論地形對洋流影響的初步實驗模擬

李智明

隨著地球物理流體力學研究的不斷深入，地形對洋流的影響逐漸受到研究者的重視，成為地球物理流體力學的重要研究內(nèi)容。相關(guān)研究表明，在旋轉(zhuǎn)流動系統(tǒng)中，受柯氏力影響，地形對流動的影響與在慣性系中表現(xiàn)的特點有很大不同。本文將探討旋轉(zhuǎn)試驗臺上，地形對洋流影響的模擬實驗，采用源匯流實驗方法，使用扇形容器模擬洋流的繞地運動，并從中得到結(jié)論，均質(zhì)旋轉(zhuǎn)流動系統(tǒng)能夠反映大尺度旋轉(zhuǎn)流動的力學特征。

前言

我國擁有寬闊的大陸架，經(jīng)過陸坡連接海底，著名的太平洋西邊界強流黑潮，就是從我國臺灣島南部，沿陸坡走向到達日本九州。黑潮運動對我國沿海氣候、近海流系的水文特征、水產(chǎn)資源等都要重要影響。因此，地形對洋流的影響是我國海洋流動力學中研究的任店課題之一。本文主要采用模擬實驗的方法研究地形對洋流的影響，首先簡單介紹一下實驗裝置及模型。

一、實驗裝置及模型

本文采用的實驗裝置主要有旋轉(zhuǎn)平臺、電機驅(qū)動、以及各種容器和模型。旋轉(zhuǎn)平臺直徑1.1米，具有機械減速系統(tǒng)，并用直徑為500mm的滾動軸承支座支撐。平臺徑向與軸向的最大偏差為0.05mm和0.07mm，調(diào)速系統(tǒng)采用測速電機閉環(huán)式，常規(guī)轉(zhuǎn)速為0.15～2.1（1/s）。各種容器和模型放置在旋轉(zhuǎn)平臺上。

實驗方法采用源匯法，模擬風生洋流。利用扇形容器模擬不同地形的洋流運動。扇形容器的半徑為30cm，頂角60°，在扇形容器中放置不同地形的模型。將容器頂角與轉(zhuǎn)臺中心軸重合，使用內(nèi)徑4mm的不銹鋼管加入或西楚容器內(nèi)液體。源匯流量的調(diào)節(jié)范圍取q=0.05～0.4cm3/s，在圓心處采用匯模擬大洋環(huán)流流行。

主要研究的地形模型有繞陸架地形流、過徑向臺階流、過海脊流和繞島流。繞陸架地形流的初始液深設置為d=8.8cm，轉(zhuǎn)速控制為0.21（1/s），匯流量取q=0.25cm3/s。過徑向臺階流的初始液深為8.4cm，轉(zhuǎn)速1.25（1/s），匯流量0.07cm3/s。過海脊流的初始夜深7.5cm，轉(zhuǎn)速0.21（1/s），匯流量0.076cm3/s。繞島流的初始液深8.0cm，轉(zhuǎn)速0.42（1/s），匯流量0.20cm3/s。并分別對其設置Froude數(shù)和Rossby數(shù)。

采用軌跡照相法進行測試，在實驗液體蒸餾水中加入示蹤粒子和甘油，示蹤粒子采用直徑為0.5～1mm的塑料小球。在實驗過程中，用側(cè)向片光源在暗場中長時間曝光，得到示蹤粒子運動軌跡，其軌跡即代表流線。

二、實驗初步結(jié)果的動力學解釋

（一）陸架地形流動

著名的太平洋西邊界強流黑潮的運動規(guī)律就是緊貼陸坡向北運動，這引起許多研究者對陸架地形流動的研究興趣。在上述實驗裝置模型和實驗方法下得到的陸架地形模擬流動照片顯示，西邊界流是緊貼陸架邊緣一路北上的，沒有越上陸架，強邊界流明顯形成，陸架上流動明顯緩慢。這與實際情況下的黑潮流域情況基本符合，在力學特征上表現(xiàn)出高度相似性。通過分析可知，相對渦度的變化取決于自由面變化以及渦管伸縮加上渦量水平粘性擴散之間的平衡。

（二）沿徑向臺階流動

關(guān)于沿徑向地形變化，洋流文獻中已有許多討論，對流動圖形也有許多看法。在本實驗中拍下的流型照片與其中多數(shù)提出的兩個渦旋結(jié)構(gòu)相符，但測試得到的照片屬于軌跡圖像，無法在渦旋旋轉(zhuǎn)方向上給出結(jié)論。設扇形的頂角為a，中部分割線為bc，圓弧為de。則在bc附近，地形梯度極大，邊界層結(jié)構(gòu)將受到破壞，流動將離開邊界而分離。流線基本沿bc，因而形成靠東邊界的另一個旋渦。

（三）過海脊流動

我國臺灣島北部到琉球群島之間的海底有一緯向的海脊，海脊處水深500米，海脊以南水深3000～4000米，海脊以北水深2000米。黑潮的流向是由南向北，路徑向右偏斜。本實驗中的過海脊流動主要就是研究海脊對黑潮路徑的影響。實驗中，環(huán)流以反氣旋方向旋轉(zhuǎn)，西邊界流自南向北，即從扇形的弧邊向頂角。由于自由面彎曲，水深南深北淺，基本反映了上述基本特征。

（四）繞島流動

實際海洋觀測發(fā)現(xiàn)，我國臺灣島北部方向有氣旋式渦旋，在本實驗中將一圓柱置于西邊界附近，研究其擾流情況?？梢酝ㄟ^這種實驗設計，用西邊界、西向流和圓柱模擬我國海岸、黑潮和臺灣島的流動系統(tǒng)。但是這種設計也有一定局限性，及無法計及海岸彎曲及海深變化的復雜情況。觀察實驗的軌跡顯示照片可以發(fā)現(xiàn)，在圓柱尾流去有呈直線排列的渦旋出現(xiàn)，在側(cè)壁與圓柱之間緩慢流動。這與實際情況較為符合，但是無法判定渦旋的攢在形式，還有待采用其他方法進行具體測試。

三、結(jié)語

本文闡述的是地形對洋流影響的初步試驗模擬，所取得的研究結(jié)果只是初步性定論，而且試驗有一定局限性，對流暢的定論測量等工作還需要進一步進行。但值得注意的是，模擬實驗可以在某種程度反映真實流動特點，由此可以為現(xiàn)實中的觀察測量提供方向。

（作者單位：海南師范大學地理與環(huán)境科學學院）