基于精细温度观测的南海东北部陆坡-深海盆底层湍流混合*

南海是存在强湍流混合的边缘海之一, 但前人对南海湍流混合的研究更多关注的是中上层, 对底层则鲜有关注。本文基于高分辨率温度传感器于2019年5月在南海东北部22个站位海底上方0.5m处持续观测4.4d的温度数据, 分析了2216~3200m深度范围内底层海水温度的时间变化特征, 并探讨了地形粗糙度和内潮对底层湍流混合的影响。分析结果表明, 南海东北部各站位底层海水的温度变化量级约为10^-4~10^-3℃; 温度变化趋势与正压潮变化趋势不同, 温度能谱显示多数站位在全日和半日频带区间出现谱峰, 温度变化更多地受斜压潮影响, 全日、半日内潮起主要调制作用。陆坡-深海盆过渡区及深海盆底层的湍动能耗散率量级为10^-10~10^-9m²∙s^-3, 涡扩散系数量级为10^-4~10^-3m²∙s^-1。观测数据未能显示底层湍流混合与地形粗糙度存在明显的相关性。底层湍流混合的空间分布与过去观测到的南海北部深海盆内潮的南北不对称性分布一致。     

夏季长江口及其邻近海域湍流特征分析

利用2019年7月在长江口科学考察实验研究夏季航段(NORC2019-03-02)中获得的MSS90L湍流剖面仪的直接观测数据,本文计算并分析了该断面的湍动能耗散率ε和垂向湍扩散系数K_Z的分布情况。湍动能耗散率的大小为1.72×10?10～2.95×10?5 W/kg;垂向湍扩散系数的大小为3.24×10?7～4.55×10?2 m2/s。湍动能耗散率和垂向湍扩散系数的分布相似,均为上层最强,底层次之,中层最弱。上层由于风应力的作用,使得湍动能耗散率和垂向湍扩散系数较大;温跃层处层化较强,抑制了湍动能的耗散和垂向上的湍混合。盐度锋面的次级环流会促使低盐水团脱离,锋面引起的垂向环流会加强海洋的湍混合。低盐水团与外界的能量交换较少,湍动能耗散率较弱。长江口海区存在明显的上升流和下降流,它们是由锋面的次级环流产生的;上升流和下降流的存在促进湍动能的耗散与湍混合。     

利用高分辨率水体反射地震资料研究吕宋海峡以东黑潮区混合

混合过程是海洋中普遍存在的一种形式, 对气候变化、物质分布等起到了重要作用。地震海洋学是近十多年发展起来的一门新兴学科, 被广泛应用到物理海洋学问题的研究中, 具有高空间分辨率的突出优点。文章利用反射地震资料, 通过斜率谱方法, 分别获得了吕宋海峡以东黑潮区湍流段与内波段的耗散率及扩散率。结果显示, 在剖面深度200~800m的平均耗散率为10 ^-7.0W·kg ^-1, 平均扩散率为10 ^-3.3m ²·s ^-1, 比大洋统计均值10 ^-5.0m ²·s ^-1高约1~2个量级, 与前人在吕宋海峡的观测结果相一致。湍流段和内波段的扩散率空间分布差异较大: 湍流段扩散率高值区对应强流区域, 推测这里是中尺度涡边缘, 其次中尺度不稳定过程引起扰动增强, 进而引起湍流混合的加强; 内波段扩散率高值区出现在吕宋岛弧附近, 推测是内波遇到岛弧地形发生破碎, 进而引起强的内波混合。     

变性绕极深层水入侵时南极普里兹湾湍流混合特征研究

基于中国第28、29和31次南极科学考察中的CTD数据,利用Thorpe尺度方法计算了普里兹湾及其附近海域湍动能耗散率,分析了其分布特征,并对当地的水团结构进行研究.结果表明,普里兹湾及其附近海域中,前两个航次观测中次表层湍动能耗散率强度在陆架坡折区域达到最大.在水团分布方面,在第28和29航次中均观测到了变性绕极深层...     

夏季长江河口层化与湍流混合特征分析

利用2016年夏季长江河口现场水文特性与湍流微结构观测资料, 分析了长江河口水体温盐结构、层化发育、湍流与混合特征。结果表明: 1)夏季长江河口水体密度层化结构明显, 根据各层水体密度梯度差异, 可将水体分为底部混合层和上层密度跃层, 两部分的密度层化界限与浮力频率等值线lg N ² = - 4.0接近。2)底部混合层湍动能耗散率大, 层化结构弱, 水体分层稳定性弱; 上层密度跃层湍动能耗散小, 层化结构强, 水体分层稳定性强, 这有利于河口内波的发育与传播。3)在密度层化的作用下, 水体的湍动能耗散率、湍动能剪切生成及浮力通量的能量关系在一定范围内符合湍动能局部能量平衡方程。不同层之间的湍流弗劳德数Fr_t和湍流雷诺数Re_t在Fr_t-Re_t平面上呈现明显的分区, 与经典的分层剪切流理论基本吻合。     

基于舟山外海连续测站的湍混合研究

利用2010年4月3日在舟山外海观测的25hLADCP海流数据与CTD连续观测数据,综合利用Thorpe方法、功率谱分析、交叉谱分析等方法对测站所在海域的小尺度湍混合参数进行估计,分析并讨论了其时空分布特征及影响因子。研究结果表明,上混合层湍流所致的垂向翻转尺度普遍大于下混合层,较大尺度翻转均出现在潮位峰值附近,涨潮时段混合明显大于落潮时段且半日周期,1/4周期显著。该站点存在明显的"上强下弱"双密度跃层现象,湍动能耗散率、湍混合率也呈现出"表强底弱"特征。弱跃层中近惯性频率的内波和近半日潮频率的内潮信号最为显著,而强跃层中则是高频内波和近半日潮频率的内潮信号明显,上下跃层及其之间伴有间歇性强湍流发生。上混合层平均的湍混合对风应力的响应要快于对海流的响应,底应力是下混合层水体湍混合的重要因子。     

渤海弱层化期湍流混合观测特征分析

利用2017年9月在渤海共享航次中取得的湍流混合直接观测数据,本文研究了渤海海域湍流混合的空间分布特征及有关的影响因素。9月观测海区水体垂向层结较弱,莱州湾受黄河冲淡水影响出现高温低盐结构,位于渤海中央浅滩南北两侧洼地的双中心冷水结构依旧存在。湍流观测结果表明湍动能耗散率在10~(-9)～10~(-5)W/kg之间变化,统计上满足对数正态分布。耗散率强值区出现在辽东湾及渤海湾湾口近岸处,相应的垂向湍扩散系数约为10~(-6)～10~(-2)m~2/s。垂向上,水体表、底层混合较强,进一步研究发现弱层化水体的平均湍动能耗散率〈ε〉与风速和正压潮流速的大小存在正相关关系。另一方面,耗散率ε与浮性频率N近似满足ε=2.0×10~(-8)+3.0×10~(-7)(N~2/N_0~2)~(-5)的拟合函数关系,反映了层化对水体垂向混合的抑制作用。     

依据水文强化观测计算胶州湾水体混合参数

根据2001年夏季胶州湾连续站观测资料,从分析潮汐、潮流特征和温度、盐度变化趋势入手,计算了湍动能耗散率和密度扩散系数.借助调和分析、谱分析、线性回归和经验正交分析方法,得到各观测要素的统计特征,并讨论其成因.研究表明,胶州湾以半日潮振荡占优,水平潮流表现为往复流的形式;由于观测前台风过境,降水骤增,径流量变大,温度、盐度层化显著,并伴随湾内与外海水交换的进行,温/盐与潮位分别表现为显著的负/正相关,盐度逐日升高并趋于新的平衡;湍动能耗散率和密度扩散系数的量级分别为10-5w·m-3和10-6m2·s-1,受强潮流剪切影响该值明显高于陆架边缘海域,其空间主要模态表现为表层小、底层大,相应时间系数存在大约6h的显著周期.     

南海中部上层海洋湍流混合的空间分布特征及参数化模型

通过对2010年5月南海16°N和14.5°N断面的湍流微结构剖面观测资料分析,给出了南海海盆上层湍流混合空间分布特征:在16°N断面上,上层10~400m垂向平均湍动能耗散率ερ在东侧略大于西侧;相反,在14.5°N断面上,西侧ερ均值约是东侧ερ的4倍,其中,西侧110.5°~111°E的ερ的平均值为2.6×10-6 W/m3,东侧118.5°E的ερ仅为5.89×10-7 W/m3。通过分析细结构剪切和湍流混合的相关性,发现剪切是南海中部上层强湍流混合的主要驱动力,揭示了高模态内波破碎可能是湍流混合的主要机制。另外,研究了大洋中的3种参数化模型,发现适用于大洋近海的参数化MacKinnon-Gregg(MG)模型能较好地用浮频和剪切估算南海中部深海区上层湍流耗散率。     

基于高频ADCP资料的磨刀门河口羽状流湍流动力特征

利用1 200 kHz的宽频RDI ADCP于2015年7月在磨刀门河口拦门沙前缘的浅水站和沿岸流影响的深水站进行座底观测,采样频率为1 Hz,数据经滤波去噪处理,应用方差方法分析了磨刀门的羽状流湍流动力特征。结果表明,磨刀门河口水流表现出3层流结构,峰值流速出现在表层的羽状流层,深水区雷诺应力量级为10-3~10-5 m2/s2,小于拦门沙前缘的湍流脉动强度;拦门沙前缘和深水区湍流动能密度参数的范围均在0.01~0.6 m2/s2左右,羽状流的湍动能比底边界层高一个数量级。拦门沙前缘羽状流的湍动能生成率量级约为10-3 W/kg,比底层大2~3个量级,且远强于深水区;垂直涡黏系数的大小约为0~0.15 m2/s。总的来说,羽状流表现出层化稳定、混合强烈,以及高的湍动能生成率,为羽状流携带高浊度悬沙离岸远距离搬运提供了湍流动力条件。     

黑潮延伸体区跨等密度面湍流混合的次季节变化

海洋中的跨等密度面湍流混合对于热量和淡水输送、翻转环流以及全球气候变化都有重要影响,理解跨等密度面湍流混合的变化对于改进气候模式模拟和预测大尺度海洋环流的能力具有重要作用.基于细尺度参数化方法,本文利用黑潮延伸体区的一个长期潜标K7观测,对跨等密度面湍流混合的次季节变化进行了分析.结果 表明,在2004年6～9月,30...     

深圳湾浮游细菌生物量的时空动态及影响因素

自2015年5月至2016年3月在深圳湾布设了3个站位,对该海域进行了每季至少1次共7个航次的浮游细菌生物量调查。结果表明:(1)深圳湾浮游细菌生物量季节均值的变化范围为(4.90~86.90)×10^-2μg·mL^-1,总均值为3.14×10^-1μg·mL^-1;(2)深圳湾浮游细菌生物量的季节变化模式为:冬季(5.98×10^-1μg·mL^-1)>秋季(3.02×10^-1μg·mL^-1)>夏季(2.79×10^-1μg·mL^-1)>春季(7.52×10^-2μg·mL^-1);(3)从空间分布来看,浮游细菌生物量湾中含量最高,湾口其次,湾顶最低;(4)深圳湾浮游细菌生物量与亚硝氮含量呈极显著的正相关(P<0.01),与氨氮含量呈显著正相关(P<0.05);(5)深圳湾水体中浮游细菌丰度季节均值变化范围为(2.45~43.50)×10⁶个·mL^-1,年均值达1.57×10⁷个·mL^-1;(6)从整体的细菌丰度及生物量来看,深圳湾海域呈现富营养化状态,湾中最严重,湾口次之,湾顶最轻。     

西南印度洋龙方斤热液区羽流信号的检测与通量估算

热液流体在物理化学特征方面与周围海水存在较大差异,探测温度异常和浊度异常是寻找热液羽状流信号的重要手段。本文采用“大洋一号”科考船第20航次的拖曳CTD数据和浊度数据,以及21航次的定点CTD数据,研究了西南印度洋龙方斤热液区的温度异常和浊度异常现象。研究表明热液区中性浮力层在水深2 550~2 650 m间,厚度约为100 m,温度异常达0.01 ℃;水深 2 750~2 800 m间亦有温度异常,最大可达0.08 ℃;温度异常水深处存在相应的浊度异常。深层背景海水位温和位密间存在简单线性关系。此外,经初步估计,热液活动区初始浮力通量为8.78×10^-4 m⁴/s³;通过中性浮力层估算热液热通量,约为130±43 MW。     

Estimation of turbulent kinetic energy dissipation rate in the bottom boundary layer of the Pearl River Estuary

A structure function approach is applied to estimate the turbulent kinetic energy(TKE) dissipation rate in the bottom boundary layer of the Pearl River Estuary(PRE).Simultaneous measurements with an acoustic Doppler velocimeter(ADV) supplied independent data for the verification of the structure function method.The results show that,1) the structure function approach is reliable and successfully applied method to estimate the TKE dissipation rate.The observed dissipation rates range between 8.3×10 4 W/kg and 4.9×10 6 W/kg in YM01 and between 3.4×10 4 W/kg and 4.8×10 7 W/kg in YM03,respectively,while exhibiting a strong quarter-diurnal variation.2) The balance between the shear production and viscous dissipation is better achieved in the straight river.This first-order balance is significantly broken in the estuary by non-shear production/dissipation due to wave-induced fluctuations.     

Validation of turbulence closure parameterisations for stably stratified flows using the PROVESS turbulence measurements in the North Sea

A number of parameterisations for the simulation of mixing processes in the thermocline are compared and tested against the microstructure data of the PROVESS campaigns, conducted in the northern part of the North Sea during the autumn of 1998. The transport term in the turbulent kinetic energy equation is parameterised via the introduction of a third stability function S_k for turbulent energy diffusion. The formulations are compared with a simpler scheme based upon limiting conditions for turbulence variables. Improved results are obtained with a new form of S_k. The best agreement is, however, found with the simpler limiting scheme. This is explained in terms of a turbulence length scale theory for stably stratified turbulence. In agreement with previous laboratory and ocean data it is found that the ratios of the Thorpe and Kolmogorov scales to the Ozmidov length scale approach critical limiting values in the thermocline. The first of these conditions is satisfied when limiting conditions are implemented into the scheme, providing the necessary minimum value for the dissipation rate, whereas the schemes without limiting conditions fail to produce this critical ratio. The basic reason for this failure is that the Thorpe scale is overestimated, which is shown to be connected to an even larger overprediction of the dissipation rate of temperature variance. To investigate the impact of non-resolved advective processes and salinity stratification on the turbulence predictions, additional numerical experiments were conducted using a simple scheme for data assimilation. The best agreement is found again with the limiting scheme, which is able to make reasonable predictions for the dissipation rate without knowing the detailed shape of the mean stratification profile. It is shown that advective transport due to tidally and wind-driven motions has a non-negligible impact on vertical mixing. This is seen in the data and the models by periodic enhancements of turbulent mixing inside the thermocline.