一、海洋湍流与混合

在海洋中的各种动力因素的综合作用下，导致海水不断地发生混合。混合是海水的一种普遍运动形式，混合的过程就是海水各种特性(例如热量、浓度、动量等)逐渐趋向均匀的过程。

海水混合的形式有三种：①分子混合，通过分子的随机运动与相邻海水进行特性交换，其交换强度小，且只与海水性质有关；②涡动混合，它是由海洋湍流引起的，也称湍流混合，是海洋中海水混合的重要形式。类比分子混合中分子的随机运动，它是以海水微团(小水块)的随机运动与相邻海水进行交换，其交换强度比分子混合大许多量级，它与海水的运动状况密切相关；③对流混合，是热盐作用引起的，主要表现在铅直方向上的水体交换。

由于湍流与海水混合有密切关系，在此首先对它的基本性质及其生消规律加以简要说明。

(一)湍流的基本特征

流体运动形式分为层流与湍流两种。层流是一种十分规则的流动，在两层流体之间只能通过分子的随机运动进行特性交换。湍流运动则是在平均运动的基础上，又叠加上了一种以流体微团的形式作紊乱的、毫无秩序的随机运动，这是湍流的基本特征之一。其二是湍流的扩散性，即这些作随机运动的流体微团之间的距离不断增大，这是造成流体扩散和混合的基本原因之一。另一基本特征是对能量的耗散性。湍流中的速度梯度很大，由于其粘滞性消耗很多能量。因此湍流运动的产生、发展必须有足够的能量供给它，否则湍流运动会很快平息。

(二)湍流的生消

湍流能量的产生来自两个方面：首先是由平均运动中的速度剪切引起的。

为动量扩散系数，u为平均运动速度。这一过程称为湍流能量的切变生成。另外，当海水的铅直稳定度①为负值时，开始扰动的海水将愈来愈强，从而导致湍流动能的不断增加。显然这是由系统的势能转化而来的，此称为湍流

为密度扩散系数，ρ为海水密度，g为重力加速度。

湍流能量的消耗也有两种途径。第一，由粘滞性的作用消耗；第二，在海水稳定度为正值的情况下，其浮力生成率为负值。它使已经开始的扰动被削弱甚至平息，这显然是湍流的动能被转化为系统的势能所致。

海洋中湍流的生消主要取决于上述能量的平衡。在层结稳定的海洋中，即稳定度为正的情况下，湍流产生的必要条件是：必须具有足够大的流速梯度，从而产生动能，以克服粘性消耗，同时克服稳定度所产生的阻力。产生湍流能量的切变生成率至少必须大于浮力消耗率。即

式中E为海水静力稳定度。

可见，平均流速梯度与海水静力稳定度是制约湍流生消的主要因子。不难看出，只有速度梯度存在，且大于某一值时，湍流才能在层结稳定的海洋中发生与发展。海水稳定度越大，湍流越难产生与发展。

另外，由于热盐效应导致海水静力不稳定时，便会产生自由对流，但由于粘性阻滞及热盐扩散，也只有当密度铅直梯度达到一定程度时，对流方可维持和发展。对流过程也可产生湍流。

总之，湍流的形成是由动力因子所产生的机械作用以及热盐因子所致，二者必居其一，或者兼而有之。湍流是引起海洋混合重要而普遍形式之一。

(三)海水混合的区域性

海洋中的混合现象，随时随地几乎都会发生。

1.海—气界面这是海水混合最强烈的区域，因为海气界面上存在着强烈的动力和热力过程，例如，风使海水产生海流和海浪，它们所具有的速度梯度和破碎都会引起海水的混合。海面上一场大风，在浅海可使混合直达海底；海面与大气的热量交换和质量交换改变了海水的密度以及结冰等过程都可引起海水的对流混合，特别在高纬海区的降温季节，对流混合常可达到几百米的深度。所以海气界面和海洋上层是海洋中混合最活跃的区域。

2.海底混合主要由潮流、海流等动力因子引起，其混合效应通常是自海底向上发展，在浅海，下混合层可以发展到与上混合层相贯通，从而导致海洋水文要素在铅直方向上的均匀分布。

3.海洋内部混合由海洋内波引起的混合尤为重要。由于海洋内波中水质点的运动可导致很大的速度剪切，再加上它们振幅的巨大变化和内波的破碎，常常造成海洋内部的强烈混合，且可以存在于海洋中的任何区域。

4.“双扩散”效应引起的海洋内部混合在研究双扩散效应引起海水混合时，应该提及分子混合效应的重要性。在层结稳定的海洋中，只要温度或者盐度两者之一具有“不稳定”铅直分布(即盐度随深度减小，或者温度随深度增高)，由于分子热传导系数大于盐扩散系数(Kt≈102Ks)，便可能引起自由对流，从而促进海洋的内部混合。通常有两种形式：

1)冷而淡的海水位于暖而咸的海水之上，此时温度出现“不稳定”分布状态，假定处在层结稳定的海洋中，其上部的密度稍小于或等于下层的密度，那么海水仍是静力稳定状态。由于分子扩散的结果，上层海水将增温增盐，下层海水将降温降盐。由于热传导系量是盐扩散系数的102倍，所以界面以上由于增温，增盐的联合效应使海水密度减小，导致海水从界面处上升。下层海水降温、降盐的联合效应，使海水密度增大，导致海水从界面下沉。因此，对流从界面开始分别向上和向下扩展。

2)暖而咸的海水位于冷而淡的海水之上，上层密度仍稍小于或等于下层的密度。上层海水因热盐扩散，温度与盐度降低，其联合效应使海水增密下沉。下层海水因温盐扩散的联合效应，使密度减小而上升。于是，上下两层海水通过界面产生对流。分别向另一层海水扩散。在海洋中已经观测到这种从界面上向下伸展几厘米长的指状水柱，称为“盐指”。

由于这种海水混合现象完全是由热量与盐量通过分子扩散而引的，因而称为“双扩散”效应。尽管分子混合本身的混合效应很小，但在上述两种特定温盐结构的层结静力稳定的海洋中，双扩散的结果却大大地促进了海洋内部的混合。

双扩散效应的温盐结构，在海洋中并不少见。例如，通过直布罗陀海峡进入大西洋的地中海暖而咸的水，在大西洋中层散布，与其下部冷而淡的大西洋水之间的温盐结构，属第二种类型。在极地海区，上层海水冷而淡，下层海水往往暖而咸，属第一种类型。这些以小尺度在海洋中存的温盐结构，与海洋中温、盐、密细微结构的形成具有密切的关系。

(四)海洋混合效应及其分布变化

1.海洋上层的混合效应海洋上层是海洋中混合最强烈的区域，包括由动力因子引起的涡动混合和由热盐因子引起的对流混合。它们可以单独发生，也能同时存在。

如图3—24，实线表示混合前海洋中温、盐、密的铅直分布。当海面上的风、浪、流等因子引起涡动混合之后，将在一定的深度上形成一水文特性均匀的水层。假定混合过程中热盐守恒，那么混合后的温、盐、密度值，基本上应等于它们混合前的平均值，如图3—24中的虚线所示。在混合层的下界将出现一个水文特性梯度较大的过渡层即形成温、盐、密度跃层。跃层以下的分布则仍保持混合前的分布状况。

由于海面降温或增盐，抑或两者联合存在而引起的对流混合，如同涡动混合一样，在对流可达的深度内，亦可形成一均匀层。但是，因为对流混合本身是由于降温增密或增盐增密引起的，因此或者失去热量或者增加盐量，在混合过程中热盐是不守恒的。这就使混合后的温、盐、密度值不一定等于混合前的平均值，单独由降温引起的对流混合，其温度值低于混合前的平均值，盐度则等于混合前的平均值；单纯由增盐引起的对流混合，其盐度值高于混合前的平均值，温度则等于混合前的平均值；由温、盐联合效应引起的对流混合，其温度要低于混合前的平均值，其盐度要高于混合前的平均值，而混合后的密度永远高于混合前密度的平均值。

鉴于上述情况，在混合可达深度(均匀层)的下界，将不一定同时出现温、盐跃层或者不会出现温盐跃层。但肯定不会出现密度跃层，这是由于增密下沉的海水一定要下沉至与其密度相同的深度上才会停止，而这一深度恰好就是对流混合的深度，见图3—25所示。

2.海洋底层的混合效应海洋底层的混合主要由潮流和海流引起，与海洋上层相似，在海底摩擦的作用下，使流动产生速度剪切而造成湍流混合，往往形成一性质均匀的下混合层。在浅水或近岸海区，自下向上发展的底层混合效应有时可与海洋上混合层贯通，致使底层低温水扩散到海面，于夏季在那里形成低温区。例如，中国成山头外，由于强烈的潮流与海流的作用，常于夏季在表层出现低温水。

3.由混合形成的跃层对海况的影响由混合形成的跃层，特别在春季后的增温季节中，表面增温强烈，往往形成密度梯度很大的跃层，成为上、下海水交换的屏障。它一方面阻碍着热量的向下输送，另一方面又阻碍着下层高营养盐的海水向上补充，此时浅海海洋的初级生产力将明显降低。

顺便指出，海洋中还有所谓混合增密效应，或称体积收缩效应，即两种温、盐不同的海水混合后，其密度大于混合前两种海水密度的平均值。这种现象不难用海水密度并非温度与盐度的线性函数加以解释。

4.混合的分布与变化混合，特别是海洋上层的混合，具有明显的季节变化和不同的地理分布特点。

涡动混合在各个季节各纬度的海区都会发生，而对流混合，却在高纬海区与降温季节比较强烈，此时涡动混合效应往往被其掩盖。因此，涡动混合在低纬海区和夏季才显示其重要的作用。在低纬海区，对流混合难以发展，涡动混合则全年占据优势地位。

在某些高纬海区，冬季强烈的对流混合所及的深度较大。夏季表层增温后，由于涡动混合所形成的混合层较浅，以致在涡动混合层以深形成“冷中间水”。

相对而言，不论涡动混合还是对流混合，在陆架与浅海区都比大洋更为强烈，特别是在某些中高纬海区甚至可以直达海底。

(五)海洋水团之间的混合

1927年JacobsenJ.P.曾应用t—S图解研究了两个水团的混合问题。假定两个温、盐各自均匀的叠置水团A与B，其温、盐值分别为tA，SA，tB，SB，且以质量MA，MB参与混合。设海水比热容为常数，在混合过程中热、盐守恒，则有

t(MA＋MB)=tAMA＋tBMB，

S(MA＋MB)＝SAMA＋SBMB，

式中t、S分别代表混合后的温、盐值。由此可得

整理后可得

或写成 t＝a＋Bs (3-44)

的形式，其中

对于两个温、盐一定的水团，a、b均为常数，所以式(3-44)说明，两个水团不论以何种比例进行混合，混合后的温、盐之间均呈线性关系。在t—S图解中它总是位于由式(3-44)所确定的，连结两个原始水团的直线上。

由式(3-42)不难看出，假定两个水团的质量相等，即MA=MB，则有

个水团的平均值。在t—S图解中位于连结两原始水团直线的中点。当两个水团质量不相等时，混合后的(t、S)点，靠近质量大的一方。即混合后(t、S)点离两原始水团的距离和它们的质量成反比关系。又因为假定混合过程中热、盐守恒，故称为保守浓度线性混合理论。

对于三个、四个叠置水团的混合，O.I.马马耶夫的《世界大洋水的t—S分析》一书有比较详尽的讨论。
　　本文标题：世界大洋温度、盐度、密度的分布和水团(7)
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