強(qiáng)潮驅(qū)陸架海中的湍流與混合.pdf

1、占全球海洋總面積8％的陸架海是海洋中物理、生物活動最為密集的區(qū)域．存陸架海中，湍流混合是眾多物理、生化過程的核心，它是水體結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)鹽通量的關(guān)鍵控制因子，并控制著初級生產(chǎn)率及顆粒物的沉降、再懸浮、絮凝與解凝過程．利用在黃海與Clyde海兩典型強(qiáng)潮驅(qū)陸架海中湍流混合的直接觀測，本文對強(qiáng)潮驅(qū)陸架海中的湍流混合特征及其機(jī)理進(jìn)行了較為深入與系統(tǒng)的研究． 通過對弱層化季節(jié)黃海兩對比性站位(潮流類型分別為往復(fù)型與旋轉(zhuǎn)型)處潮流結(jié)構(gòu)與湍流混合

2、特征的研究，本文發(fā)現(xiàn)往復(fù)型與旋轉(zhuǎn)型潮流中潮混合特征顯著不同： 1、在往復(fù)型潮流中，水體不同深度處水平流速垂直剪切的位相基本一致，而在旋轉(zhuǎn)型潮流中，由海底摩擦作用于潮流而產(chǎn)生的強(qiáng)流速剪切由海底緩慢向上傳播； 2、在往復(fù)型潮流中，由平均流速的對數(shù)分布所估計(jì)出的海底摩擦速度與由實(shí)測高頻流速直接計(jì)算的結(jié)果基本相當(dāng)，而在旋轉(zhuǎn)型潮流中，前者是后者的二倍．分析表明，潮流的旋轉(zhuǎn)、由局地地形造成的型阻以及水體的弱層化可能是上述差異產(chǎn)生的原

3、因； 3、經(jīng)典的壁湍流理論以及湍封閉模型中經(jīng)常采用的湍動能與其耗散率間的關(guān)系對于弱層化的往復(fù)型潮流是成立的，而在旋轉(zhuǎn)型潮流中，壁湍流理論需要進(jìn)行修正． 對強(qiáng)層化季節(jié)黃海兩對比性站位(分別位于中央海盆區(qū)與局地陸坡區(qū))處層化、內(nèi)波以及湍流混合特征的研究結(jié)果表明： 1、強(qiáng)層化季節(jié)的陸架海水體一般呈現(xiàn)顯著的三層熱鹽結(jié)構(gòu)，在水體近乎混合均勻的上混合層與潮流底邊界層之間為強(qiáng)躍層； 2、近表層水體的湍流混合強(qiáng)度主要由海

4、表浮力通量的日變化與海表風(fēng)強(qiáng)迫控制，而在潮流底邊界層內(nèi)，潮混合是水體熱量、物質(zhì)、動量與能量垂直交換的主要機(jī)制； 3、潮混合影響的深度由潮流大小決定，在黃海，一般可達(dá)10-15 m，因此，在水深較深的區(qū)域，在躍層與潮混合所至深度范圍的上界之間存在湍流混合非常弱的區(qū)域，這顯著抑制水體內(nèi)物質(zhì)的垂直通量，為物質(zhì)垂直交換的瓶頸，而在水深較淺的區(qū)域，潮混合影響范圍可至躍層底部，因此物質(zhì)在躍層以下整個(gè)水體中混合非常均勻，當(dāng)躍層內(nèi)間歇性強(qiáng)混合發(fā)

5、生時(shí)，可以產(chǎn)生顯著的跨躍層物質(zhì)輸運(yùn)； 4、近底潮致強(qiáng)湍流耗散緩慢地向上傳播，底上不同深度處垂直湍擴(kuò)散系數(shù)也具有顯著的位相差異，且二者均隨時(shí)間呈現(xiàn)四分之一周日周期的變化； 5、在地形較為平坦的中央海盆區(qū)，內(nèi)波活動非常微弱，因此躍層內(nèi)湍流混合非常弱，垂直擴(kuò)散系數(shù)為分了擴(kuò)散水平，跨躍層物質(zhì)通量受到顯著抑制，而在地形變化較為顯著的局地陸坡區(qū)，內(nèi)波活動非?；钴S，除內(nèi)潮的影響外，高頻內(nèi)波與內(nèi)孤立波的影響也很顯著，因此躍層內(nèi)存在很強(qiáng)的

6、間歇性強(qiáng)混合，內(nèi)孤立波存在的區(qū)域，水體湍流混合顯著增強(qiáng)． 基于剪切不穩(wěn)定的線性理論，本文研究了強(qiáng)層化強(qiáng)潮驅(qū)陸架海中水體的動力穩(wěn)定性。結(jié)果表明： 1、一般來講水體并不處于一些研究者所認(rèn)為的臨界穩(wěn)定性狀態(tài)，而可能是很不穩(wěn)定或很穩(wěn)定； 2、雖然強(qiáng)潮驅(qū)陸架海中實(shí)際流動所對應(yīng)的臨界梯度Richardson數(shù)有時(shí)非常接近Miles Howard臨界值0.25，但在很多情況下其顯著小于0.25，因此在實(shí)際應(yīng)用中簡單地取0.25