南海中南部上层的盐指与湍流混合过程

基于2012年8月12日至9月5日中国南海海洋湍流微结构剖面仪(Turbo Map)观测资料和温盐深剖面仪(CTD)资料,对南海中南部海域上层500m以浅的混合过程进行了分析。南海次表层高温高盐的水团和中层低温低盐的水团构成的垂向温盐环境,利于在该深度范围内盐指的发育。通过盐指与湍流相关参数的计算,评估了盐指在南海上层跨越等密面混合的作用。结果表明南海中部(18°N)相对于南海南部呈现高的温度耗散率(χ)、高的混合效率(Γ)、低湍动能耗散率(ε)及低浮性雷诺数(Rε)等特征,即中部盐指信号明显强于南部。但整体海域仍然呈现出"低Γ;高Rε"的湍流特征,表明盐指对混合的贡献较小,南海中南部的上层混合还是以湍流混合为主导。另外,南海南部的混合强于中部,且呈现出整体水柱均具有较强混合的特征,其原因可能和内潮与南部相对较浅而复杂的地形相互作用有关。

两层和多层结构中盐指现象的数值模拟

采用COMSOL有限元数值模拟的方法,研究了两层各自均匀溶液模型中不同参数对盐指现象的影响。结果表明,系统的热瑞利数RT、盐瑞利数RS、初始密度稳定率Rρ0均影响界面处产生的盐指现象。当RT、Rρ0增加时,盐指增长的速度会变慢,盐指的数量增多;当RS增加而Rρ0减小时,盐指增长的速度变快,盐指的数量增多;并且在RS增大到某一值(或Rρ0减小到某一值)时,盐指的性质会发生突变。进一步提出并研究了多层溶液结构模型中的盐指现象,结果表明相邻界面之间的相互作用对盐指的产生及形状有着重要的影响。

自由流体层与多孔介质层界面的盐指现象的统一域法模拟

自由流体层和多孔介质层交界处同时存在温度梯度和盐度梯度会导致盐指型双扩散对流的发生,改变流体的运动状态,进而影响物质输移规律.本文建立了流体层与多孔介质层界面双扩散耦合模型,模型采用统一域法,在上下层分别计算水动力-温度-浓度输运方程,用快速傅里叶变换求解统一域内流函数方程.计算分析了ϕ=0.35,0.40,1的三个典型工况,研究在多孔介质层不同孔隙率下盐指的对流结构和演变过程,讨论了稳定密度分层下物质输移现象及其输运特性.结果表明,与分层水体中的盐指不同,流体层和多孔介质层界面的盐指具有非对称结构,多孔介质层的下沉盐指较于上升盐指更宽,生长速度慢,在混合区域内具有更好的输运能力.研究发现多孔介质中固体的存在极大地阻碍了盐指对流的生长,同时影响了垂向的物质通量;在孔隙率高的工况中,由盐度的不稳定分层储存的潜在势能更多地转化为动能,从而增加了垂直方向上的物质输运,使盐指具有更强的混合能力.

海洋盐指演化过程的数值模拟

盐指现象的数值模拟研究对理解小尺度海洋动力学过程具有十分重要的意义。本文建立了二维方腔模型,通过有限体积法求解控制方程,对盐指现象的演化过程进行了模拟计算和数值分析,在热瑞利数为(1.12～2.24)×107的变化范围内,展示并对比了不同粘滞系数、热瑞利数和盐瑞利数情况下的盐指现象,发现随着粘滞系数的增加,盐指的演变速率变慢,生成数目减少;热瑞利数的增加对盐指的演变速率具有抑制作用,而盐瑞利数的增加则对其具有促进作用。

海洋的盐指

以海水混合的方式出现的小规模奇观对海洋结构可能有大规模的影响。

多孔介质中盐指现象的数值模拟

运用基于杂交网格的高精度数值方法研究了多孔介质中的盐指现象.该算法将基于边界拟合坐标下的高精度有限差分法和高精度的泊松方程快速求解器有效地结合在一起,从而达到提高整体的计算精度、计算效率和稳定性的目的.通过比较不同孔隙率的多孔介质对盐指对流的传热传质效应的影响,发现在标准孔隙率较低的多孔介质中,盐度扩散的速度明显比热扩散的速度快,盐指很快触及上下壁面,使得上下层的盐度梯度迅速减小,这是与非多孔介质具有明显差异之处.

食指大动

我们的手指都有其名,大拇指、小拇指、中指,这都好理解,就是无名指,无名可起了,称无名也能让人接受,偏偏这个食指,难道还与食物有关吗？你还别说,这个“食指”就是与“吃”有着很大的关系。据《左传》记载,郑国贵戚子公的食指有特异功能,每次跳动,第二天必定能吃到珍味佳肴。

南海北部陆坡区混合过程观测

为了解南海北部陆坡区的内部混合过程,2004年4月30日至5月1日,"延平2号"科考船在该海域利用自由沉降式的微结构剖面仪TurboMAP-Ⅱ进行了一次混合过程的直接观测。观测海区南海次表层水团和南海中层水团形成的特定温盐结构,使得150～500m之间出现盐指现象。通过对观测数据的处理和分析,研究了观测海区的湍动能耗散率、热耗散率和热扩散系数的分布以及盐指现象对混合效率的影响。观测海区的湍动能耗散率为2.0×10-10～7.8×10-7W/kg,最大值出现在上混合层;热耗散率为2.7×10-9～1.5×10-6℃2/s,最大值出现在温跃层附近。层结稳定区混合效率的平均值为0.18,与常用值0.2非常接近,盐指发生区混合效率的平均值为0.76,表明盐指现象的存在提高了混合效率。

南海反气旋涡旋温度细结构特征分析

基于水下滑翔机观测资料,对南海北部一个反气旋涡旋的温度细结构进行了特征分析。温度细结构强度由温度的脉动值确定,并随着尺度的增加呈指数衰减。在垂直方向上,细结构强度随着深度的加深而减弱,细结构特征在海洋表层(0~100 m)和表层以下(>100 m)存在显著区别。表层内,垂向混合和水平混合对细结构强度均有贡献,细结构强度大。在表层以下,约100~400 m深度范围,因为水平混合减弱和双扩散作用,细结构主要表现为盐指现象导致的阶梯状结构。在水平方向上,表层内细结构强度随尺度的衰减在涡旋内部小于涡旋外部,且由于涡旋内部变形小于涡旋外部,细结构强度自涡旋中心向外逐渐增强,表层以下的盐指在涡旋内部更明显,其垂向范围大于涡旋外部。此外,细结构存在显著的日变化特征。表层内,因为夜间发展的对流混合会削弱细结构特征,相对白天而言,夜晚的细结构强度更弱,衰减速度也更快。由于温跃层深度的日变化特征,会使得表层以下也存在显著的日变化特征,并影响细结构强度变化,表现为白天弱而夜晚强的特征。