《海洋科学导论》第十章 海水的混合和海洋细结构

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十章 海水的混合和海洋细结构,全水深水平涡动混合、混合层内垂向涡动混合与垂向内波混合，联合构成了海洋内部的三维混合。,三维混合,海洋的混合,混合是海水的一种普遍运动方式，混合是使海水的各种特性趋向均匀的过程,海水混合的形式主要有三种：,分子混合：分子随机运动引起（双扩散效应）,涡动混合：湍流运动引起,对流混合（,热盐作用、铅直方向,）,流体运动的层流与湍流,流体运动的状态可用雷诺数大小来表征，小雷诺数对应层流状态，大于某一临界雷诺数时为湍流。雷诺数定义为,湍流具有随机性、扩散性和能量耗散性的特点,层流是一种比较规则的流动，流体之间仅通过分子随机运动进行特性交换,湍流的生成和消衰,湍流能量的产生来自平均运动的速度剪切和浮力生成,湍流能量的切变生成,平均运动中的速度剪切。,湍流能量的浮力生成,海水不稳定，势能变动能。,湍流消衰的两种途径,(1),由粘滞性的作用消耗；,(2),在海水稳定度为正值的情况下，其浮力生成率为负值，使已经开始的扰动被削弱甚至平息，这是湍流的动能被转化为系统的势能所致。,海洋中的湍流,海水静力稳定度,该值大于,0,时，说明海水层结稳定，否则不稳定,湍流能量耗散：粘滞性和海水稳定度为正时，浮力生成率为负。,平均流速梯度（剪切生成）与海水静力稳定度（浮力生成）是制约湍流生消的主要因素。,海洋混合的区域性,海洋中的混合现象，随时随地都会发生,海,-,气界面：涡动混合在任何海区和季节和都会发生，对流混合在高纬海区与降温季节比较强烈（,上混合层,）,海底混合：潮流和海流引起,海洋内部混合：海洋内波引起,海洋锋,由南海至太平洋的混合分布可以看出，南海深层的混合强度远远高于太平洋。,Tian et al., 2009,观测断面位置及地形图,混合率分布图,海洋的双扩散效应,在层结稳定的海洋中，只要温度或盐度两者之一具有不稳定铅直分布，由于分子热传导系数大于盐扩散系数两个量级，可能引起自由对流，从而促进海洋的内部混合。,由于这种海水混合现象完全是由热量与盐量通过分子扩散而引起的，因而称为,“,双扩散,”,效应。,海洋的双扩散效应,温度不稳定分布情形：冷而淡的海水位于暖而咸的海水之上,由于分子扩散的结果，上层海水增温增盐，因为热传导系量是盐扩散系量的,100,倍，所以上层海水由于增温而密度减小，导致海水从界面处上升，下层降温降盐而密度增大，导致海水从界面处下降。对流从界面开始分别向上和向下扩展。,海洋的双扩散效应,盐度不稳定分布情形：暖而咸的海水位于冷而淡的海水之上,上层海水因热盐扩散，使其温度和盐度降低而下沉，下层海水因热盐扩散，使其密度减小而上升，上、下两层海水通过界面产生对流，分别向另一层海水扩散。,在海洋中已经观测到这种从界面向上、下伸展几厘米长的指状水柱，称为,“,盐指,”,海水上层的混合,海洋中的混合包括动力因子引起的涡动混合、热盐引因子引起的对流和双扩散混合,涡动混合在各个季节各纬度海区都会发生，对流混合仅在高纬度降温季节比较强烈，掩盖涡动混合效应,涡动混合在低纬度海区和夏季占优，而对流混合在高纬度和冬季占优,一般而言，陆架和浅海混合比大洋更为强烈,海洋上层的混合效应,假定涡动混合过程中热盐守恒，那么混合后的温、盐值，基本上应等于它们混合前的平均值。,在混合层的下界将出现一个水文特性梯度较大的过渡层，即形成温、盐、密度跃层。,单独由降温引起的对流混合，其温度值低于混合前的平均值，盐度则等于混合前的平均值；,单纯由增盐引起的对流混合，其盐度值高于混合前的平均值，温度则等于混合前的平均值,海水混合效应,海洋中的混合增密效应：,两种温、盐不同的海水混合后，其密度大于混合前两种海水的平均密度,对流所引起的海水混合，混合后的密度高于混合前的平均值,对流混合可能出现温度或盐度跃层，但肯定不会出现密度跃层。,原因：,由于增密下沉的海水一定要下降到与其密度相同的深度上才会停止。,增温季节形成的密度跃层，阻碍了热量向下输送和营养盐的向上补充,海洋底层的混合效应,海底摩擦使流动产生速度剪切而生成湍流，湍流混合可使在海底附近形成性质均匀的下混合层,在浅水区，自下而上发展的底层混合有时可直达海面，使底层水扩散到海面，在夏季形成低温区，如威海的成山头,海洋温、盐、密的细微结构,随着仪器精度提高，特别是使用,CTD,后，发现在铅直方向上存在微小的成层结构，原来认为光滑的铅直分布呈现阶梯形分布,在铅直方向上，海水温、盐、密存在小于,1m,的成层结构，称之为细微结构。,形成海洋细微结构的原因,可能的原因,双扩散对流,海洋内波破碎和小尺度间歇性湍流,对细微结构的研究还比较少，它依赖于测量仪器的精度提高,第十章 回顾,海水混合的三种形式：分子混合、湍流混合和对流混合,层流是一种比较规则的流动，流体之间仅通过分子随机运动进行特性交换,湍流具有随机性、扩散性和能量耗散性的特点，流体之间通过分子集团的随机运动进行特性交换,湍流生成的两种主要机制：剪切生成和浮力生成,热量与盐量的分子双扩散效应，前者的分子扩散系数比后者大,100,倍,混合增密效应：,两种温、盐不同的海水混合后，其密度大于混合前两种海水的平均密度,在铅直方向上，海水温、盐、密存在小于,1m,的成层结构，称之为细微结构。,形成细微结构的原因：双扩散、内波破碎、小尺度湍流,