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海洋混合是由於分子或流體微團的不規則運動而引起的,海洋中熱量、鹽分或其他物質濃度等的分佈從不均勻到均勻的不可逆的物理過程,也稱擴散過程。海洋混合的數值模擬、物理模擬和現場實驗研究,已有較大的進展。

1 海洋混合 -海洋混合

 

2 海洋混合 -正文

  由於分子或流體微團的不規則運動而引起的,海洋中熱量、鹽分或其他物質濃度等的分佈從不均勻到均勻的不可逆的物理過程,也稱擴散過程。一般按發生的原因不同,可分為兩類:分子混合及湍流混合。
  分子混合  由分子的不規則運動引起的混合過程。最早對分子混合研究作出重要貢獻的是J.B.J.傅里葉和A.斐克,他們先後發表了傅里葉分子熱傳導定律和斐克分子擴散定律。前者表明熱通量密度正比於溫度梯度,而通量的方向則從高溫指向低溫一方;後者表明物質通量密度正比於物質濃度梯度,而通量的方向則指向低濃度一方。據前者導出了分子熱傳導方程,據後者導出了分子擴散方程,此兩方程在數學形式上完全相同。分子混合是各向同性的。海水的分子熱傳導係數約等於10-3cgs單位;水的分子擴散係數約為2×10-5cgs單位。儘管分子混合速度不大,但混合過程最終是靠它完成的。而且分子熱傳導係數比分子擴散係數大近百倍這一事實,是形成海洋中溫度、鹽度階梯狀微結構的基本機制之一,通常稱作雙擴散。
  湍流混合  又稱渦動混合。由於海水運動基本上是湍流的(見海洋湍流),又由於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。
  海洋混合的能量來源有:潮流、海面輻射熱交換,蒸發和降水,風的機械能,由分子過程(如雙擴散)釋放的位能,各種不穩定性(如剪流不穩定性;因等密度面不平行於等壓面而出現的斜壓不穩定)及破碎波等。其中風是產生海洋上層混合的主要動力,潮流在淺海混合中起很大作用,表面波浪混合的影響深度不大。在上層水的比重比下層水大時,會發生上下對流而使海洋的鉛直混合加速;而海水穩定的密度鉛直層結(下層水密度大,上層水密度小)使海水鉛直混合減緩。海水的鉛直混合係數的量值範圍,在海洋上混合層(10~100米)為10~100厘米2/秒;在密度強躍層為0.01~1厘米2/秒;在海洋深處(深於1000米)為0.1~10厘米2/秒;在海底邊界層為1~100厘米2/秒。在海洋中沿等密度面的混合,比垂直於等密度面的混合塊而且強烈。由於海洋的水平尺度遠大於鉛直尺度,而且在海洋大部分區域中,等密度面大致是水平的,所以海洋水平混合一般比鉛直混合強烈。在多數情況下,海洋水平混合同鉛直混合是相互耦合的。鉛直混合同平均水平流速垂直剪切的耦合,會產生沿水平流向的顯著混合,這就是G.I.泰勒引入的剪流擴散概念,它是混合的重要機制。
  海洋湍流混合係數的經驗確定法  按照同分子擴散的類比,物質湍流遷移通量被假定同平均濃度梯度成正比,指向低濃度一方,其比例係數稱作湍流混合係數。經驗地確定海洋湍流混合係數的方法有三:①利用溫度、鹽度等被動物理量的平均分佈;②根據在固定地點對溫度、鹽度等量的起伏(擾動)進行連續觀測得到的資料;③根據對河流流出物擴散的測量,或人為投放的顏料或同位素等示蹤物的擴散實驗。用第1種和第2種方法確定的湍流混合係數是屬於固定坐標系(歐拉坐標系)的,用第 3種方法確定的量是隨水流一起運動的坐標系(拉格朗日坐標系)的。1900年以來,已用第1種方法計算了世界大洋許多區域在不同條件下的湍流混合係數。用這種方法確定的鉛直湍流混合係數為0.1~102厘米2/秒,水平湍流混合係數在106~108厘米2/秒的範圍。第 2種方法是由一種物理量和速度分量起伏(擾動)的交叉相關,求得這一物理量的通量密度同平均濃度梯度之比,即湍流混合係數。第 3種方法通常被用來確定海洋水平湍流混合係數。它有 3種不同的做法:①研究單一物體如漂流浮標的運動,據該物體在不同時間的速度相關確定拉格朗日湍流混合係數。②測量成對物體的平均距離,據此平均距離的變化率求得相鄰的擴散係數。③在一點投放大量小塊標誌物或一種標誌流體,例如染色流體,根據小標誌物或標誌流體相對於其重心的距離變化率確定湍流混合係數,其中顏料實驗已被廣泛應用於確定海洋的湍流混合係數。
  湍流混合的統計理論  湍流混合和擴散具有不同的尺度和能量。各湍流之間的能量分佈或能譜,是在隨機運動的假定下從流體動力學方程出發,用統計方法確定的。湍流擴散可用湍流能譜進行研究。研究擴散過程統計性質的方法有歐拉法和拉格朗日法兩種。A.H.科爾莫戈羅夫導出了中尺度湍流能譜。在此尺度範圍中,能量從較大湍流向較小湍流傳播。將科爾莫戈羅夫的理論用于海洋混合過程得到,海洋湍流擴散係數同對擴散有貢獻的湍流的平均半徑的四分之三次方成正比。這些研究是從歐拉觀點出發的。
  單質點擴散問題的拉格朗日方法是G.I.泰勒首先使用的,他研究了一個質點在不同時間的速度相關。這種理論現在也被用於研究多質點對它們的重心的平均距離隨時間的變化。這種理論指出,只有在質點擴散進行一段較長的時間后,擴散係數才趨於常數。
  L.F.理查孫用拉格朗日方法研究兩質點間平均距離隨時間的變化率。他引入了相鄰濃度的概念,表示具有某平均距離的質點對在流體中的百分數,於1926年導出了相鄰擴散方程,並根據大氣擴散資料得到,相鄰擴散係數同相鄰質點間距離的四分之三次方成正比。此關係適用于海洋混合的情形。
  海洋混合的數值模擬、物理模擬和現場實驗研究,已有較大的進展。
  參考書目
 大久保明:《海洋亂流,拡散》,《物理海洋學》Ⅰ,東海大學出版會,東京,1970。
 G.Kullenberg,Pollulant Transfer andTransportin the Sea,Vol.I,CRC Press,Boca Raton,Florida,1982.

 

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