海洋混合 ArticlePrint

  由于分子或流体微团的不规则运动而引起的,海洋中热量、盐分或其他物质浓度等的分布从不均匀到均匀的不可逆的物理过程,也称扩散过程。一般按发生的原因不同,可分为两类:分子混合及湍流混合。   分子混合 由分子的不规则运动引起的混合过程。最早对分子混合研究作出重要贡献的是J.B.J.傅里叶和A.斐克,他们先后发表了傅里叶分子热传导定律和斐克分子扩散定律。前者表明热通量密度正比于温度梯度,而通量的方向则从高温指向低温一方;后者表明物质通量密度正比于物质浓度梯度,而通量的方向则指向低浓度一方。据前者导出了分子热传导方程,据后者导出了分子扩散方程,此两方程在数学形式上完全相同。分子混合是各向同性的。海水的分子热传导系数约等于10-3cgs单位;水的分子扩散系数约为2×10-5cgs单位。尽管分子混合速度不大,但混合过程最终是靠它完成的。而且分子热传导系数比分子扩散系数大近百倍这一事实,是形成海洋中温度、盐度阶梯状微结构的基本机制之一,通常称作双扩散。   湍流混合 又称涡动混合。由于海水运动基本上是湍流的(见海洋湍流),又由于湍流混合速率比分子混合速率大得多,所以海洋混合主要是湍流混合。   海洋混合的能量来源有:潮流、海面辐射热交换,蒸发和降水,风的机械能,由分子过程(如双扩散)释放的位能,各种不稳定性(如剪流不稳定性;因等密度面不平行于等压面而出现的斜压不稳定)及破碎波等。其中风是产生海洋上层混合的主要动力,潮流在浅海混合中起很大作用,表面波浪混合的影响深度不大。在上层水的比重比下层水大时,会发生上下对流而使海洋的铅直混合加速;而海水稳定的密度铅直层结(下层水密度大,上层水密度小)使海水铅直混合减缓。海水的铅直混合系数的量值范围,在海洋上混合层(10~100米)为10~100厘米2/秒;在密度强跃层为0.01~1厘米2/秒;在海洋深处(深于1000米)为0.1~10厘米2/秒;在海底边界层为1~100厘米2/秒。在海洋中沿等密度面的混合,比垂直于等密度面的混合块而且强烈。由于海洋的水平尺度远大于铅直尺度,而且在海洋大部分区域中,等密度面大致是水平的,所以海洋水平混合一般比铅直混合强烈。在多数情况下,海洋水平混合同铅直混合是相互耦合的。铅直混合同平均水平流速垂直剪切的耦合,会产生沿水平流向的显著混合,这就是G.I.泰勒引入的剪流扩散概念,它是混合的重要机制。   海洋湍流混合系数的经验确定法  按照同分子扩散的类比,物质湍流迁移通量被假定同平均浓度梯度成正比,指向低浓度一方,其比例系数称作湍流混合系数。经验地确定海洋湍流混合系数的方法有三:①利用温度、盐度等被动物理量的平均分布;②根据在固定地点对温度、盐度等量的起伏(扰动)进行连续观测得到的资料;③根据对河流流出物扩散的测量,或人为投放的颜料或同位素等示踪物的扩散实验。用第1种和第2种方法确定的湍流混合系数是属于固定坐标系(欧拉坐标系)的,用第 3种方法确定的量是随水流一起运动的坐标系(拉格朗日坐标系)的。1900年以来,已用第1种方法计算了世界大洋许多区域在不同条件下的湍流混合系数。用这种方法确定的铅直湍流混合系数为0.1~102厘米2/秒,水平湍流混合系数在106~108厘米2/秒的范围。第 2种方法是由一种物理量和速度分量起伏(扰动)的交叉相关,求得这一物理量的通量密度同平均浓度梯度之比,即湍流混合系数。第 3种方法通常被用来确定海洋水平湍流混合系数。它有 3种不同的做法:①研究单一物体如漂流浮标的运动,据该物体在不同时间的速度相关确定拉格朗日湍流混合系数。②测量成对物体的平均距离,据此平均距离的变化率求得相邻的扩散系数。③在一点投放大量小块标志物或一种标志流体,例如染色流体,根据小标志物或标志流体相对于其重心的距离变化率确定湍流混合系数,其中颜料实验已被广泛应用于确定海洋的湍流混合系数。   湍流混合的统计理论  湍流混合和扩散具有不同的尺度和能量。各湍流之间的能量分布或能谱,是在随机运动的假定下从流体动力学方程出发,用统计方法确定的。湍流扩散可用湍流能谱进行研究。研究扩散过程统计性质的方法有欧拉法和拉格朗日法两种。A.H.科尔莫戈罗夫导出了中尺度湍流能谱。在此尺度范围中,能量从较大湍流向较小湍流传播。将科尔莫戈罗夫的理论用于海洋混合过程得到,海洋湍流扩散系数同对扩散有贡献的湍流的平均半径的四分之三次方成正比。这些研究是从欧拉观点出发的。   单质点扩散问题的拉格朗日方法是G.I.泰勒首先使用的,他研究了一个质点在不同时间的速度相关。这种理论现在也被用于研究多质点对它们的重心的平均距离随时间的变化。这种理论指出,只有在质点扩散进行一段较长的时间后,扩散系数才趋于常数。   L.F.理查孙用拉格朗日方法研究两质点间平均距离随时间的变化率。他引入了相邻浓度的概念,表示具有某平均距离的质点对在流体中的百分数,于1926年导出了相邻扩散方程,并根据大气扩散资料得到,相邻扩散系数同相邻质点间距离的四分之三次方成正比。此关系适用于海洋混合的情形。   海洋混合的数值模拟、物理模拟和现场实验研究,已有较大的进展。   参考书目  大久保明:《海洋乱流,拡散》,《物理海洋学》Ⅰ,東海大学出版会,東京,1970。  G.Kullenberg,Pollulant Transfer andTransportin the Sea,Vol.I,CRC Press,Boca Raton,Florida,1982.


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