北冰洋双扩散阶梯结构与无双扩散海域的特殊物理过程

摘要

利用2008年中国第三次北极科学考察的CTD和LADCP数据,研究了北冰洋加拿大海盆的双扩散阶梯结构与无双扩散海域的特殊物理过程。数据表明,双扩散阶梯在加拿大海盆广泛存在,既是温度阶梯,也是盐度阶梯。在加拿大海盆中部和北部的深水海域观测到了明显的双扩散阶梯,阶梯结构在深度分布上有显著的空间差异。双扩散阶梯发生在100～500 m的深度范围内,稳定的阶梯结构位于温跃层所在深度,阶梯高度1～5 m,深度较大的阶梯通常是复合阶梯。双扩散阶梯发生在北冰洋的主盐度跃层,也是密度跃层,是北极中层水与上层水的分界面,跃层强烈的层化和障碍层抑制了海水的垂向湍流混合。双扩散阶梯的存在意味着海洋湍流运动非常微弱,穿越双扩散海域的垂向热通量很小,微弱的热损失使得北极中层水在长距离输送过程中保持其温度特征。自从1999年起,北极中层水增暖的信号进入加拿大海盆,双扩散阶梯的存在使增暖的信号在北冰洋得以长距离保持,成为示踪北极中层水运移路径的重要信号。基于双扩散热通量定律,估计200～300 m深度平均的双扩散热通量约为0.05～0.22Wm-2,与近期的研究结果接近,与较早的研究结果相比大了一倍,可能是中层水增暖导致双扩散热通量增大。但由于双扩散热通量远小于表面混合层对海冰的平均热通量,北极中层水的热量很少进入海洋上层,因此,在加拿大海盆中部和北部,来自北极中层水的垂向热通量对海表面热收支的影响不是重要的。但是,在加拿大海盆南部海域和海盆边缘,较强的湍流运动导致双扩散阶梯消失,北极中层水的热量可能对上层海洋结构和热通量产生显著影响。计算得到的无双扩散海域200～300 m深度平均的垂向热通量约为0.64～0.89Wm-2,比双扩散海域的垂向热通量大4～10倍。正是这更大的垂向热通量导致了北极中层水的热量无法保持,也导致了中层水增暖信号被削弱。加拿大海盆的大范围海域存在双扩散阶梯,使中层水增暖信号在北冰洋得以长距离保持,但在加拿大海盆南部陆坡附近海域不存在双扩散阶梯现象,观测发现那里的中层水增暖信号也趋于消失,表明那里存在较大的垂向热通量。选耳义波弗特海,将实测的无双扩散海域划定为“热损失带”,并从两方面计算了在这个海域北极中层水的热量损失:一方面,基于PP参数化方案,计算通过密度跃层向上的湍流热扩散率约为3.59×1010J/s;另一方面,计算流入和流出热损失带的北极中层水的热含量之差,用以估计北极中层水流经热损失带过程中热含量的损失率,计算的结果约为6.70×1010J/s。垂向湍流热扩散率与热含量损失率的量级相同,表明北极中层水在流动过程中热含量降低主要是垂向湍流热扩散造成的。双扩散对流导致的阶梯状均匀混合在加拿大海盆广泛存在,在双扩散海域北极中层水的热量很少进入海洋上层。而在无双扩散海域湍流运动破坏了双扩散阶梯,打破了北极中层暖水的物理封闭性。较大的热量损失表明该海域湍流运动很强,其可能原因有两个:其一,陆坡海域受侧边界摩擦的影响,使湍流运动增强,导致北极中层水较大的垂向热输运;另一个原因是海水的补偿运动可能在波弗特海陆坡附近发生上升流,上升运动将密度跃层向上提升。跃层深度变浅将受到表面运动更大的影响,导致湍流运动增强,双扩散阶梯不存在或被破坏。

目录

摘要

Abstract

第一章 引言

1.1 背景知识简介

1.2 研究历史与现状

1.3 研究意义

1.4 研究海域概况

1.5 创新点和主要内容

第二章 数据及方法

2.1 数据来源

2.2 研究方法

2.2.1 利用双扩散热通量定律计算垂向热通量

2.2.2 利用 PP参数化方案计算垂向湍扩散系数

2.2.3 积分求海水的热含量

第三章 双扩散阶梯结构分布与热通量研究

3.1 双扩散阶梯结构的分布特征

3.1.1 背景水文特征

3.1.2 双扩散阶梯结构

3.1.3 双扩散阶梯的空间分布

3.1.4 双扩散阶梯高度的分布

3.2 双扩散热通量

3.2.1 双扩散阶梯的稳定性

3.2.2 双扩散热通量的分布

3.2.3 各种热通量算法的比较

3.2.4 结果比较与分析

3.3 结果与讨论

第四章 无双扩散海域的特殊物理过程

4.1 背景水文特征

4.2 波弗特海与加拿大海盆中部海水结构的差异

4.2.1 加拿大海盆中部水文特征

4.2.2 波弗特海水文特征

4.2.3 海洋障碍层与跃层

4.3 波弗特海北极中层水的热损失带

4.3.1 由热含量降低计算的热损失率

4.3.2 由垂向湍流热扩散计算的热损失率

4.3.3 结果比较与分析

4.4 结果与讨论

第五章 总结

参考文献

致谢

个人简历