海水的混合与海洋层结课件

第16讲海水的混合与海洋层结海面上有汹涌波涛，有潮涨潮落；海面以下的地形我们知道是很复杂的，那么海洋水体是不是很简单呢？海洋水体中的暗河(海流)、内波还有悬崖。海水中的悬崖，海洋层结，海水的混合，内波什么是海洋层结？海水的密度、温度、盐度等热力学状态参数随深度分布的层次结构，通常尤指铅直尺度不小于常规海洋学观测层次间距的层次结构。旋转、层结、球面效应是海水（地球流体）的三大特性。海洋表层，由于风和波浪的搅拌作用,海水混合充分，形成了一个近于均质的水层，(厚度约100m)。为混合层或上混合层。混合层之下，温度、盐度和密度随深度的分布，一般不是渐变的，而是具有一个很大的阶跃,有时呈现为一系列的阶跃。称为跃层。跃层之下，温度、盐度和密度的铅直分布，几乎处于均匀状态。称为深层或下均匀层。为什么要研究层结？层结和内波，会引起航海上俗称为“死水”的现象。层结很稳定时，海水混合会限制在一定的区域，形成“臭水”；海水中的氧和营养盐，不能得到经常的补充；生物分泌的污物无法扩散或自净，使得生物不易繁殖，不利于海洋渔业。典型的例子是黑海。黑海是世界上最大的内陆海，也是地球上唯一的双层海。其深层海水几乎不与上层交换，处在完全封闭的状态，形成了充满了硫化氢臭气的臭水。黑海平均水深1315米，最大水深2210米。上层为水面至200m深处，集中了几乎所有的海洋生物。下层因海水中含有不少硫化氢，鱼类等生物极少。潜艇与密度跃层：潜艇要在海下停留时，必须使船身的重量与浮力相等。如果密度垂直梯度很小，要做到这一点就很困难。可是，如果遇到密度跃层的话，潜艇便可平稳地停留在跃层之上，就象搁在沙滩上一样，但在这种情况下，潜艇要移动却比较困难。层结与海水混合海洋铅直方向上具有这样奇妙的结构，其直接原因是海水的混合特性所决定的。具有不同特性的海水，在其邻接区域会发生彼此渗透、转化，从而使相邻海水的性质逐渐趋向均一，这一过程称为海水混合。或者说，不同水团均一化而形成新的水团称为海水混合。海水混合形式分子混合：分子尺度上的热运动（布朗运动）引起的混合。涡动混合：大于分子尺度、以湍流为特征的混合。原因多为风、浪、底摩擦等。对流混合：对流作用引起的混合。原因多为冷却或增盐。分子混合通常很弱，多可以忽略。涡动混合圆柱扰流后形成卡门涡街水轮机翼栅湍流的流动显示对流混合上层海水的密度比其下层海水密度大，海水发生垂直方向上的双向对流。对流混合取决于海水密度的垂直分布，与海水的运动状态无关。

混合的结果：均匀层与跃层混合充分的水层，状态趋于均匀，即形成均匀层。通常均匀层不可能直达海底，这样在均匀层的边界上，海水热力学参数的梯度增大，形成跃层。定量研究海水层结、混合的本质：。直觉上：如果“头重脚轻”，不稳定；反之，稳定。以下将从流体密度分布状况与受扰流体元移动过程的变化两者的关系，引入海水稳定度这一参数。动量方程dρ/dz可正可负。为负时，定义：

此时，方程的解为以N为频率的周期解。N称为层化频率，又叫Brunt-Vaisala频率。为正时，方程的解为呈指数增长的不稳定解，即为对流。温盐的细微结构与阶梯结构由于CTD等新的调查仪器的出现，观测到了垂直尺度达1m米的温盐结构。更精密的自由降落式微结构仪，其深度分辨率可以达到0.01m。海洋温盐结构的尺度目前尚无统一标准，一般倾向于将小于用原来的常规仪器所能分辨的尺度结构称为细微结构，其垂直尺度大约为1m~10m。均匀层、跃层中都有细微结构。圣地亚哥海区相隔50m的两条温度垂直分布曲线地中海夏季跃层由一系列薄层组成，薄层内温度和密度相当均匀，其厚度只有几米。薄层之间为温度和密度梯度特别大的界面层，其厚度只有0.1m～0.2m。温跃层内还经常存在逆温层，但多数不是逆密层，仍然是稳定的。温跃层内也有逆密层出现，这与内波的作用密切相关。在界面层中存在小尺度的内波波列沿着界面层传播，其传播距离很短，通常在两分钟左右后破碎，形成密度较小的湍流斑，产生细微尺度的逆密层。盐指热而多盐的水层位于冷而低盐的水层之上时，在界面处发生盐度较大的水向下呈指状分布的现象称为盐指。盐指现象的研究，可为温度、盐度、密度和声速甚至为生物群落，提供新的预报方法。一些研究指出，在界面处发生盐指的条件是：式中为海水热胀系数，β