《海洋科學導論》第十章 海水的混合和海洋細結(jié)構(gòu)

1、第十章 海水的混合和海洋細結(jié)構(gòu) 全水深水平渦動混合、混合層內(nèi)垂向渦動混合與垂向內(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動方式，混合是使海水的各種特性趨向均勻的過程海水混合的形式主要有三種： 分子混合：分子隨機運動引起（雙擴散效應） 渦動混合：湍流運動引起 對流混合（熱鹽作用、鉛直方向）流體運動的層流與湍流流體運動的狀態(tài)可用雷諾數(shù)大小來表征，小雷諾數(shù)對應層流狀態(tài)，大于某一臨界雷諾數(shù)時為湍流。雷諾數(shù)定義為湍流具有隨機性、擴散性和能量耗散性的特點層流是一種比較規(guī)則的流動，流體之間僅通過分子隨機運動進行特性交換湍流的生成和消衰湍流能量的產(chǎn)生來自平均運動的速度剪切

2、和浮力生成湍流能量的切變生成平均運動中的速度剪切。 湍流能量的浮力生成海水不穩(wěn)定，勢能變動能。 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，其浮力生成率為負值，使已經(jīng)開始的擾動被削弱甚至平息，這是湍流的動能被轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的勢能所致。 海洋中的湍流海水靜力穩(wěn)定度 該值大于0時，說明海水層結(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，浮力生成率為負。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，隨時隨地都會發(fā)生海-氣界面：渦動混合在任何海區(qū)和季節(jié)和都會發(fā)生，對流混合在高緯海區(qū)與降溫

3、季節(jié)比較強烈（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，南海深層的混合強度遠遠高于太平洋。Tian et al., 2009觀測斷面位置及地形圖混合率分布圖海洋的雙擴散效應在層結(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，由于分子熱傳導系數(shù)大于鹽擴散系數(shù)兩個量級，可能引起自由對流，從而促進海洋的內(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分子擴散而引起的，因而稱為“雙擴散”效應。 海洋的雙擴散效應溫度不穩(wěn)定分布情形：冷而淡的海水位于暖而咸的海水之上 由于分子擴散的結(jié)果，上層海水增溫增鹽，因為熱傳導系量是鹽擴散系量的1

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

5、效應渦動混合在低緯度海區(qū)和夏季占優(yōu)，而對流混合在高緯度和冬季占優(yōu)一般而言，陸架和淺?；旌媳却笱蟾鼮閺娏液Ｑ笊蠈拥幕旌闲俣u動混合過程中熱鹽守恒，那么混合后的溫、鹽值，基本上應等于它們混合前的平均值。在混合層的下界將出現(xiàn)一個水文特性梯度較大的過渡層，即形成溫、鹽、密度躍層。單獨由降溫引起的對流混合，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 海水混合效應海洋中的混合增密效應：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流混合可能出

6、現(xiàn)溫度或鹽度躍層，但肯定不會出現(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養(yǎng)鹽的向上補充 海洋底層的混合效應海底摩擦使流動產(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)展的底層混合有時可直達海面，使底層水擴散到海面，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)，原來認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)，稱之為細微結(jié)構(gòu)。形成海洋細微結(jié)構(gòu)的原因可能的原因雙擴散對流海洋內(nèi)波破碎和小尺度間歇性湍流對細微結(jié)構(gòu)的研究還比較少，它依賴于測量儀器的精度提高第十章 回顧海水混合的三種形式：分子混合、湍流混合和對流混合層流是一種比較規(guī)則的流動，流體之間僅通過分子隨機運動進行特性交換湍流具有隨機性、擴散性和能量耗散性的特點，流體之間通過分子集團的隨機運動進行特性交換湍流生成的兩種主要機制：剪切生成和浮力生成熱量與鹽量的分子雙擴散效應，前者的分子擴散系