海洋层结

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[拼音]：haiyang cengjie

[外文]：ocean stratification

海水的密度、温度、盐度等热力学状态参数随深度分布的层次结构，通常尤指铅直尺度不小于常规海洋学观测层次间距的层次结构。

海洋是处于旋转地球上受重力作用的广袤的含盐水体。在海面受太阳辐射的不均匀加热，以及不同气候带的大气的动力学和热力学作用下，各海区海水的温度、盐度和密度都有显著的差异，但其铅直分布却呈现出某种有规律的宏观层次结构。观测表明，被太阳辐射加热的海洋上层，温度较高，密度较小，导致海水的温度随深度而下降，密度随深度而增加的特性；而重力的作用，则使状态参数具有这种分布的海水，处于流体静力学平衡的稳定状态。在海洋的表层，由于风和波浪的搅拌作用，形成了一个基本均质的水层，其厚度仅约100米。这一水层，通常称为风混合层或上混合层。在此水层之下，则有一个厚约1000～1500米的过渡层，其中温度、盐度和密度随深度的分布，一般不是渐变的，而是具有一个很大的阶跃，有时呈现为一系列的阶跃。这样的水层，通常称为跃层，或更确切地分别称为温度跃层、盐度跃层和密度跃层。在跃层之下更深的水层中，温度、盐度和密度的铅直分布，几乎处于均匀状态。这一水层，称为深层或下均匀层。（见图）

图

度量海水层结的一个最常用的特征参数是浮力频率N(z)，即在稳定层结的流体中，受扰动的流体在浮力作用下，相对于平衡位置作上下振荡的固有频率。

式中g为重力加速度；ρ为海水密度；z为铅直坐标，原点和海面重合，以向上为正；(dρ/dz)A表示海水作垂直位移的绝热密度梯度。当N2(z)>0，即(dρ/dz)<(dρ/dz)A时，层结是稳定的；当N2(z)=0，即(dρ/dz)=(dρ/dz)A时，层结是中性稳定的；当N2(z)<0，即(dρ/dz)>(dρ/dz)A时，层结是不稳定的。

在海洋学上，通常还引入若干便于计算的 N2（z）的表达式。例如，按声速的定义和流体静力学平衡条件dp/dz=-gρ（p表示压强），有

(dρ/dz)A=(дρ/дp)A(dρ/dz)=-gρ/c2式中c表示海水中的声速。准此，

在海洋的上层和中层，除了密度近似均匀的上混合层以外，上式右方的第一项远大于第二项，而稳定层结条件便简化为dρ/dz<0。

其次，利用海水状态方程ρ=ρ(T，p，S)可以导出

式中T为温度；S为盐度；cp和cV分别表示海水的定压比热容和定容比热容。对于温度和盐度的铅直梯度都很小的上混合层和深度大于3000～3500米的深层来说，按上式计算N2(z)是很方便的。反之，对于dT/dz和dS/dz较大的水层来说，上式第2项可以忽略不计，于是

式中σt=[ρ(T，pa，S)-1]×103为海水的条件密度，pa表示一个大气压。

此外，如引入海水的绝热温度梯度Γ，则可将N2(z)表示为

式中α=-(1/ρ)(дρ/дT)p，s，即海水在压力为p，盐度为S时的热胀系数，对于海水来说，一般地有gρΓ埄10-4°C/m，并且α>0。故当盐度梯度不很大时，层结稳定性条件实际上便归结为dT/dz>0。

观测结果表明，在海洋上混合层和深层，N 值最小，其量级为10-3～10-4秒-1(相应的周期为1.7～17小时)；在跃层处，N值最大，其量级为10-2秒-1（相应的周期约为10分钟）。据G.加勒特和W.H.蒙克在1972年发表的研究结果，在大洋中，除了高纬度海区、赤道海区和西部边界流海区外，上混合层以下的N(z)分布可表示为

N(z)=N(-200)exp[(z +200)/1300]，z ≤-200m

式中N(-200)一般可取为5.23×10-3秒-1。

海水稳定层结的一个重要后果是抑制铅直方向的运动，而这个约束却有助于发展准水平的大尺度运动。由于海洋中的大尺度运动是显著地受地球自转影响的，因此在稳定层结海洋中大尺度的流速场和密度场之间，存在着密切的关系，这种关系就是海流动力学计算中的“地转关系”。

海水密度稳定层结的上述效应，通常采用下列两个无量纲数来度量：

（1）理查孙数

Ri=N2/(дu/дz)2

式中u表示水平流速，有关稳定层结流体中的剪流稳定性的实验表明，当Ri>1/4时，浮力效应足以抑制由流速铅直梯度所造成的动力学不稳定性；反之，当Ri≤1/4时，将出现剪切不稳定性，使铅直方向上的运动和湍流得以发展。对于海洋中的大尺度运动来说，除了近乎均匀的上混合层和近底摩擦层以外，Ri的数值一般介于 104～105之间，因此，可以认为海洋中的大尺度运动总是重力稳定的。

（2）伯格数

式中H和L分别表示运动的特征铅直尺度和特征水平尺度；嚻表示N(z)在特征铅直尺度上的平均值；f为地转参数， 即地转角速度矢量的局地铅直分量；长度尺度LR=嚻H/f，称为内罗斯比变形半径。对于海洋中的准水平大尺度运动和相应的密度场来说，一般地可取 N 2埄 10-3 秒-1，H 埄(4～5)103米，L埄 103米，f 埄10-2秒-1（中纬度海区），从而可得Bu 的量级1，这表明层结效应是重要的；然而，对于水平尺度更大的运动来说，则有Bu<<1，在这种情况下，层结效应退居次要地位。

参考书目
  1. O.M.Phillips，The Dynamics of the Upper Ocean，2nded.，Cambridge Univ.Press，Cambridge，1977.
  2. J.S. Turner，Buoyancy Effects in Fluids，Cambridge Univ. Press，Cambridge，1973.
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