北冰洋雙擴(kuò)散階梯結(jié)構(gòu)與無(wú)雙擴(kuò)散海域的特殊物理過(guò)程.pdf

1、利用2008年中國(guó)第三次北極科學(xué)考察的CTD和LADCP數(shù)據(jù),研究了北冰洋加拿大海盆的雙擴(kuò)散階梯結(jié)構(gòu)與無(wú)雙擴(kuò)散海域的特殊物理過(guò)程。數(shù)據(jù)表明,雙擴(kuò)散階梯在加拿大海盆廣泛存在,既是溫度階梯,也是鹽度階梯。在加拿大海盆中部和北部的深水海域觀測(cè)到了明顯的雙擴(kuò)散階梯,階梯結(jié)構(gòu)在深度分布上有顯著的空間差異。雙擴(kuò)散階梯發(fā)生在100～500 m的深度范圍內(nèi),穩(wěn)定的階梯結(jié)構(gòu)位于溫躍層所在深度,階梯高度1～5 m,深度較大的階梯通常是復(fù)合階梯。雙擴(kuò)散階梯發(fā)

2、生在北冰洋的主鹽度躍層,也是密度躍層,是北極中層水與上層水的分界面,躍層強(qiáng)烈的層化和障礙層抑制了海水的垂向湍流混合。雙擴(kuò)散階梯的存在意味著海洋湍流運(yùn)動(dòng)非常微弱,穿越雙擴(kuò)散海域的垂向熱通量很小,微弱的熱損失使得北極中層水在長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中保持其溫度特征。自從1999年起,北極中層水增暖的信號(hào)進(jìn)入加拿大海盆,雙擴(kuò)散階梯的存在使增暖的信號(hào)在北冰洋得以長(zhǎng)距離保持,成為示蹤北極中層水運(yùn)移路徑的重要信號(hào)。基于雙擴(kuò)散熱通量定律,估計(jì)200～300 m

3、深度平均的雙擴(kuò)散熱通量約為0.05～0.22Wm-2,與近期的研究結(jié)果接近,與較早的研究結(jié)果相比大了一倍,可能是中層水增暖導(dǎo)致雙擴(kuò)散熱通量增大。但由于雙擴(kuò)散熱通量遠(yuǎn)小于表面混合層對(duì)海冰的平均熱通量,北極中層水的熱量很少進(jìn)入海洋上層,因此,在加拿大海盆中部和北部,來(lái)自北極中層水的垂向熱通量對(duì)海表面熱收支的影響不是重要的。但是,在加拿大海盆南部海域和海盆邊緣,較強(qiáng)的湍流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致雙擴(kuò)散階梯消失,北極中層水的熱量可能對(duì)上層海洋結(jié)構(gòu)和熱通量產(chǎn)生顯

4、著影響。計(jì)算得到的無(wú)雙擴(kuò)散海域200～300 m深度平均的垂向熱通量約為0.64～0.89Wm-2,比雙擴(kuò)散海域的垂向熱通量大4～10倍。正是這更大的垂向熱通量導(dǎo)致了北極中層水的熱量無(wú)法保持,也導(dǎo)致了中層水增暖信號(hào)被削弱。加拿大海盆的大范圍海域存在雙擴(kuò)散階梯,使中層水增暖信號(hào)在北冰洋得以長(zhǎng)距離保持,但在加拿大海盆南部陸坡附近海域不存在雙擴(kuò)散階梯現(xiàn)象,觀測(cè)發(fā)現(xiàn)那里的中層水增暖信號(hào)也趨于消失,表明那里存在較大的垂向熱通量。選耳義波弗特海,將

5、實(shí)測(cè)的無(wú)雙擴(kuò)散海域劃定為“熱損失帶”,并從兩方面計(jì)算了在這個(gè)海域北極中層水的熱量損失:一方面,基于PP參數(shù)化方案,計(jì)算通過(guò)密度躍層向上的湍流熱擴(kuò)散率約為3.59×1010J/s;另一方面,計(jì)算流入和流出熱損失帶的北極中層水的熱含量之差,用以估計(jì)北極中層水流經(jīng)熱損失帶過(guò)程中熱含量的損失率,計(jì)算的結(jié)果約為6.70×1010J/s。垂向湍流熱擴(kuò)散率與熱含量損失率的量級(jí)相同,表明北極中層水在流動(dòng)過(guò)程中熱含量降低主要是垂向湍流熱擴(kuò)散造成的。雙擴(kuò)散

6、對(duì)流導(dǎo)致的階梯狀均勻混合在加拿大海盆廣泛存在,在雙擴(kuò)散海域北極中層水的熱量很少進(jìn)入海洋上層。而在無(wú)雙擴(kuò)散海域湍流運(yùn)動(dòng)破壞了雙擴(kuò)散階梯,打破了北極中層暖水的物理封閉性。較大的熱量損失表明該海域湍流運(yùn)動(dòng)很強(qiáng),其可能原因有兩個(gè):其一,陸坡海域受側(cè)邊界摩擦的影響,使湍流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),導(dǎo)致北極中層水較大的垂向熱輸運(yùn);另一個(gè)原因是海水的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)可能在波弗特海陸坡附近發(fā)生上升流,上升運(yùn)動(dòng)將密度躍層向上提升。躍層深度變淺將受到表面運(yùn)動(dòng)更大的影響,導(dǎo)致湍流運(yùn)