南極普里茲灣海域湍流擴散系數(shù)估計

丁文祥,梁楚進*,廖光洪,高立寶

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室,浙江 杭州 310012；2.國家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012；3.國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266061)

南極普里茲灣海域湍流擴散系數(shù)估計

丁文祥1,2,梁楚進*1,2,廖光洪1,2,高立寶3

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室,浙江 杭州 310012；2.國家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012；3.國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266061)

基于Thorpe尺度方法,利用CTD數(shù)據(jù),計算了南極普里茲灣海域的Thorpe尺度和湍流擴散系數(shù),分析了觀測區(qū)域(64°～69°S,66°～80°E)湍流翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象的強弱及分布。結(jié)果表明,在海底和地形粗糙區(qū)存在較大的Thorpe尺度(較強湍流翻轉(zhuǎn))和湍流擴散系數(shù),湍流擴散系數(shù)最大值能達到10-2m2/s量級,比平坦開闊海洋高2～3個數(shù)量級,部分觀測站位的湍流擴散系數(shù)和湍動能耗散率表現(xiàn)出大-小-大的垂向分布結(jié)構(gòu),總水深較深的區(qū)域尤為明顯；深水區(qū)域的浮力頻率在海表面到500 m層比較大,淺水區(qū)域該現(xiàn)象不明顯；湍動能耗散率在(67.25°S,73°E)周圍和經(jīng)度為78°E的各站位都表現(xiàn)相對較大,能達到10-6w/kg量級,個別站位甚至能達到10-5w/kg量級。

普里茲灣；Thorpe尺度；湍流擴散系數(shù); 湍動能耗散率

0 引言

早在上世紀60年代,MUNK[1]指出,為了維持深海層化結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,大洋的平均擴散系數(shù)至少需要達到10-4m2/s的量級。但在隨后的觀測實驗中發(fā)現(xiàn),在遠離邊界的大洋內(nèi)區(qū),其擴散系數(shù)僅為10-6～10-5m2/s量級[2-3],低于MUNK所指出的1～2個數(shù)量級。直至上世紀90年代之后,一些觀測證實了強烈的跨密度混合發(fā)生在海底邊界[4-6],特別是海檻、海山、海脊和海底峽谷,其擴散系數(shù)可達10-4m2/s,甚至更強。

經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流(MOC)對全球氣候系統(tǒng)有著非常重要的影響,而南大洋在閉合經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流上扮演著非常重要的角色。湍流混合在控制海水物理屬性、營養(yǎng)物輸運、海水顆粒物濃度上起著非常重要的作用,研究普里茲灣的混合過程對于理解南大洋深層和底層水的產(chǎn)生以及MOC的結(jié)構(gòu)有重要的幫助。之前對于南大洋的湍流混合的研究大部分集中于南大西洋,尤其是德雷克海峽和斯科舍海[7-10]。所有研究都發(fā)現(xiàn)強混合主要發(fā)生在擁有粗糙或陡峭地形的區(qū)域。例如,美國和英國科學(xué)家自2009年開始,在南大洋開展了等密度面和跨等密度面混合實驗(簡稱DIMES),該研究集中在東南太平洋的德雷克海峽,觀測表明在南大洋某些海域,尤其在南極繞極流經(jīng)過的擁有粗糙地形的海域,內(nèi)部的跨等密度面混合非常強烈[11]。

普里茲灣是南大洋最大的海灣之一,它地處世界最大的蘭伯特冰川所占據(jù)的地塹末端的冰川入海處,擁有寬闊的大陸架、陡峭的陸架坡折、強的上層分層和同性質(zhì)的深層海水,是我國進行南大洋科學(xué)考察的重點海域,我國的南極科考站中山站就建立在該海域附近。該海域海底地形復(fù)雜多變,水深變化特別大,存在陸坡、海底峽谷等地貌,復(fù)雜的地形條件與強勁的繞極流相互作用很可能發(fā)生強烈的跨密度面混合翻轉(zhuǎn)。然而,該海域直接的湍流觀測數(shù)據(jù)不多,對于該海域的湍流混合還缺乏充分了解。本文將基于對普利茲灣CTD調(diào)查資料的分析,估算該海域的湍流擴散系數(shù),分析其強弱分布。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文所采用的溫-鹽-深(CTD)數(shù)據(jù)來自中國第29次南極考察在普里茲灣海域的調(diào)查航次,CTD調(diào)查時間為2013年1月31日到2013年3月3日之間,CTD觀測儀器的型號為SBE911plus,其采樣頻率為24 Hz,儀器的下降速度在0.5～1.4 m/s之間。為了消除高頻干擾和船舶移動等影響,根據(jù)常規(guī)方法,本文將觀測的CTD原始數(shù)據(jù)處理成空間間隔為1 m的數(shù)據(jù)。水深數(shù)據(jù)來自http://www.ngdc.noaa.gov網(wǎng)站的etopo1數(shù)據(jù),空間分辨率為1′×1′。計算地形粗糙度采用的方法是取某位置的水深與以該點為中心的方圓18 km區(qū)域水深的標準差為該位置的粗糙度。具體普里茲灣海域地形和站位分布如圖1所示,共有5個斷面,分別是經(jīng)度約為70.5°E各站位(圖中AK連線上的站位)組成的P1斷面、經(jīng)度約為73°E各站位(圖中CD連線上的站位)組成的P2斷面、經(jīng)度約為75.5°E各站位(圖中EF連線上的站位)組成的P3斷面、經(jīng)度約為78°E各站位(圖中GH連線上的站位)組成的P4斷面和緯度約為67.25°S各站位(圖中BH連線上的站位)組成的P斷面。

目前有幾種間接的估計湍流擴散系數(shù)的方法,一是Thorpe尺度方法,其基本思想是從湍流翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)生和不穩(wěn)定的理查德森數(shù)來顯示出能量的變動；二是垂直波數(shù)能譜法,即基于波-波相互作用理論來計算內(nèi)波垂直方向波數(shù)能譜,以此估算湍流擴散系數(shù)[12-13]。本文將采用Thorpe尺度方法。

圖1 普里茲灣地形及站位分布圖Fig.1 Topography of Prydz Bay and the related measuring stations

1.2 Thorpe尺度方法

Thorpe尺度(L)是一種垂直長度尺度,用于測量穩(wěn)定分層流體中的湍流翻轉(zhuǎn),與重力不穩(wěn)定有關(guān)[14]。在穩(wěn)定的分層流體中,從海底到海面,它的密度(溫度)剖面的密度(溫度)值必定是從大(小)到小(大)排列的,如果存在密度(溫度)翻轉(zhuǎn)的發(fā)生,即密度(溫度)較大(小)的值對應(yīng)的深度比密度(溫度)較小(大)的值對應(yīng)的深度淺或反之,則認為是湍流擾動的結(jié)果[15-16],即發(fā)生了湍流翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。本文研究的區(qū)域為極地區(qū)域,該海域密度主要受鹽度主導(dǎo),溫度對重力不穩(wěn)定的影響要小于密度,所以本文在計算Thorpe尺度時均選用密度剖面。

在實際應(yīng)用中,Thorpe在1977年首先采用將觀測到的密度剖面重新直接排序[14],得到了排序后的密度剖面,即形成了絕對穩(wěn)定的分層流體密度剖面。Thorpe尺度定義為Thorpe位移的均方根：

(1)

其中：dρ為某一點在排序前后的深度差,n為數(shù)據(jù)點的個數(shù),L為Thorpe尺度。

在實際的海洋中,要想精確計算出dρ,還受到兩個因素的限制,一是觀測噪聲的影響,另一個是當?shù)氐钠骄芏忍荻鹊挠绊?。因此將對?shù)據(jù)作一定的處理。在某一深度,當原始數(shù)據(jù)和排序后的數(shù)據(jù)在該深度對應(yīng)的密度之差小于噪聲δ,就令該深度的Thorpe位移dρ=0。根據(jù)FERRON et al的方法[17],對數(shù)據(jù)作進一步的處理。假設(shè)原始的密度剖面的密度為ρ,噪聲為δ,將ρ通過如下的變換獲得一個中間密度ρΙ：

(1)設(shè)原始密度剖面的第一個值為ρ1,第二個值為ρ2,以此類推。同理,設(shè)中間密度剖面第一個值為ρΙ1,第二個值為ρΙ2,以此類推。且設(shè)ρΙ1=ρ1。

(2)比較ρ2和ρ1,如果|ρ2-ρ1|<δ,則ρΙ2=ρΙ1；如果|ρ2-ρ1|≥δ,則找出這樣一個整數(shù)n,使得(ρ1±nδ)-ρ2≤δ,且令ρΙ2=ρ1±nδ。

(3)比較ρ3和ρ1,如果|ρ3-ρ1|<δ,則ρΙ3=ρΙ1；如果|ρ3-ρ1|≥δ,則找出這樣一個整數(shù)n,使得(ρ1±nδ)-ρ3≤δ,且令ρΙ3=ρ1±nδ。

(4)以此類推,得到所有的ρΙ值。

這種處理方式得出的結(jié)果跟第一個值ρ1有比較大的關(guān)系,為了削弱這種影響,我們也可以從下向上求中間值,得到一個新的中間密度剖面ρⅡ。最終的中間密度剖面ρM取二次計算結(jié)果的平均值[14],即ρM=(ρⅠ+ρⅡ)/2。這樣得出ρM值后,以ρM值為初始值,對ρM值進行排序,計算Thorpe位移以及Thorpe尺度。

1.3 有效翻轉(zhuǎn)驗證

為了把外界因素對結(jié)果的影響減到最小,我們再次對數(shù)據(jù)作進一步處理。

在求中間密度剖面時,有一個向上和一個向下的中間密度剖面,當滿足以下兩個條件時,才認定為真實翻轉(zhuǎn)[18]：

(1)兩個剖面都包含有不穩(wěn)定的密度梯度；

(2)在兩個剖面中,至少有一個不穩(wěn)定的密度梯度在兩個剖面中對應(yīng)的壓力差在0.1 dbar以內(nèi)。

傳感器響應(yīng)的殘留影響也會產(chǎn)生一些無效的翻轉(zhuǎn),例如,由于傳感器響應(yīng)的不匹配會產(chǎn)生鹽度異常,鹽度的變化對密度影響較大,就會容易產(chǎn)生不真實的翻轉(zhuǎn)。為了降低這種影響,先定義一個翻轉(zhuǎn)率R0[18]：

R0=min(L+/L,L-/L)

(2)

密度剖面排序后,在某一段完整翻轉(zhuǎn)中,L+表示dρ大于零的數(shù)據(jù)的個數(shù),L-表示dρ小于零的數(shù)據(jù)的個數(shù),L表示總的數(shù)據(jù)個數(shù)。顯然,在一個完整的翻轉(zhuǎn)中,dρ的總和等于零,但L+和L-卻不一定是相等的,由于傳感器響應(yīng)殘留產(chǎn)生一個極大值或極小值而引起的一段翻轉(zhuǎn),L+和L-的值會相差很大,對應(yīng)的R0值就會很小。根據(jù)前人的經(jīng)驗,當R0<0.2時,這段翻轉(zhuǎn)就被認為是無效翻轉(zhuǎn),不放入實際Lρ的計算中[18]。

1.4 湍流擴散系數(shù)計算

在Thorpe尺度提出之前,Ozmidov還提出過一種長度尺度,稱為Ozmidov尺度(LO)[19]：

(3)

其中：ε為湍動能耗散率,N為浮力頻率。LO是通過量綱分析得出來的長度,在統(tǒng)計平均中,LO等價于將一流體質(zhì)點所有的動能轉(zhuǎn)化為勢能后,流體質(zhì)點所升高的高度,它是分層流體中允許的最大翻轉(zhuǎn)尺度。

LO是通過量綱分析得出的長度尺度,Lρ是來自實際測量得出的長度尺度,通過前人的研究,二者存在一定的線性關(guān)系。在季節(jié)性海洋溫躍層中,LO=0.79(±0.4)Lρ[15]；在永久性的海洋溫躍層中,LO=0.66(±0.27)Lρ[20]；在溫度低于2 ℃的海水中,LO=0.95(±0.6)Lρ[17]。在此先設(shè)

LO=aLρ

(4)

湍流擴散系數(shù)的公式為：

(5)

其中：Γ為混合效率,表示湍動能轉(zhuǎn)化成勢能的比率,混合效率一般情況下取0.2。

結(jié)合公式(3)、(4)、(5),即可得出Kρ與Lρ之間的關(guān)系式：

(6)

因為在接下來要處理的數(shù)據(jù)中,溫度都低于2 ℃,所以選取a=0.95,即Kρ與Lρ之間的關(guān)系為：

(7)

通過公式(7),就可以直接用Lρ來計算出湍流擴散系數(shù)。

由公式(5)和(6)可以得出ε關(guān)于Lρ的一個表達式：

(8)

2 數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

按照上面介紹的方法,對各站位的CTD數(shù)據(jù)作了一定的處理,計算出Thorpe尺度(L)、湍流擴散系數(shù)(K)、浮力頻率(N)、地形粗糙度和湍動能耗散率(ε)。

圖2為(65.5°S,73.0°E)站位(圖1中標注紅色1的站位)的Thorpe尺度、湍流擴散系數(shù)、湍動能耗散率和浮力頻率剖面。比較明顯的是,K和L的相關(guān)性很強,如圖2中L和K剖面圖顯示,L值較大的位置,對應(yīng)的K值也相對較大,大體的變化趨勢基本一致。在0～500 m的深度內(nèi),該站位的L、K和N都相對較大,在500 m以深,N變化不明顯,而L和K值波動相對較大,約在1 600 m深度處存在最大值,即在深層水中,L對K的影響是顯著的,N對K的影響相對較弱。該站位的ε值在0～500 m的深度內(nèi)相對于500 m以深明顯要大很多,ε在500 m以深要減小約3個數(shù)量級。上層較大的ε值顯然是受到0～500 m深度上較大的N值的影響,在500 m以下ε值雖然相對較小,但變化趨勢與L基本一致。

2.1 橫向斷面

圖3顯示了67.25°S緯度斷面(圖1中P斷面)的Thorpe尺度、湍流擴散系數(shù)、湍動能耗散率、浮力頻率和地形粗糙度。L、K和ε的分布比較相似,即有較大的L出現(xiàn)的位置,K和ε也會相對較大；L相對較小的位置,對應(yīng)的K和ε也相對較小。在71°～73°E范圍,在100～500 m水深之間存在較大的L、K和ε值,而在底部相對較小,即在該范圍內(nèi)中間層存在較強的湍流翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在73°～76°E范圍，

圖2 (65.5°S,73.0°E)站位(圖1中紅色1標注的站位)的Thorpe尺度(L)、湍流擴散系數(shù)(K)、湍動能耗散率(ε)和浮力頻率(N)剖面圖Fig.2 Thorpe scale profile(L), turbulent diffusivities profile(K), dissipation rate of turbulent kinetic energy profile(ε) and buoyancy frequency profile(N) of the station which located in the pint of (65.5°S，73.0°E)(marked with red 1 in Fig. 1)

在200 m以深位置存在較大的L、K和ε值,即在該范圍內(nèi)底層存在較強的湍流翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在76°E以西,L、K和ε值相對較小。在該緯度斷面,水深相對較淺,N的剖面圖并沒有表現(xiàn)出上部較大,下部相對均勻的現(xiàn)象,且與L、K和ε值存在一定關(guān)系。如圖3a～3d,73°～76°E的幾個站位,在L、K和ε值較大的位置上,N值也相對較大,說明該區(qū)域,K和ε的分布是L和N共同作用的結(jié)果。在該緯度上,地形粗糙度的變化幅度不是很大,但在76°E位置有一個突起(圖3e),在該位置附近的兩個站位的L、K和ε值相對較大。

圖3 P斷面上各站位的Thorpe 尺度剖面(a)、湍流擴散系數(shù)剖面(b)、湍動能耗散率剖面(c)、浮力頻率剖面(d)以及各站位所在位置的地形粗糙度(e)Fig.3 Thorpe scale (a), turbulent diffusivities(b), dissipation rate of turbulent kinetic energy(c),buoyancy frequency(d) and terrain roughness(e) profiles of the stations on the P section黑色實線為當?shù)厮頑lack solid lines are the local water depths

2.2 縱向斷面

圖4～圖8給出了各經(jīng)向斷面的Thorpe尺度、湍流擴散系數(shù)、湍動能耗散率、浮力頻率以及地形粗糙度的分布情況(δ=0.000 5 kg/m3,黑色實線為當?shù)厮?。

圖4 P1～P4斷面上各站位的Thorpe尺度剖面Fig.4 Thorpe scale profiles of the stations which are on the P1～P4 sectionsa1和a2為P1斷面，b1和b2為P2斷面，c1和c2為P3斷面，d1和d2為P4斷面；黑色實線為當?shù)厮?。圖5～圖7同此a1 and a2 are P1 section, b1 and b2 are P2 section, c1 and c2 are P3 section, d1 and d2 are P4 section.Black solid lines are the local water depths. Fig.5 to Fig.7 are the same

圖5 P1～P4斷面上各站位的湍流擴散系數(shù)剖面Fig.5 Turbulent diffusivities profiles of the stations which are on the P1～P4 sections

圖6 P1～P4斷面上各站位的湍動能耗散率剖面Fig.6 Dissipation rate of turbulent kinetic energy profiles of the stations which are on the P1～P4 sections

圖7 P1～P4斷面上各站位的浮力頻率剖面Fig.7 Buoyancy frequency profiles of the stations which are on the P1～P4 sections

圖8 P1～P4斷面位置的地形粗糙度Fig.8 Terrain roughness of the P1～P4 sections

由上圖可知,K、ε與L的分布相似,在總水深較深的區(qū)域尤為明顯,出現(xiàn)較大L值的位置,K和ε值也會相對較大,即在該片區(qū)域K和ε受L影響較大。Thorpe尺度一般在海底部分和地形突變的地方存在較大值,而在總水深較淺的海域相對較小,即在深水底層和地形突變的區(qū)域存在較強的湍流翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖4～圖6)。

浮力頻率在總水深較深的區(qū)域(圖7a1、7b1、7c1、7d1)海面到500 m層存在較大值,能達到10-3s-1,在500 m以深變化不大,平均為10-4s-1；而在總水深較淺的區(qū)域(圖7a2、7b2、7c2、7d2),這種表層大,表層以下相對均勻的現(xiàn)象不明顯,部分站位顯示,總水深較淺區(qū)域的底部也存在較大的浮力頻率。

如圖5所示,在海底和地形突變的地方K值明顯較大,最大值能達到10-2m2/s量級,在總水深較深的區(qū)域(圖5a1、5b1、5c1、5d1),K值存在大-小-大的結(jié)構(gòu)分布,在經(jīng)度為78°E各站位(圖5d1、5d2)尤為明顯。MUENCH et al[21]在羅斯海、YANG et al[22]在普里茲灣也發(fā)現(xiàn)了同樣的大-小-大湍流擴散系數(shù)的垂向分布結(jié)構(gòu)。這可能是因為表層受較大的浮力頻率的影響而相對較大,底層受較大的Thorpe尺度的影響而相對較大,從而形成了這種結(jié)構(gòu)分布。而在總水深較淺的區(qū)域(圖5a2、5b2、5c2、5d2),這種現(xiàn)象很不明顯,這跟YANG et al[22]在普里茲灣發(fā)現(xiàn)的結(jié)果有點不同,原因可能是Thorpe尺度的方法不太適合埃默里冰架前緣海域,密度梯度相對較大,水深有限,Thorpe尺度方法受到一定限制。

湍動能耗散率(圖6)總體表現(xiàn)出表層相對較大,這可能是受表層較大的浮力頻率影響的結(jié)果,部分站位底層也有較大的ε值出現(xiàn),在總水深較深的區(qū)域(圖6a1、6b1、6c1、6d1),ε值也出現(xiàn)了大-小-大的分布結(jié)構(gòu),這與K值的分布相類似。而在總水深較淺的區(qū)域(圖6a2、6b2、6c2、6d2),部分站位表現(xiàn)出上層ε值較大,下層分布相對均勻的現(xiàn)象,但ε值比較小。對全部站位的湍動能耗散率作垂向平均(圖9),部分站位數(shù)據(jù)顯示,湍動能耗散率能達到10-6w/kg量級,甚至個別站位能達到10-5w/kg量級,但大部分集中在10-7～10-9w/kg量級。湍動能耗散率較大的值一般分布在點(67.25°S,73°E)周圍,在經(jīng)度為78°E的各站位上,湍動能耗散率也相對較大。從地形粗糙度來看,地形粗糙度較大或地形粗糙度變化率較大的地方,湍動能耗散率也會相對較大。

圖8為各站位所在區(qū)域的地形粗糙度,地形突變的地方,地形粗糙度明顯變大,而在地形粗糙度較大的地方,湍流翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象也較為明顯,對應(yīng)的湍流擴散系數(shù)和湍動能耗散率也明顯較大。湍流擴散系數(shù)的大小與當?shù)氐牡匦未植诙却嬖谝欢ǖ穆?lián)系,但并不是湍流擴散系數(shù)較大的地方,對應(yīng)的地形粗糙度也一定較大,湍流擴散系數(shù)除了受地形的影響,還很可能與南極的繞極流以及當?shù)氐乃畧F分布有關(guān)。黃奕普等[23]通過氘示蹤的方法研究普里茲灣海域的水團和環(huán)流時發(fā)現(xiàn),在73°E、67°S稍南有個低δD水團,稍北有個高δD水團,67°S為兩水團的分水嶺。在68°S以南,75°E以東也存在一個高δD水團,受阻于西邊的低δD水團而止于74°E處。即73°E、67°S附近是該海域3種不同水團的交匯處,而且附近的深水槽是普里茲灣與外海水交換的主要通道,這可能是該位置出現(xiàn)較大的湍動能耗散率的主要原因。NUMES et al[24]通過分析普里茲灣海域的水文數(shù)據(jù)來研究該海域的水平環(huán)流,在200 m以淺,普里茲灣的水體輸入主要由其內(nèi)緣東側(cè)的沿岸流維系,200 m以深則是受67°S以北繞極深層水上涌入侵,這可能是經(jīng)度為78°E的各站位在67°S以北出現(xiàn)較大湍動能耗散率的一個重要原因,以及深水區(qū)域,即67°S以北海域站位的底部均出現(xiàn)較大的湍流擴散系數(shù)可能也與該區(qū)域深層水上涌有關(guān)。

圖9 各站位湍動能耗散率的垂向積分和當?shù)氐匦未植诙菷ig.9 The vertical integration of dissipation rate of turbulent kinetic energy at all stations and the terrain roughness等值線為地形粗糙度The contours are terrain roughness

3 結(jié)論

本文利用南極普里茲灣海域調(diào)查的CTD資料,基于Thorpe的方法優(yōu)化后來計算Thorpe尺度,再利用Thorpe尺度計算湍流擴散系數(shù),估計了該海域湍流擴散系數(shù)的大小及湍流翻轉(zhuǎn)的分布,結(jié)果表明：

(1)該海域存在較強的湍流翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,湍流擴散系數(shù)最大值能達到10-2m2/s量級,湍動能耗散率能達到10-6w·kg-1量級。

(2)Thorpe尺度、湍流擴散系數(shù)和湍動能耗散率在海底和地形突變地帶比較大。在總水深較深區(qū)域,浮力頻率在海表面附近較大,500 m以下分布相對均勻；而在總水深較淺區(qū)域,該現(xiàn)象不明顯。

(3)湍流擴散系數(shù)和湍動能耗散率在總水深較深的水域都有表現(xiàn)出大-小-大的垂向分布結(jié)構(gòu)。

(4)在(67.25°S,73°E)周圍以及經(jīng)度為78°E的各站位,湍動能耗散率相對較大。

(5)地形粗糙度相對較大的區(qū)域,對應(yīng)的Thorpe尺度和湍流擴散系數(shù)也相對較大,但并非完全一致,湍流翻轉(zhuǎn)還可能受到南極的繞極流以及當?shù)厮畧F分布的影響。

整個普里茲灣海域都存在明顯的湍流翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,湍流擴散系數(shù)和湍動能耗散率相對開闊大洋都較大,這與當?shù)氐牡匦巍⑺畧F以及海流等都有關(guān)。目前對于該海域的研究還非常有限,對于普利茲灣海域的湍流空間分布及其形成原因還需要更多的觀測和模式來做更深入的研究。

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The turbulent diffusivity estimation in Prydz Bay,Antarctic

DING Wen-xiang1,2, LIANG Chu-jin*1,2, LIAO Guang-hong1,2, GAO Li-Bao3

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,Hangzhou310012,China;2.SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China; 3.TheFirstInstituteofOceanography,SOA,Qingdao266061,China)

Thorpe scale and turbulent diffusivities in Prydz Bay of Antarctica were calculated based on Thorpe method and Conductivity-Temperature-Depth data. The strength of turbulent overturn was analyzed and its spatial distribution was also investigated. The results show that the larger Thorpe scale and turbulent diffusivities occur in rough topographic area and near the sea floor, and the maximum value of turbulent diffusivities exceeds 10-2m2/s, which is about two or three orders of magnitude larger than that in the open ocean. Turbulent diffusivities and dissipation rate of turbulent kinetic energy show high-low-high vertical structure in some observational stations, especially in deep area. The larger values of buoyancy frequency appear in upper 500 m water column in deep area, but this phenomenon is not obvious in shallow area. The dissipation rates of turbulent kinetic energy in the stations around the point(67.25°S，73°E) and along the 78°E sections are quite large, which exceed 10-6w/kg, and even reach 10-5w/kg in a few stations.

Prydz Bay; Thorpe scale; turbulent diffusivities; dissipation rate of turbulent kinetic energy

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.002.

2016-03-08

2016-10-10

南北極環(huán)境綜合考察與評估專項項目資助(CHINARE 2015-01-01,CHINARE2016-04-01-01)；全球變化與海氣相互作用專項項目資助(GASI-03-01-01-07)；國家自然科學(xué)基金項目資助(41376033)；國家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項項目資助(SOEDZZ1517,SOEDZZ1519,JT1506)

丁文祥(1991-),男,安徽安慶市人,主要從事物理海洋方面的研究。E-mail:wenxiangding2015@163.com

*通訊作者：梁楚進(1966-),男，研究員,主要從事大洋環(huán)流與海氣相互作用方面的研究。E-mail:cjliang@sio.org.cn

P731

A

1001-909X(2017)01-0014-11

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.002

丁文祥，梁楚進，廖光洪，等.南極普里茲灣海域湍流擴散系數(shù)估計[J].海洋學(xué)研究,2017,35(1):14-24,

DING Wen-xiang, LIANG Chu-jin, LIAO Guang-hong, et al. The turbulent diffusivity estimation in Prydz Bay, Antarctic [J].Journal of Marine Sciences,2017,35(1):14-24, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.002.