魏傳杰 于 非 郭景松 刁新源

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黃海西部海洋湍流的季節(jié)變化特征分析*

魏傳杰1, 2于 非1①郭景松3刁新源1

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所 青島 266061)

在2006—2007年開展的“中國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)”項(xiàng)目中, 作者利用自由下降湍流剖面儀MSS60在南黃海海區(qū)分別進(jìn)行了夏、冬、秋季三個(gè)航次的微尺度湍流觀測(cè), 并計(jì)算分析了該海區(qū)的湍動(dòng)能耗散系數(shù), 湍擴(kuò)散系數(shù)等。通過與溫度、流速分布圖對(duì)比, 結(jié)果表明三個(gè)季節(jié)的湍流混合趨勢(shì)大體一致。在沿岸淺水區(qū), 混合作用比較強(qiáng)烈。而深水區(qū)湍流混合的垂直分布明顯地表現(xiàn)出三層結(jié)構(gòu), 混合較強(qiáng)的上混合層和底混合層, 及相對(duì)較弱的中層。風(fēng)混合和潮混合是黃海湍流混合的主要形式。風(fēng)的影響主要表現(xiàn)在海洋上層, 潮流的影響則表現(xiàn)于底層。

南黃海; 湍流混合; 湍動(dòng)能耗散系數(shù); 湍擴(kuò)散系數(shù)

眾所周知, 海洋中存在各種類型的大、中、小尺度的運(yùn)動(dòng), 其能量傳遞過程一般是由大尺度向小尺度傳遞,最終以湍流混合的形式耗散(范植松, 2002)。湍流引起海洋中各種物質(zhì)的混合和擴(kuò)散, 是海洋混合重要而普遍的形式之一。湍流混合對(duì)海水的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量輸運(yùn)有重要貢獻(xiàn)(Thorpe, 1998)。隨著物理海洋學(xué)的不斷發(fā)展, 研究表明海洋湍流在海面波浪破碎、海洋內(nèi)部雙擴(kuò)散及內(nèi)波破碎等方面, 也起了舉足輕重的作用(魏皓等, 2001)。海洋湍流已經(jīng)成為制約物理海洋學(xué)領(lǐng)域研究與發(fā)展的關(guān)鍵。

20世紀(jì)50年代起, 海洋學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到海洋湍流研究的重要意義, 這個(gè)領(lǐng)域開始迅速發(fā)展并取得了顯著的研究成果, 同時(shí)帶動(dòng)了海洋湍流觀測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展。近期針對(duì)這方面的研究我國(guó)的海洋學(xué)者也取得了一定的成果。周磊等(2005)在東海陸架坡折海區(qū)進(jìn)行了湍流混合的直接觀測(cè), 揭示了該海區(qū)的湍流混合特征并研究了該海區(qū)的雙擴(kuò)散現(xiàn)象。梁鑫峰等(2006)基于同一次觀測(cè), 計(jì)算得出了該海區(qū)熱耗散系數(shù)與湍混合系數(shù), 研究分析了該海區(qū)的溫度微結(jié)構(gòu)。楊麗芬等(2008)在南海北部陸坡區(qū)利用自由沉降式湍流剖面儀TurboMAP-Ⅱ進(jìn)行了微尺度過程的觀測(cè), 利用獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算得到了湍動(dòng)能耗散系數(shù)和熱耗散系數(shù)并研究了鹽指現(xiàn)象對(duì)內(nèi)部混合的影響。Liu等(2008)利用自由下降湍流剖面儀MSS60在黃海的潮混合區(qū)和內(nèi)波混合區(qū)域進(jìn)行了湍流的連續(xù)觀測(cè), 給出了黃海特定環(huán)境下湍流混合的特征, 并揭示了湍流混合與潮混合及內(nèi)波混合的關(guān)系。

關(guān)于黃海湍流混合的研究在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段, 對(duì)于該區(qū)域湍流混合的認(rèn)識(shí)還很不深入。近幾年來, 在實(shí)施“中國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)”南黃海區(qū)塊調(diào)查工作中, 我們利用自由下降湍流剖面儀MSS60在南黃海區(qū)進(jìn)行了三個(gè)不同季節(jié)的湍流混合觀測(cè)。本文期望利用這些資料對(duì)該海區(qū)的湍流混合過程做出更客觀的了解, 從而為以后進(jìn)行更深入的研究和其他相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。

1 數(shù)據(jù)處理

在南黃海區(qū)分別進(jìn)行了夏、冬、秋季三個(gè)航次的湍流混合觀測(cè)。觀測(cè)范圍為35°N斷面(見圖1)。在各個(gè)航次的觀測(cè)中, 利用德國(guó)Sea&Sun Technology公司出產(chǎn)的自由下降湍流剖面儀MSS60進(jìn)行了微尺度湍流的直接觀測(cè), 每個(gè)站點(diǎn)至少進(jìn)行3次垂直剖面的觀測(cè), 以求獲得較為真實(shí)的數(shù)據(jù)。同時(shí)輔以采用Seabird911CTD進(jìn)行的溫、鹽、深的水文觀測(cè)、利用LADCP進(jìn)行的流速觀測(cè)等。

圖1 中國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)南黃海海區(qū)35°N 觀測(cè)斷面圖

其中為儀器的下降速度。湍動(dòng)能耗散系數(shù)則根據(jù)下式求得:

在實(shí)際觀測(cè)中, 一些系統(tǒng)誤差會(huì)引起剪切功率譜的漂移, 例如儀器下降速度的測(cè)量誤差及剪切探頭的校準(zhǔn)誤差等。因此在功率譜積分之前, 作者將得到的剪切功率譜與普適的湍流曲線(Nasmyth spectrum)進(jìn)行比對(duì), 選擇合適的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分(Yamazaki, 1990; Wesson, 1994)。如圖2所示, 實(shí)際觀測(cè)得到的湍流剪切譜()與Nasmyth spectrum符合較好。

湍擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)Osborn(1980)提出的公式求得,

2 南黃海西部海洋湍流的觀測(cè)分析

2.1 2006年夏季南黃海35°N斷面湍流混合特征

2006年夏季航次中, 針對(duì)南黃海35°N斷面的湍流觀測(cè)共計(jì)7個(gè)站位。圖3中給出了觀測(cè)斷面的溫度結(jié)構(gòu), 圖中顯示: 等溫線的分布呈現(xiàn)臺(tái)狀結(jié)構(gòu)。斷面西側(cè)水深較淺, 溫度分布呈垂直均勻狀。而在其東側(cè)的外部海域?yàn)閷踊瘏^(qū), 水溫垂直分布基本上呈現(xiàn)三層結(jié)構(gòu): 約10m以淺為上均勻?qū)?。隨深度增加水溫遞減顯著, 約在10—30m間形成強(qiáng)的溫躍層; 溫躍層以下的水層為垂直分布均勻的低溫冷水層, 其水溫大多小于10℃, 此即為冷水團(tuán)覆蓋區(qū)。在斷面東西兩側(cè)流速較強(qiáng), 東側(cè)流速為30cm/s左右; 而西端流速在10cm/s以上(圖4)。但在斷面的中部, 流速較弱。在調(diào)查斷面上, 上層實(shí)測(cè)流的流向呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

利用夏季航次南黃海35°N斷面獲得的湍流觀測(cè)資料, 我們計(jì)算給出了斷面上湍動(dòng)能耗散系數(shù)、湍擴(kuò)散系數(shù)的分布。從湍動(dòng)能耗散系數(shù)的分布(圖5)可以看出, 沿岸淺水區(qū)在較強(qiáng)的太陽輻射和潮流作用下, 形成強(qiáng)混合區(qū), 湍流混合明顯強(qiáng)于35°N斷面東側(cè)的外部海域, 表現(xiàn)為值大于斷面東側(cè)的深水區(qū)。沿岸淺水區(qū)的湍動(dòng)能耗散系數(shù)量級(jí)在10-6, 在40—50m等深線范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的水平變化梯度, 斷面東側(cè)深水區(qū)的量級(jí)減少, 主要在10-8—10-7, 基本差了1個(gè)量級(jí)。在35°N斷面東側(cè)的深水區(qū), 湍動(dòng)能耗散系數(shù)垂直分布明顯的表現(xiàn)出三個(gè)層次, 由于海面升溫和風(fēng)的共同作用, 觀測(cè)海區(qū)內(nèi)的表層(小于30m)混合明顯強(qiáng)于中層及底層,的量級(jí)在10-6。在躍層區(qū), 湍動(dòng)能耗散系數(shù)出現(xiàn)較大的垂直變化梯度。躍層以下為黃海冷水團(tuán)覆蓋區(qū), 水體相對(duì)穩(wěn)定, 混合較弱, 湍動(dòng)能耗散系數(shù)的量級(jí)在10-8—10-7。而在底邊界層中, 潮流在海底摩擦作用下產(chǎn)生強(qiáng)湍流耗散, 使得海水混合加強(qiáng), 湍動(dòng)能耗散系數(shù)的量級(jí)在10-7左右。

圖2 根據(jù)水平流速剪切計(jì)算的剪切功率譜y(k)與相應(yīng)尺度的Nasmyth spectrum的比較

圖3 夏季航次南黃海35°N斷面溫度分布

圖4 夏季航次南黃海35°N斷面流速分布

與湍動(dòng)能耗散系數(shù)的分布相似, 斷面的湍擴(kuò)散系數(shù)在上層和底層的量值較大。而在冷水團(tuán)內(nèi)部的湍擴(kuò)散系數(shù)較小, 量級(jí)在10-5附近。在垂直均勻分布的淺水混合區(qū), 湍擴(kuò)散系數(shù)依舊出現(xiàn)較強(qiáng)值。

圖5 夏季航次南黃海35°N斷面湍動(dòng)能耗散系數(shù)的垂直分布圖

2.2 2006/2007年冬季南黃海35°N湍流混合特征

2007年冬季航次中, 在南黃海35°N斷面共進(jìn)行8個(gè)站位的混合觀測(cè)。圖6是冬季航次中南黃海35°N斷面溫度結(jié)構(gòu)圖, 冬季強(qiáng)冷北風(fēng)和海面冷卻的共同作用下, 使整個(gè)調(diào)查區(qū)水溫垂直分布基本呈現(xiàn)出海面至海底為均勻一致的狀態(tài)。但需要指出的是, 由于受黃海暖流影響, 在斷面東側(cè)的水溫明顯高于西側(cè), 且在近底層出現(xiàn)了弱的溫躍層。斷面流速分布不均勻, 強(qiáng)、弱流速相間出現(xiàn)(圖7)。在斷面中部, 有兩塊海域流速很弱, 僅為10cm/s左右; 而在斷面東端, 流速較強(qiáng), 其值為60—70cm/s。斷面西端流速亦較強(qiáng)。

圖6 冬季航次南黃海35°N斷面溫度分布

通過湍動(dòng)能耗散系數(shù)的分布(圖8)可以看出, 斷面西側(cè)的淺水區(qū)混合直達(dá)海底, 湍動(dòng)能耗散系數(shù)的量級(jí)主要在10-7—10-6之間。與夏季不同, 強(qiáng)的湍流混合主要是由于強(qiáng)風(fēng)和潮混合作用造成的。以40—50m等深線為界限, 斷面東側(cè)深水區(qū)的混合明顯減弱, 但仍清晰的表現(xiàn)為三個(gè)層次, 上混合層與底層仍然是較強(qiáng)的混合區(qū), 湍動(dòng)能耗散系數(shù)的量級(jí)皆較大, 風(fēng)生混合和潮混合各自影響的深度范圍與夏季相當(dāng)。在海水中部黃海暖流持續(xù)穩(wěn)定存在, 呈現(xiàn)層流狀態(tài), 湍流運(yùn)動(dòng)較弱, 湍動(dòng)能耗散系數(shù)的量級(jí)在10-8左右。對(duì)比圖4與圖7中可以看出, 與夏季相比冬季流速垂直分布更加均勻, 垂直速度剪切較弱, 湍流能量減弱, 這就造成了弱混合區(qū)域范圍的擴(kuò)大。與夏季相同, 斷面的湍擴(kuò)散系數(shù)與湍動(dòng)能耗散系數(shù)的分布趨勢(shì)基本一致。

圖7 冬季航次南黃海35°N斷面流速分布

圖8 冬季航次南黃海35°N斷面湍動(dòng)能耗散率的垂直分布

2.3 2007年秋季南黃海35°N湍流混合特征

2007年秋季航次中, 南黃海35°N斷面的混合觀測(cè)共有9個(gè)站位。秋季水溫逐漸下降, 水溫分布正向冬季的特征轉(zhuǎn)化。與夏季相比, 最主要的變化是, 盡管水溫垂直分布仍基本保持為三層結(jié)構(gòu), 但溫躍層已明顯下沉(圖9), 且強(qiáng)度明顯減弱。同時(shí), 躍層明顯呈傾斜狀, 由西向東上傾。而下均勻?qū)痈采w的水域很小。調(diào)查斷面東西兩側(cè)的流速較強(qiáng), 但中部的流速較弱(圖10)。斷面西側(cè)的流速又強(qiáng)于斷面東側(cè)。

從圖11中湍動(dòng)能耗散系數(shù)的分布來看, 秋季的淺水區(qū)依然是強(qiáng)混合區(qū), 湍動(dòng)能耗散系數(shù)的量級(jí)在10-7—10-6之間, 而在斷面東側(cè)的深水區(qū), 太陽輻射和弱風(fēng)共同作用阻礙了海水上層湍流的產(chǎn)生, 從而出現(xiàn)了較大區(qū)域的弱混合, 湍動(dòng)能耗散系數(shù)的量級(jí)普遍較小。湍動(dòng)能耗散系數(shù)水平梯度變化最大的區(qū)域出現(xiàn)在40—50m等深線范圍內(nèi)。與夏季相比, 湍動(dòng)能耗散系數(shù)在躍層附近出現(xiàn)的切變并不十分明顯。在黃海冷水團(tuán)覆蓋區(qū)垂直流速剪切呈現(xiàn)低值, 混合依舊較弱。潮流的底摩擦作用依然使底層出現(xiàn)較強(qiáng)的混合。斷面的湍擴(kuò)散系數(shù)與湍動(dòng)能耗散率的分布相對(duì)應(yīng)。

圖9 秋季航次南黃海35°N斷面溫度分布

圖10 秋季航次南黃海35°N斷面流速分布

圖11 秋季航次南黃海35°N斷面湍動(dòng)能耗散率的垂直分布圖

3 討論與結(jié)論

黃海平均水深為44m, 是一個(gè)典型的強(qiáng)潮區(qū)陸架淺海。風(fēng)應(yīng)力和潮流是黃海最主要的動(dòng)力因素, 其中兩者在邊界層內(nèi)造成的能量耗散是湍流混合的主要能量來源。因此, 風(fēng)混合和潮混合是黃海湍流混合的主要形式。風(fēng)應(yīng)力驅(qū)使海水產(chǎn)生風(fēng)浪、漂流等, 加劇海面擾動(dòng), 產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流從而對(duì)混合起增強(qiáng)作用, 所以海洋上層的湍動(dòng)能耗散在很大程度上受到海表面風(fēng)速變化的影響。在淺海, 風(fēng)生混合有時(shí)可直達(dá)海底。與風(fēng)生混合不同, 潮混合效應(yīng)通常是由海底向上擴(kuò)展的。在淺海區(qū), 潮流與海底產(chǎn)生摩擦作用, 使流動(dòng)產(chǎn)生較大的速度剪切而造成湍流混合, 形成性質(zhì)均勻的底混合層。

從三個(gè)季節(jié)各種參量的斷面分布可以看出, 湍流混合的趨勢(shì)大體一致。在沿岸淺水區(qū), 湍流混合作用比較強(qiáng)烈。而深水區(qū)湍流混合的垂直分布明顯地表現(xiàn)出三層結(jié)構(gòu), 湍流混合較強(qiáng)的上混合層和底混合層, 及相對(duì)較弱的中層。值得注意的是, 在冬季強(qiáng)冷北風(fēng)和海面冷卻的共同作用下, 使整個(gè)調(diào)查斷面的各水文要素垂直分布基本呈現(xiàn)出海面至海底為均勻一致的狀態(tài)。但在斷面東側(cè)的深水區(qū), 湍流混合的趨勢(shì)依然表現(xiàn)為明顯的三層結(jié)構(gòu), 海洋的上層與底層為較強(qiáng)的湍流混合區(qū)域, 中層湍流混合較弱。由于風(fēng)生混合和潮混合各自擴(kuò)展的深度范圍有限, 深水區(qū)兩種混合的影響無法貫通整個(gè)水體, 這就造成了中層海水出現(xiàn)相對(duì)弱的湍流混合。在淺海, 底混合層有時(shí)可以發(fā)展到與上混合層相貫通, 從而導(dǎo)致海水在鉛直方向上的混合普遍較強(qiáng)。

同時(shí)觀測(cè)表明, 躍層對(duì)潮流和風(fēng)的混合擴(kuò)散具有抑制作用, 尤其是風(fēng)混合。在夏季, 表層海水增溫和淡化顯著, 形成穩(wěn)定層結(jié), 湍流混合減弱, 上混合層的深度變淺。在上混合層的下界, 混合強(qiáng)度減弱, 加之躍層的抑制作用, 湍動(dòng)能耗散系數(shù)在躍層附近出現(xiàn)較大的垂直變化梯度。秋季航次35°N斷面調(diào)查期間天氣良好, 太陽輻射和弱風(fēng)共同作用阻礙了海水上層湍流的產(chǎn)生, 從而造成了斷面東側(cè)的深水區(qū)表層海水較弱的混合。秋季躍層已明顯下沉至上湍流混合層之下湍流底混合層之上的區(qū)域, 在這個(gè)區(qū)域內(nèi)混合普遍較弱, 同時(shí)躍層強(qiáng)度減弱導(dǎo)致其抑制作用減小, 從而使湍動(dòng)能耗散系數(shù)在躍層附近的切變并不明顯。

通過觀測(cè)資料分析黃海湍流混合變化規(guī)律, 得到一些初步認(rèn)識(shí)。但海洋的內(nèi)部混合過程比較復(fù)雜, 要全面客觀理解該海區(qū)的微細(xì)結(jié)構(gòu)或小尺度過程, 今后還需要開展更深入的研究工作。

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SEASONAL VARIATION OF OCEAN TURBULENCE IN THE WESTERN YELLOW SEA

WEI Chuan-Jie1,2, YU Fei1, GUO Jing-Song2, DIAO Xin-Yuan1

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049; 3. First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China)

Using the data acquired with Microstructure Profiler MSS60 during the, turbulent kinetic energy dissipation rate and diffusivity in three seasons between 2006 and 2007 are estimated in the southern Yellow Sea. Our results reveal that mixing tends to be intensive in the coastal region where water is well-mixed. Away from the coast, mixing become more intensive in the near-surface and bottom layers than in the layers in-between. By combing the in situ observations, we suggest that mixing in the Yellow Sea is controlled by both tide and wind. Wind determines the strength of mixing in the upper layer, whereas tide mainly affects bottom mixing.

the southern Yellow sea; turbulent mixing; dissipation; diffusivity

10.11693/hyhz20121205001

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 41206020號(hào), 41176018號(hào); 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng), XDA11020301。魏傳杰, 碩士, 工程師, E-mail: weicj@qdio.ac.cn

于非, 博士, 研究員, E-mail: yuf@ms.qdio.ac.cn

2012-12-05,

2013-04-28

P731.1