海洋层化和海冰漂移速度变化对北极冰下海洋Ekman漂流的影响及北极次表层暖水的热通量与维持机制

【摘要】：Ekman漂流是上层海洋普遍存在的一种运动形式。本文提出了用实测温盐数据计算冰下Ekman流速的方法，将计算得出的流速与2010年第四次北极考察期间同步获取的海流剖面数据进行比较，获得了满意的结果。基于这个结果，可以通过比较容易获得的温盐数据计算Ekman漂流垂直结构。 海水层化的存在导致在跃层处湍流粘性系数减小，强烈抑制了水平流动的向下传播，致使Ekman漂流在跃层处完全消失。结果表明，冬季上层海洋漂流会发生在较大的深度上，而夏季海冰拖曳引起的漂流只能达到20m至30m的深度。漂流层变浅意味着海冰拖曳做功产生的能量不能进入海洋深处，而是在很浅的表层水体内积聚，有利于加剧海冰的底部融化。 表面海冰流速的变化，会对Ekman流场造成影响。研究表明，表面海冰流速发生变化时，导致各层流速发生相应变化，使流场产生变化，但Ekman流的摩擦影响深度并不随表面冰速的变化而发生变化，摩擦影响深度是由海水的密度结构所决定的，跃层的位置决定Ekman流的摩擦影响深度，与海冰漂流流速无关。 计算湍流粘性系数通常需要密度剖面和流速剖面的观测结果，在只有密度剖面的情况下，可以采用本文的方法计算Ekman漂流，获得上层海洋的湍流粘性系数剖面。 在夏季北冰洋海域经常可以观测到次表层暖水现象。次表层暖水即在水深20～50m的范围内出现海水的温度极大值。本文对次表层暖水湍流热通量方面开展了研究。文中采用PP方法，用2008年第三次北极考察实测密度剖面数据，并使用上文中Ekman漂流方法，利用Ekman剪切估算海水垂直湍流扩散系数的垂向分布，表明海洋上部湍流扩散系数较大，达到1.5×10~(-2)m~2/s，湍流热通量较大；而跃层及以下垂向湍流热扩散系数只有1×10~(-5)m~2/s到8×10~(-5)m~2/s，湍扩散散失的能量较少，次表层获得的太阳能得以储存，使次表层暖水得以维持，密度跃层的存在是次表层暖水形成的原因之一。 次表层暖水的能量扩散主要是通过湍扩散来实现的。观测数据表明，次表层暖水通过湍扩散输出的能量通量在5W/m~2以下。次表层暖水处热通量很小，是由于那里海水层化抑制了湍流扩散，湍扩散系数小于表层海水，使得能量得到积累，导致次表层暖水温度较高。这样小的扩散系数使得次表层暖水积累能量形成温度峰值。 本文提出，通过次表层暖水热通量可以估计进入海水的太阳辐射能FT。结果表明，各站平均太阳辐射能相差较大，在几W/m~2至百余W/m~2的范围内，认为是冰层的厚度不同造成的。当冬季到来太阳辐射减弱或消失后，次表层暖水不会迅速消失，其积累的热含量仍将使次表层暖水存在较长一段时间。本文的计算结果表明，次表层暖水可以存留1-4个月时间。次表层暖水处储存了较多的能量，由于海水层化等原因导致次表层暖水处湍流热通量较小，能量释放率较低，从而使次表层暖水长期缓慢地向外释放能量。 【关键词】：Ekman漂流 海洋层化 次表层暖水 温度结构 能量
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P732
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 引言11-21
• 1.1 背景知识简介11-13
• 1.2 研究历史与现状13-15
• 1.3 研究意义15-16
• 1.4 研究海域概况16-20
• 1.5 创新点和主要内容20-21
• 第二章 数据介绍21-25
• 2.1 第三次北极考察数据介绍21-22
• 2.2 第四次北极考察数据介绍22-25
• 第三章 海洋层化和海冰漂移速度变化对北极冰下海洋 Ekman 漂流的影响25-37
• 3.1 层化条件下冰下 Ekman 层流场的计算25-27
• 3.2 实测 Ekman 漂流27-33
• 3.2.1 从实测流速中分离出 Ekman 漂流剖面27-28
• 3.2.2 冰下 Ekman 漂流剖面观测结果分析28-33
• 3.3 层化和海冰运动对 Ekman 漂流的影响33-36
• 3.3.1 海水层化条件下 Ekman 剖面结果的差异33-35
• 3.3.2 海冰漂移速度的变化对 Ekman 流剖面的影响35-36
• 3.4 结果与讨论36-37
• 第四章 北冰洋次表层暖水的热通量与维持机制37-50
• 4.1 次表层暖水湍流热扩散系数的计算方法37-45
• 4.1.1 各站次表层暖水的温度结构37-40
• 4.1.2 各站湍扩散系数的计算40-45
• 4.2 次表层暖水热通量和热含量的计算45-49
• 4.2.1 湍扩散能量通量的计算45-46
• 4.2.2 对进入海水表面太阳能的估计46-47
• 4.2.3 热含量及存留时间47-49
• 4.3 结果与讨论49-50
• 第五章 总结50-53
• 参考文献53-56
• 致谢56-57
• 个人简历57
• 发表的学术论文57

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