赤道深层急流动力机制初步探讨

多年现场观测揭示,在大洋深层许多区域存在出人意料的高能区,诸如在赤道1000～3000m深度间存在着东西流向随深度交替变化的急流,本文提出连系不同密度水体输运的局部浮力振荡所产生的波动以及关连的能量辐射和沿赤道产生的局部能量辐聚是形成赤道深层急流的主要动力机制.本文结果还揭示,铅垂向湍粘系数和湍扩散系数的大小与赤道深层急流的结构和强度间存在密切的关系.对应大的铅垂向湍粘系数和湍扩散系数,急流强度减弱且其纬向相干尺度和铅垂尺度增大.另外不同周期的浮力振荡产生不同结构和强度的急流.振荡周期越长,急流的核心位置离东边界越远、沿赤道的相干尺度也越大.     

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。     

加拿大海盆冰下表层海水湍扩散系数估计

海洋的湍粘性系数和湍扩散系数是研究海洋动量传输、热扩散和物质扩散的物理基础,是海洋模式的重要参数。北冰洋是海冰覆盖的海洋,其湍粘性系数和湍扩散系数与其他大洋有显著不同。本文以Pacanowski＆Philander的参数化方案为基础,采用二次北极科考的连续观测冰站和单次观测冰站的资料,定量计算了加拿大海盆74°N-78°N,144°W-164°W区域冰下60 m以浅的垂向湍粘性系数v和湍扩散系数kT,并分3个区域比较。结果表明：v和kT的垂向分布具有较好的一致性,表层和60 m处量值较大,中间较小;区域的不同主要体现在24 m以浅。     

南极普里兹湾海域湍流扩散系数估计

基于Thorpe尺度方法,利用CTD数据,计算了南极普里兹湾海域的Thorpe尺度和湍流扩散系数,分析了观测区域(64°～69°S,66°～80°E)湍流翻转现象的强弱及分布。结果表明,在海底和地形粗糙区存在较大的Thorpe尺度(较强湍流翻转)和湍流扩散系数,湍流扩散系数最大值能达到10^-2m²/s量级,比平坦开阔海洋高2～3个数量级,部分观测站位的湍流扩散系数和湍动能耗散率表现出大-小-大的垂向分布结构,总水深较深的区域尤为明显;深水区域的浮力频率在海表面到500 m层比较大,浅水区域该现象不明显;湍动能耗散率在(67.25°S,73°E)周围和经度为78°E的各站位都表现相对较大,能达到10^-6 w/kg量级,个别站位甚至能达到10^-5 w/kg量级。     

黄海西部海洋湍流的季节变化特征分析

在2006—2007年开展的"中国近海海洋综合调查与评价"项目中,作者利用自由下降湍流剖面仪MSS60在南黄海海区分别进行了夏、冬、秋季三个航次的微尺度湍流观测,并计算分析了该海区的湍动能耗散系数ε,湍扩散系数κ等。通过与温度、流速分布图对比,结果表明三个季节的湍流混合趋势大体一致。在沿岸浅水区,混合作用比较强烈。而深水区湍流混合的垂直分布明显地表现出三层结构,混合较强的上混合层和底混合层,及相对较弱的中层。风混合和潮混合是黄海湍流混合的主要形式。风的影响主要表现在海洋上层,潮流的影响则表现于底层。     

基于海豹观测的阿拉斯加湾东部陆坡海域逆温现象及其衰退机制

利用2014年3–4月北象海豹携带的自动温盐深仪（CTD-SRDL）在阿拉斯加湾东部陆坡海域上采集到的温盐剖面数据,分析了该海域逆温现象的空间分布和演变过程。结果显示,研究海域存在明显的逆温现象,逆温幅度和逆温厚度范围分别介于0.2~1.6?C和20~280 m之间,前者沿陆坡向北幅度逐渐增大,后者在50?~58?N间往北逐渐变厚,在58?N以北海域平均厚度较薄。3月25日至4月22日,逆温层处于衰退阶段。逆温层下界温度不断下降,逆温幅度呈变弱趋势,逆温厚度呈变薄趋势。一维扩散模型模拟结果表明,湍扩散作用下,观测期间海表受热导致混合层上部位温升高,但底部仍保持低温,因此逆温层上界温度变化并不明显。次表层由于具有强的位温梯度,湍扩散导致逆温层下界温度显著降低,是观测期间逆温衰退的主要原因。湍扩散作用导致次表层水体温盐属性趋于均匀,这一过程对于阿拉斯加湾逆温现象的形成及演变研究具有重要意义。     

海浪破碎对海洋上混合层中湍能量收支的影响

海浪破碎产生一向下输入的湍动能通量,在近海表处形成一湍流生成明显增加的次层,加强了海洋上混合层中的湍流垂向混合。为了研究海浪破碎对混合层中湍能量收支的影响,文中分析了海浪破碎对海洋上混合层中湍流生成的影响机制,采用垂向一维湍封闭混合模式,通过改变湍动能方程的上边界条件,引入了海浪破碎产生的湍动能通量,并分别对不同风速下海浪破碎的影响进行了数值研究,分析了混合层中湍能量收支的变化。当考虑海浪破碎影响时,近海表次层中的垂直扩散项和耗散项都有显著的增加,该次层中被耗散的湍动能占整个混合层中耗散的总的湍能量的92.0%,比无海浪破碎影响的结果增加了近1倍;由于平均流场切变减小,混合层中的湍流剪切生成减小了3.5%,形成一种存在于湍动能的耗散和垂直扩散之间的局部平衡关系。在该次层以下,局部平衡关系与壁层定律的结论一致,即湍动能的剪切生成与耗散相平衡。研究结果表明,海浪破碎在海表产生的湍动能通量影响了海洋上混合层中的各项湍能量收支间的局部平衡关系。     

蒙特卡罗方法在海洋溢油扩展预测中的应用研究

用大量质点的运动近似海洋溢油的运动,把整个溢油看成有大量的体积很小的油块微元组成,即将溢油分为大量的质点,这些质点进行彼此独立的运动,每一质点代表一定的油量,油膜的迁移、扩展看作质点群的迁移、扩展。溢油的扩散看作质点群在湍流作用下进行的拉格朗日运动。油的蒸发、乳化等风化过程采用质点质量损失来表征,油膜的厚度分布通过一定面积内的质点数及其质量计算出。海洋溢油后,在波浪的搅动作用下,一部分溢油以乳化油和溶解态形式被带入水体中［４］,一旦进入水中,质点被看成大量的油滴,在水中进行三维运动,垂直方向运动是在浮力和湍…     

北冰洋次表层暖水形成机制的研究

分析了北冰洋加拿大海盆上层海水温度结构特征,针对在海冰覆盖区域普遍发生的次表层暖水现象,建立了冰海耦合的一维柱形模式,成功模拟了次表层暖水的垂向结构和形成机制,证明了太阳辐射加热和表层冷却是次表层暖水的成因。通过数值实验定量分析了形成次表层暖水各因子的作用,表明太阳辐射是形成次表层暖水的能量来源;长波辐射、气温和比湿等其他大气因子对次表层暖水强度有较大影响;在厚冰区不能形成次表层暖水,海冰越薄,水道面积越大,则冰下次表层海水温度升高得就越快,薄冰和冰间水道是形成次表层暖水的主要能量通道;通过模式的拟合给出湍扩散系数垂向变化的估值,冰下表层海水垂向湍扩散系数为5.0×10-3m2/s左右,而次表层垂向湍扩散系数却快速降低到1.0×10-6m2/s,表明跃层导致的稳定性增大是形成次表层暖水尖峰的关键因素。     

湍能封闭模型在渤海潮流模拟中的应用

将一个三维湍能封闭模型应用于渤海潮流模拟，通过流速分解的初边值方法，计算了渤海全海区潮波系统、潮流结构，结果与观测符合较好。计算同时给出了湍粘性系数和湍动能的时空分布，比较常湍粘性系数和湍的垂直抛物分布及湍能封闭模拟表明，湍粘性系数的不同选取会对流场结构有显著影响。     

Energetics of lateral eddy diffusion/advection：Part Ⅰ. Thermodynamics and energetics of vertical eddy diffusion

Two important nonlinear properties of seawater thermodynamics linked to changes of water density, cabbeling and elasticity(compressibility), are discussed. Eddy diffusion and advection lead to changes in density; as a result, gravitational potential energy of the system is changed. Therefore, cabbeling and elasticity play key roles in the energetics of lateral eddy diffusion and advection. Vertical eddy diffusion is one of the key elements in the mechanical energy balance of the global oceans. Vertical eddy diffusion can be conceptually separated into two steps: stirring and subscale diffusion. Vertical eddy stirring pushes cold/dense water upward and warm/light water downward; thus, gravitational potential energy is increased. During the second steps, water masses from different places mix through subscale diffusion, and water density is increased due to cabbeling. Using WOA01 climatology and assuming the vertical eddy diffusivity is equal to a constant value of 2×103 Pa2/s, the total amount of gravitational potential energy increase due to vertical stirring in the world oceans is estimated at 263 GW. Cabbeling associated with vertical subscale diffusion is a sink of gravitational potential energy, and the total value of energy lost is estimated at 73 GW. Therefore, the net source of gravitational potential energy due to vertical eddy diffusion for the world oceans is estimated at 189 GW.     

Energetics of lateral eddy diffusion/advection：Part Ⅲ. Energetics of horizontal and isopycnal diffusion/advection

Gravitational Potential Energy （GPE） change due to horizontal/isopycnal eddy diffusion and advection is examined. Horizontal/isopycnal eddy diffusion is conceptually separated into two steps： stirring and sub scale diffusion. GPE changes associated with these two steps are analyzed. In addition, GPE changes due to stirring and subscale diffusion associated with horizontal/isopycnal advection in the Eulerian coordinates are analyzed. These formulae are applied to the SODA data for the world oceans. Our analysis indicates that horizontal/isopycnal advection in Eulerian coordinates can introduce large artificial diffusion in the model. It is shown that GPE source/sink in isopycnal coordinates is closely linked to physical property distribution, such as temperature, salinity and velocity. In comparison with z-coordinates, GPE source/sink due to stir ring/cabbeling associated with isopycnal diffusion/advection is much smaller. Although isopycnal coordi nates may be a better choice in terms of handling lateral diffusion, advection terms in the traditional Eule rian coordinates can produce artificial source of GPE due to cabbeling associated with advection. Reducing such numerical errors remains a grand challenge.     

Energetics of lateral eddy diffusion/advection：Part Ⅳ. Energetics of diffusion/advection in sigma coordinates and other coordinates

Gravitational potential energy （GPE） source and sink due to stirring and cabbeling associated with sigma dif fusion/ advection is analyzed. It is shown that GPE source and sink is too big, and they are not closely linked to physical property distribution, such as temperature, salinity and velocity. Although the most frequently quoted advantage of sigma coordinate models are their capability of dealing with topography; the exces sive amount of GPE source and sink due to stirring and cabbeling associated with sigma diffusion/advec tion diagnosed from our analysis raises a very serious question whether the way lateral diffusion/advection simulated in the sigma coordinates model is physically acceptable. GPE source and sink in three coordinates is dramatically different in their magnitude and patterns. Overall, in terms of simulating lateral eddy diffu sion and advection isopycnal coordinates is the best choice and sigma coordinates is the worst. The physical reason of the excessive GPE source and sink in sigma coordinates is further explored in details. However, even in the isopycnal coordinates, simulation based on the Eulerian coordinates can be contaminated by the numerical errors associated with the advection terms.     

南海东北部表层水体水平涡动扩散的~(228)Ra示踪研究

研究了1994年8－9月南海东北部表层海水中228Ra的分布特征。采用Mn－纤维富集海水中的Ra同位素，通过其子体228Ac的β计数法来测量228Ra。表层海水中228Ra的放射性比活度从2．48Bq·m－3变化到4.47Bq·m－3，平均值为3.24Bq·m－3。228Ra的水平分布表现为调查海区东北部比活度较高，这与该航次的226Ra的分布特征相一致。根据各断面的228Ra放射性比活度与离岸距离之间的负相关关系，计算了它们所对应的水平涡动扩散系数，并讨论海域的地貌特征对228Ra比活度分布的影响。这些研究结果对表层水体的混合、交换，尤其是可溶性污染物的迁移、扩散以及海域的自净作用的研究都具有实际意义。     

基于2005~2019年卫星遥感观测的南大洋印度洋扇区中部涡旋特征分布研究

在南大洋印度洋扇区中部海域,除了地形控制(凯尔盖朗高台),南极绕极流和厄加勒斯回流的汇合流进一步加强了下游的斜压剪切强度,导致涡旋能量显著增强,因此,对该海域涡旋的研究有助于了解该海域的涡旋特征以及地形与涡旋的分布关系。基于2005~2019年卫星遥感数据,对该海域涡旋特征进行统计,并对涡旋产生地分布、跨锋面涡旋的移动状况进行分析,同时结合Argo剖面数据,进一步剖析涡旋内部水文分布特征。结果表明:该海域涡旋生命周期多在20 d以内(64.25%),平均半径多在30~100 km(96.13%);平均半径与平均振幅呈正相关关系(相关系数R=0.55);生命周期越大的涡旋平均传播距离也越大。2014年开始涡旋数量明显增加,主要由短寿命涡旋(<30 d)数量增加所贡献。反之, 21世纪10年代后期年平均涡动能异常呈减小趋势。涡旋产生地随着寿命增长,逐渐从亚南极锋与南极绕极流南部边界之间的锋面区域向亚南极锋以北移动。跨锋面涡旋中,暖涡向高纬,冷涡向低纬移动,大部分具有携带水团移动的能力。由涡旋内部水文特征分析结果可知,不同极性的涡旋能够实现完全不同来源水团的远距离输送,对同一来源水团,气旋涡具有抬升作用,而反气旋涡具有压沉作用。该研究工作有助于提升对南大洋涡旋特征及变动的认识,为进一步的涡旋动力研究提供支撑。     

不同布设间距和来流速度下方型人工鱼礁上升流效应的数值模拟

合理的人工鱼礁组合可以有效改善投放水域的流场效应,提高投放水域底层与上层水体之间的扰动。通过使用并行大涡模拟模式及被动示踪物模块,并通过调整人工鱼礁布设间距,研究了在不同背景流速条件(0.1、0.5、0.6和1.0 m/s)下,在不同的横向间距(1L、2L、3L)(L表示人工鱼礁的边长)或纵向间距(1L、2L、3L、4L、5L)情况下,方型人工鱼礁对上升流体积、营养盐的抬升和垂向涡黏系数的影响。研究结果表明,在同一布置条件下,单排布置下的三块人工鱼礁形成的上升流体积大小与来流速度成正相关,体积随来流流速增加而增大6.4%～80.5%;在同一流速条件下,上升流体积大小与纵向布置的间距成正比,与横向布置的间距成反比;在横向布置条件下,当来流速度为1.0 m/s、布设间距为1L时,上升流体积参数最佳。总体来说,上升流体积参数、示踪物浓度差和垂向涡黏性系数均显示横向布置优于纵向布置,相较于布设间距,来流速度是影响上升流体积最重要的因素。     

萨马岛以东海域的一个次表层暖涡

通过对1988年和1989年由中国科学院海洋研究所“科学一号”船在菲律宾以东海域获得的CTD调查资料的分析,发现在萨马(Samar)岛以东海域200m层下存在着一个东西跨度约为3个经度、南北跨度约为3个纬度的次表层暖涡,本文简称为Samar暖涡。这个暖流的强度、位置及其所潜在的深度范围均有明显的年际变化。这些变化与棉兰老潜流的变化是一致的。当棉兰老潜流强时,Samar暖涡也强;反之它也弱。由此可以看出,棉兰老潜流和Samar暖涡两者之间存在着密切的关系。     

厦门湾海水中224Ra的深度分布特征及其应用

本文采用MnO₂-纤维富集、220Rn的连续射气闪烁法测定厦门湾海水中的224Ra,利用其垂直分布求出该海域的垂直涡动扩散系数(K_z),为该海域可溶性污染物扩散、迁移和海域自净能力的估算提供理论依据.该海域224Ra的垂直分布及由此得出的K_z使我们能够洞悉研究海域水体的垂直扩散特征及其时、空变化.     

基于卫星高度计和浮标漂流轨迹的海洋涡旋特征信息对比分析

本文基于Chelton提供的涡旋数据集和浮标漂流轨迹提取的涡旋结果,对1993—2015年的全球涡旋进行特征信息对比分析。结果表明,在全球范围内高度计涡旋数据集中的欧拉涡旋和浮标漂流轨迹提取的拉格朗日涡旋的配对成功率在空间分布上并不均衡,在中纬度(20°—60°S,20°—60°N)配对成功率最高可达25%,而在20°S—20°N区域内配对成功率不到10%。由于低纬度地转效应并不显著,卫星高度计无法有效观测到涡旋,但通过浮标漂流轨迹识别出的拉格朗日涡旋却大量存在,这说明在低纬度区域内,采用漂流浮标手段对涡旋进行观测,能够有效地弥补卫星高度计识别涡旋的区域限制。进一步分析表明,总体而言,提取的欧拉涡旋半径要大于拉格朗日涡旋闭合回路半径。两种识别方法获得的涡旋(闭合回路)在20°—50°S, 20°—50°N的副热带和中纬度海区半径大致相当; 20°S—20°N度以内(特别是近赤道区域)、高纬度区域以及西边界流区域,欧拉涡旋半径是同期拉格朗日涡旋闭合回路半径的3倍或更多。此外,对配对涡旋的Rossby数分析结果显示,拉格朗日涡旋较小的闭合回路对应较大的平均相对涡度,这表明浮标在被中尺度涡俘获后,更容易在相对涡度较大的地方(如中尺度涡中心、中尺度涡边缘等)形成闭合回路。     

东沙群岛西南冷涡的海水理化特性

东沙群岛西南海区的溶解氧、活性磷酸盐和活性硅酸盐100m层四季的平面等值线出现封闭或半封闭的分布,表明了该海域气旋型涡旋的终年存在,溶解氧饱和度的断面分布也证实了东沙群岛西南海域终年存在下层海水抬升,并表明冷涡轴随深度增加而向东南方向倾斜。温度、盐度、溶解氧.活性磷酸盐在表层都有一均匀层,次表层有一跃层,而深层值则季节变化不大。