南极普里兹湾海域湍流扩散系数估计.pdf

第35卷第1期
海洋学研究
2017年3月
JOURNAL OF MARINE SCIENCES
Mar.,2017
丁文祥,梁楚进,廖光洪,等南极普里兹湾海域湍流扩散系数估计[J.海洋学研究,2017,35(1):14-24,doi:10.3969/.is.1001-
909X,2017.01.002
al. The turbulent di
on in Prydz Bay, Antarctic [JI
ournal of Marine Sciences,2017,35(1):14-24,doi:10.3969/j.isn.1001-909X.2017.01.002.
南极普里兹湾海域湍流扩散系数估计
丁文祥2,梁楚进“12,廖光洪1·2,高立宝
(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室,浙江杭州310012;2.国家海洋局第二海洋研究所,渐江杭州310012
3,国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061
摘要:基于 Thorpe尺度方法,利用CTD数据,计算了南极普里兹湾海域的 Thorpe尺度和湍流扩散
系数,分析了观测区域(64°~69°S,66°~80°E)湍流翻转现象的强弱及分布。结果表明,在海底和地形
粗糙区存在較大的 Thorpe尺度(较强湍流翻转)和湍流扩散系数,湍流扩散系数最大值能达到
10-2m2/s量级,比平坦开阔海洋高2~3个数量级,部分观测站位的湍流扩散系数和湍动能耗設率表
现出大-小一大的垂向分布结构,总水深较深的区域尤为明显;深水区域的浮力频率在海表面到500m
层此较大,浅水区域该现象不明显;満动能耗散率在(67.25S,73E)周围和经度为78°E的各站位都表
现相对较大,能达到10-°w/kg量级,个别站位甚至能达到10-5w/kg量级。
关键词:普里兹湾; Thorpe尺度;湍流扩散系数;端动能耗散率
中图分类号:P731
文献标识码:A
文章编号:1001-909X(2017)01-0014-11
Dni:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.002
0引言
经向翻转环流(MOC)对全球气候系统有着非常
重要的影响,而南大洋在闭合经向翻转环流上扮演着
早在上世纪60年代,MUNK指出,为了维持深非常重要的角色。湍流混合在控制海水物理属性、营
海层化结构的稳定,大洋的平均扩散系数至少需要达养物输运、海水颗粒物浓度上起着非常重要的作用,
到10-m2/s的量级。但在随后的观测实验中发现,研究普里兹湾的混合过程对于理解南大洋深层和底
在远离边界的大洋内区,其扩散系数仅为100
层水的产生以及MOC的结构有重要的帮助。之前
10-m2/s量级2,低于MUNK所指出的1~2个数对于南大洋的湍流混合的研究大部分集中于南大西
量级。直至上世纪90年代之后,一些观测证实了强洋,尤其是德雷克海峡和斯科舍海71?。所有研究都
烈的跨密度混合发生在海底边界「1,特别是海槛、海发现强混合主要发生在拥有粗糙或陡峭地形的区域。
山、海脊和海底峡谷,其扩散系数可达10-m2/s,甚例如,美国和英国科学家自2009年开始,在南大洋开
至更强。
展了等密度面和跨等密度面混合实验(简称
收稿日期:2016-03-08
修回日期:2016-10-10
基金项目;南北极环境综合考察与评估专项项目资助( CHINARE2015-01-01, CHINARE2016-04-01-01);全球变化与海气相互作用专项项目
资助(GAS030101-07);国家自然科学基金项目资助(41376033);国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项项目资助
SOEDZZ1317, SOEDZZ1519, JT1506)
作者简介:丁文样(1991-),男,安徽安庆市人,主要从事物理海洋方面的研究。E-mail: wenxiangding2015@163.cm
※通讯作者:梁楚进(1966一〉,男,研究员,主要从事大洋环流与海气相互作用方面的研究。E-mail:cjliang@sic.org.cn
万方数据
丁文祥等:南极普里兹湾海域湍流扩散系数估计
15
DIMES),该研究集中在东南太平洋的德雷克海峡,观垂直波数能谱法,即基于波-波相互作用理论来计算
测表明在南大洋某些海域,尤其在南极绕极流经过的内波垂直方向波数能谱,以此估算湍流扩散系
拥有粗糙地形的海域,内部的跨等密度面混合非常强数121]。本文将采用 Thorpe尺度方法。
烈[1
普里兹湾是南大洋最大的海湾之一,它地处世界
最大的兰伯特冰川所占据的地堑末端的冰川入海处
70°7274°76°78°80°E水深/m
拥有宽岡的大陆架、陡峭的陆架坡折、强的上层分层
和同性质的深层海水,是我国进行南大洋科学考察的
-500
重点海域,我国的南极科考站中山站就建立在该海城
66°
附近。该海域海底地形复杂多变,水深变化特别大,
1000
存在陆坡、海底峡谷等地貌,复杂的地形条件与强劲
的绕极流相互作用很可能发生强烈的跨密度面混合
1500
翻转。然而,该海域直接的湍流观测数据不多,对于
该海域的湍流混合还缺乏充分了解。本文将基于对
-2000
普利兹湾CTD调査资料的分析,估算该海域的湍流
扩散系数,分析其强弱分布。
-2500
1数据和方法
-3000
1.1数据
本文所采用的温-盐-深(CTD)数据来自中国第
-3500
29次南极考察在普里兹湾海域的调査航次,CTD调
查时间为2013年1月31日到2013年3月3日之间,
图1普里兹湾地形及站位分有图
CTD观测仪器的型号为SBE911plus,其采样频率为
Fig 1 Topography of Prydz Bay and the related
24Hz,仪器的下降速度在0.5~1,4m/s之间。为了
measuring stations
消除高频干扰和船舶移动等影响,根据常规方法,本
文将观测的CTD原始数据处理成空间间隔为1m的
数据。水深数据来自http://www.ngdc.noaagov
1.2 Thorpe尺度方法
网站的 etool数据,空间分辦率为1'×1'。计算地形
Thorpe尺度(L)是一种垂直长度尺度,用于测量
粗糙度采用的方法是取某位置的水深与以该点为中稳定分层流体中的湍流翻转,与重力不稳定有关。
心的方圆18km区域水深的标准差为该位置的粗糙在稳定的分层流体中,从海底到海面,它的密度(温
度。具体普里兹湾海域地形和站位分布如图1所度)割面的密度(温度)值必定是从大(小)到小(大)排
示,共有5个断面,分别是经度约为70.5°E各站位列的,如果存在密度(温度)翻转的发生,即密度(温
(图中AK连线上的站位)组成的P1断面、经度约为度)较大(小)的值对应的深度比密度(温度)较小(大)
73E各站位(图中CD连线上的站位)组成的P2断的值对应的深度浅或反之,则认为是湍流扰动的结
面、经度约为75.5°E各站位(图中EF连线上的站果的,即发生了湍流翻转现象。本文研究的区域为
位)组成的P3断面、经度约为78°E各站位(图中极地区域,该海域密度主要受盐度主导,温度对重力
GH连线上的站位)组成的P4断面和纬度约为不稳定的影响要小于密度,所以本文在