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南海及西太平洋湍流混合观测研究
Alternative TitleObservation of turbulent mixing in the South China Sea and the Western Pacific
梁长荣
Thesis Advisor尚晓东
2018
Degree Grantor南海海洋研究所
Degree Name博士
Degree Discipline物理海洋学
Keyword湍流混合,湍动能耗散率,垂向扩散率,内波,细结构参数化方案
Abstract海洋湍流混合是自然界众多混合中的一种,也是海水混合的主要形式,它能改变水团性质,重新分布营养物质和微生物,在海洋热量、动量和能量的平衡过程中扮演着重要的角色。南海及西太平洋有着类型齐全的地形,复杂多变的环流系,大量的内潮和内波,这些都使得南海和西太平洋成为研究湍流混合的理想海域。本论文利用南海上层湍流微结构数据探讨了南海上层湍流混合,在一定程度上揭示了南海上层湍流混合的时空分布特征及其混合机制;利用南海及西太平洋的深海湍流微结构数据探讨了深海湍流混合,在一定程度认识了南海及西太平洋深海湍流混合的基本特征;本论文同时还利用湍流微结构数据评估了三种细结构参数化方案。根据南海上层湍流微结构数据的分析,南海上层湍流混合自北向南逐渐减弱,强湍流混合主要集中在南海北部的吕宋海峡西侧,该区域的湍动能耗散率和垂向扩散率比南海中部和南部几乎强一个数量级。南海上层湍流混合这种独特的空间分布特征主要是由南海内潮和内波的分布不均引起的,在吕宋海峡附近有大量的内潮和内波生成,这些内潮和内波主要是向西传播,为吕宋海峡西侧的湍流混合提供了大量的能量,因此强湍流混合主要发生在南海北部内潮和内波频繁出现的吕宋海峡西侧。南海各区域的湍流混合特征各有不同,吕宋海峡西侧的湍流混合变化较为剧烈,常出现强湍流混合的湍流块,而南海中部和南部的湍流混合较为稳定。剪切和浮力频率的差异是造成各区域湍流混合特征不同的内在因数,吕宋海峡西侧的剪切要比其它区域强,但浮力频率要弱于其它区域,这使得吕宋海峡西侧的水体容易发生剪切不稳定,从而产生强湍流混合的湍流块;在南海中部和南部,其主要特征是剪切弱而浮力频率强,剪切的强度不再足以引起水体发生剪切不稳定,因此南海中部和南部的湍流混合相对吕宋海峡西侧来说比较弱和稳定。在南海中部,混合层的湍流混合呈现日循环变化,这种变化规律主要是表面浮力通量引起的:在白天,海洋从大气中获得表面浮力通量,表面海水温度升高,形成日变化温跃层,海水层结抑制了湍流混合的发展;在夜间,海洋失去表面浮力通量,表面海水温度降低,日变化温跃层消失,海水对流促进了湍流混合的发展。温跃层的湍流混合也随着时间而变化,这种变化主要与高频内波有关,在高频内波出现期间,剪切增强,在强剪切的作用下湍动能耗散率几乎增强了一个数量级。由于水团性质不同,南海和西太平洋的湍流混合表现出不同的分布特征,西太平洋的垂向扩散率在水团的交汇处得到了很大的增强,这主要是水团之间的湍动能交换引起的;南海底部的垂向扩散率要强于西太平洋底部,这与各自水团的层结有关,南海底部的水团层结要比西太平洋的弱,弱的层结有利于湍流混合。西太平洋的深海湍流混合受到地形的影响,在粗糙地形海域,由于与地形的相互作用,有更多的能量从低模态内波传递到高模态内波,这些高模态内波对局地的内波场产生扰动,从而使得湍动能耗散率随深度的变化更为剧烈,同时高模态内波能引起强剪切,强剪切促进了湍流混合,使得粗糙地形海域的垂向扩散率强于平坦地形海域的垂向扩散率。对于南海上层湍流混合,我们的统计分析表明MacKinnon-Gregg(MG)方案能很好地估算南海上层的湍动能耗散率,而Gregg-Henyey(GH)方案并不适用于估算南海上层的湍流混合。GH方案不适用于南海的一个原因是南海的内波场不符合Garrett-Munk(GM)内波模型,另一个原因是观测流速的分辨率过低,无法达到观测区域的湍流混合长度尺度。对于西太平洋的深海湍流混合,我们的统计分析结果表明MG方案能很好地估算粗糙地形和平坦地形海域的湍动能耗散率,而Gregg-Henyey-Polzin(GHP)方案只能估算平坦地形海域的湍动能耗散率。GHP方案不适用于粗糙地形海域的原因主要是粗糙地形海域的内波场受到了地形的影响,其内波场并不符合GM内波模型。
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.scsio.ac.cn/handle/344004/18005
Collection学位论文(博士)
Recommended Citation
GB/T 7714
梁长荣. 南海及西太平洋湍流混合观测研究[D]. 南海海洋研究所,2018.
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