黃海西部海洋湍流的季節(jié)變化特征分析*

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. 中國科學院海洋研究所 青島 266071; 2. 中國科學院大學 北京 100049; 3. 國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061)

在2006—2007年開展的“中國近海海洋綜合調查與評價”項目中, 作者利用自由下降湍流剖面儀MSS60在南黃海海區(qū)分別進行了夏、冬、秋季三個航次的微尺度湍流觀測, 并計算分析了該海區(qū)的湍動能耗散系數, 湍擴散系數等。通過與溫度、流速分布圖對比, 結果表明三個季節(jié)的湍流混合趨勢大體一致。在沿岸淺水區(qū), 混合作用比較強烈。而深水區(qū)湍流混合的垂直分布明顯地表現出三層結構, 混合較強的上混合層和底混合層, 及相對較弱的中層。風混合和潮混合是黃海湍流混合的主要形式。風的影響主要表現在海洋上層, 潮流的影響則表現于底層。

南黃海; 湍流混合; 湍動能耗散系數; 湍擴散系數

眾所周知, 海洋中存在各種類型的大、中、小尺度的運動, 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的混合和擴散, 是海洋混合重要而普遍的形式之一。湍流混合對海水的動量、熱量和質量輸運有重要貢獻(Thorpe, 1998)。隨著物理海洋學的不斷發(fā)展, 研究表明海洋湍流在海面波浪破碎、海洋內部雙擴散及內波破碎等方面, 也起了舉足輕重的作用(魏皓等, 2001)。海洋湍流已經成為制約物理海洋學領域研究與發(fā)展的關鍵。

20世紀50年代起, 海洋學家逐漸認識到海洋湍流研究的重要意義, 這個領域開始迅速發(fā)展并取得了顯著的研究成果, 同時帶動了海洋湍流觀測技術的飛速發(fā)展。近期針對這方面的研究我國的海洋學者也取得了一定的成果。周磊等(2005)在東海陸架坡折海區(qū)進行了湍流混合的直接觀測, 揭示了該海區(qū)的湍流混合特征并研究了該海區(qū)的雙擴散現象。梁鑫峰等(2006)基于同一次觀測, 計算得出了該海區(qū)熱耗散系數與湍混合系數, 研究分析了該海區(qū)的溫度微結構。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進行了微尺度過程的觀測, 利用獲得的觀測數據,計算得到了湍動能耗散系數和熱耗散系數并研究了鹽指現象對內部混合的影響。Liu等(2008)利用自由下降湍流剖面儀MSS60在黃海的潮混合區(qū)和內波混合區(qū)域進行了湍流的連續(xù)觀測, 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波混合的關系。

關于黃海湍流混合的研究在國內尚處于起步階段, 對于該區(qū)域湍流混合的認識還很不深入。近幾年來, 在實施“中國近海海洋綜合調查與評價”南黃海區(qū)塊調查工作中, 我們利用自由下降湍流剖面儀MSS60在南黃海區(qū)進行了三個不同季節(jié)的湍流混合觀測。本文期望利用這些資料對該海區(qū)的湍流混合過程做出更客觀的了解, 從而為以后進行更深入的研究和其他相關領域的發(fā)展提供參考。

1 數據處理

在南黃海區(qū)分別進行了夏、冬、秋季三個航次的湍流混合觀測。觀測范圍為35°N斷面(見圖1)。在各個航次的觀測中, 利用德國Sea&Sun Technology公司出產的自由下降湍流剖面儀MSS60進行了微尺度湍流的直接觀測, 每個站點至少進行3次垂直剖面的觀測, 以求獲得較為真實的數據。同時輔以采用Seabird911CTD進行的溫、鹽、深的水文觀測、利用LADCP進行的流速觀測等。

圖1 中國近海海洋綜合調查與評價南黃海海區(qū)35°N 觀測斷面圖

其中為儀器的下降速度。湍動能耗散系數則根據下式求得:

在實際觀測中, 一些系統(tǒng)誤差會引起剪切功率譜的漂移, 例如儀器下降速度的測量誤差及剪切探頭的校準誤差等。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)進行比對, 選擇合適的數據進行積分(Yamazaki, 1990; Wesson, 1994)。如圖2所示, 實際觀測得到的湍流剪切譜()與Nasmyth spectrum符合較好。

湍擴散系數根據Osborn(1980)提出的公式求得,

2 南黃海西部海洋湍流的觀測分析

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, 針對南黃海35°N斷面的湍流觀測共計7個站位。圖3中給出了觀測斷面的溫度結構, 圖中顯示: 等溫線的分布呈現臺狀結構。斷面西側水深較淺, 溫度分布呈垂直均勻狀。而在其東側的外部海域為層化區(qū), 水溫垂直分布基本上呈現三層結構: 約10m以淺為上均勻層。隨深度增加水溫遞減顯著, 約在10—30m間形成強的溫躍層; 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℃, 此即為冷水團覆蓋區(qū)。在斷面東西兩側流速較強, 東側流速為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。在調查斷面上, 上層實測流的流向呈現一定的規(guī)律性。

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

圖2 根據水平流速剪切計算的剪切功率譜y(k)與相應尺度的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

與湍動能耗散系數的分布相似, 斷面的湍擴散系數在上層和底層的量值較大。而在冷水團內部的湍擴散系數較小, 量級在10-5附近。在垂直均勻分布的淺水混合區(qū), 湍擴散系數依舊出現較強值。

圖5 夏季航次南黃海35°N斷面湍動能耗散系數的垂直分布圖

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斷面共進行8個站位的混合觀測。圖6是冬季航次中南黃海35°N斷面溫度結構圖, 冬季強冷北風和海面冷卻的共同作用下, 使整個調查區(qū)水溫垂直分布基本呈現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, 在斷面東側的水溫明顯高于西側, 且在近底層出現了弱的溫躍層。斷面流速分布不均勻, 強、弱流速相間出現(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, 其值為60—70cm/s。斷面西端流速亦較強。

圖6 冬季航次南黃海35°N斷面溫度分布

通過湍動能耗散系數的分布(圖8)可以看出, 斷面西側的淺水區(qū)混合直達海底, 湍動能耗散系數的量級主要在10-7—10-6之間。與夏季不同, 強的湍流混合主要是由于強風和潮混合作用造成的。以40—50m等深線為界限, 斷面東側深水區(qū)的混合明顯減弱, 但仍清晰的表現為三個層次, 上混合層與底層仍然是較強的混合區(qū), 湍動能耗散系數的量級皆較大, 風生混合和潮混合各自影響的深度范圍與夏季相當。在海水中部黃海暖流持續(xù)穩(wěn)定存在, 呈現層流狀態(tài), 湍流運動較弱, 湍動能耗散系數的量級在10-8左右。對比圖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)域范圍的擴大。與夏季相同, 斷面的湍擴散系數與湍動能耗散系數的分布趨勢基本一致。

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斷面的混合觀測共有9個站位。秋季水溫逐漸下降, 水溫分布正向冬季的特征轉化。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構, 但溫躍層已明顯下沉(圖9), 且強度明顯減弱。同時, 躍層明顯呈傾斜狀, 由西向東上傾。而下均勻層覆蓋的水域很小。調查斷面東西兩側的流速較強, 但中部的流速較弱(圖10)。斷面西側的流速又強于斷面東側。

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

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斷面湍動能耗散率的垂直分布圖

3 討論與結論

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

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

同時觀測表明, 躍層對潮流和風的混合擴散具有抑制作用, 尤其是風混合。在夏季, 表層海水增溫和淡化顯著, 形成穩(wěn)定層結, 湍流混合減弱, 上混合層的深度變淺。在上混合層的下界, 混合強度減弱, 加之躍層的抑制作用, 湍動能耗散系數在躍層附近出現較大的垂直變化梯度。秋季航次35°N斷面調查期間天氣良好, 太陽輻射和弱風共同作用阻礙了海水上層湍流的產生, 從而造成了斷面東側的深水區(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, 在這個區(qū)域內混合普遍較弱, 同時躍層強度減弱導致其抑制作用減小, 從而使湍動能耗散系數在躍層附近的切變并不明顯。

通過觀測資料分析黃海湍流混合變化規(guī)律, 得到一些初步認識。但海洋的內部混合過程比較復雜, 要全面客觀理解該海區(qū)的微細結構或小尺度過程, 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

* 國家自然科學基金項目, 41206020號, 41176018號; 中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項, 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