòng)產(chǎn)生速度剪切而生成湍流，湍流混合可使在海底附近形成性質(zhì)均勻的下混合層在淺水區(qū)，自下而上發(fā)展的底層混合有時(shí)可直達(dá)海面，使底層水?dāng)U散到海面，在夏季形成低溫區(qū)，如威海的成山頭海洋溫、鹽、密的細(xì)微結(jié)構(gòu)隨著儀器精度提高，特別是使用CTD后，發(fā)現(xiàn)在鉛直方向上存在微小的成層結(jié)構(gòu)，原來(lái)認(rèn)為光滑的鉛直分布呈現(xiàn)階梯形分布在鉛直方向上，海水溫、鹽、密存在小于1m的成層結(jié)構(gòu)，稱(chēng)之為細(xì)微結(jié)構(gòu)。形成海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)的原因可能的原因雙擴(kuò)散對(duì)流海洋內(nèi)波破碎和小尺度間歇性湍流對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)的研究還比較少，它依賴(lài)于測(cè)量?jī)x器的精度提高第十章 回顧海水混合的三種形式：分子混合、湍流混合和對(duì)流混合層流是一種比較規(guī)則的流動(dòng)，流體之間僅通過(guò)分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行特性交換湍流具有隨機(jī)性、擴(kuò)散性和能量耗散性的特點(diǎn)，流體之間通過(guò)分子集團(tuán)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行特性交換湍流生成的兩種主要機(jī)制：剪切生成和浮力生成熱量與鹽量的分子雙擴(kuò)散效應(yīng)，前者的分子擴(kuò)散系