北冰洋雙擴散階梯結(jié)構(gòu)與無雙擴散海域的特殊物理過程.pdf

1、利用2008年中國第三次北極科學(xué)考察的CTD和LADCP數(shù)據(jù),研究了北冰洋加拿大海盆的雙擴散階梯結(jié)構(gòu)與無雙擴散海域的特殊物理過程。數(shù)據(jù)表明,雙擴散階梯在加拿大海盆廣泛存在,既是溫度階梯,也是鹽度階梯。在加拿大海盆中部和北部的深水海域觀測到了明顯的雙擴散階梯,階梯結(jié)構(gòu)在深度分布上有顯著的空間差異。雙擴散階梯發(fā)生在100～500 m的深度范圍內(nèi),穩(wěn)定的階梯結(jié)構(gòu)位于溫躍層所在深度,階梯高度1～5 m,深度較大的階梯通常是復(fù)合階梯。雙擴散階梯發(fā)

2、生在北冰洋的主鹽度躍層,也是密度躍層,是北極中層水與上層水的分界面,躍層強烈的層化和障礙層抑制了海水的垂向湍流混合。雙擴散階梯的存在意味著海洋湍流運動非常微弱,穿越雙擴散海域的垂向熱通量很小,微弱的熱損失使得北極中層水在長距離輸送過程中保持其溫度特征。自從1999年起,北極中層水增暖的信號進入加拿大海盆,雙擴散階梯的存在使增暖的信號在北冰洋得以長距離保持,成為示蹤北極中層水運移路徑的重要信號。基于雙擴散熱通量定律,估計200～300 m

3、深度平均的雙擴散熱通量約為0.05～0.22Wm-2,與近期的研究結(jié)果接近,與較早的研究結(jié)果相比大了一倍,可能是中層水增暖導(dǎo)致雙擴散熱通量增大。但由于雙擴散熱通量遠小于表面混合層對海冰的平均熱通量,北極中層水的熱量很少進入海洋上層,因此,在加拿大海盆中部和北部,來自北極中層水的垂向熱通量對海表面熱收支的影響不是重要的。但是,在加拿大海盆南部海域和海盆邊緣,較強的湍流運動導(dǎo)致雙擴散階梯消失,北極中層水的熱量可能對上層海洋結(jié)構(gòu)和熱通量產(chǎn)生顯

4、著影響。計算得到的無雙擴散海域200～300 m深度平均的垂向熱通量約為0.64～0.89Wm-2,比雙擴散海域的垂向熱通量大4～10倍。正是這更大的垂向熱通量導(dǎo)致了北極中層水的熱量無法保持,也導(dǎo)致了中層水增暖信號被削弱。加拿大海盆的大范圍海域存在雙擴散階梯,使中層水增暖信號在北冰洋得以長距離保持,但在加拿大海盆南部陸坡附近海域不存在雙擴散階梯現(xiàn)象,觀測發(fā)現(xiàn)那里的中層水增暖信號也趨于消失,表明那里存在較大的垂向熱通量。選耳義波弗特海,將

5、實測的無雙擴散海域劃定為“熱損失帶”,并從兩方面計算了在這個海域北極中層水的熱量損失:一方面,基于PP參數(shù)化方案,計算通過密度躍層向上的湍流熱擴散率約為3.59×1010J/s;另一方面,計算流入和流出熱損失帶的北極中層水的熱含量之差,用以估計北極中層水流經(jīng)熱損失帶過程中熱含量的損失率,計算的結(jié)果約為6.70×1010J/s。垂向湍流熱擴散率與熱含量損失率的量級相同,表明北極中層水在流動過程中熱含量降低主要是垂向湍流熱擴散造成的。雙擴散

6、對流導(dǎo)致的階梯狀均勻混合在加拿大海盆廣泛存在,在雙擴散海域北極中層水的熱量很少進入海洋上層。而在無雙擴散海域湍流運動破壞了雙擴散階梯,打破了北極中層暖水的物理封閉性。較大的熱量損失表明該海域湍流運動很強,其可能原因有兩個:其一,陸坡海域受側(cè)邊界摩擦的影響,使湍流運動增強,導(dǎo)致北極中層水較大的垂向熱輸運;另一個原因是海水的補償運動可能在波弗特海陸坡附近發(fā)生上升流,上升運動將密度躍層向上提升。躍層深度變淺將受到表面運動更大的影響,導(dǎo)致湍流運