海洋層結

　　海水的密度、溫度、鹽度等熱力學狀態參數隨深度分佈的層次結構，通常尤指鉛直尺度不小於常規海洋學觀測層次間距的層次結構。

　　海洋是處於旋轉地球上受重力作用的廣袤的含鹽水體。在海面受太陽輻射的不均勻加熱，以及不同氣候帶的大氣的動力學和熱力學作用下，各海區海水的溫度、鹽度和密度都有顯著的差異，但其鉛直分佈卻呈現出某種有規律的宏觀層次結構。觀測表明，被太陽輻射加熱的海洋上層，溫度較高，密度較小，導致海水的溫度隨深度而下降，密度隨深度度而增加的特性；而重力的作用，則使狀態參數具有這種分佈的海水，處於流體靜力學平衡的穩定狀態。在海洋的表層，由於風和波浪的攪拌作用，形成瞭一個基本均質的水層，其厚度僅約100米。這一水層，通常稱為風混合層或上混合層。在此水層之下，則有一個厚約1000～1500米的過渡層，其中溫度、鹽度和密度隨深度的分佈，一般不是漸變的，而是具有一個很大的階躍，有時呈現為一系列的階躍。這樣的水層，通常稱為躍層，或更確切地分別稱為溫度躍層、鹽度躍層和密度躍層。在躍層之下更深的水層中，溫度、鹽度和密度的鉛直分佈，幾乎處於均勻狀態。這一水層，稱為深層或下均勻層。（見圖）

　　度量海水層結的一個最常用的特征參數是浮力頻率N(z)，即在穩定層結的流體中，受擾動的流體在浮力作用下，相對於平衡位置作上下振蕩的固有頻率。

式中g為重力加速度；ρ為海水密度；z為鉛直坐標，原點和海面重合，以向上為正；(dρ/dz)_A表示海水作垂直位移的絕熱密度梯度。當N²(z)>0，即(dρ/dz)＜(dρ/dz)_A時，層結是穩定的；當N²(z)=0，即(dρ/dz)=(dρ/dz)_A時，層結是中性穩定的；當N²(z)＜0，即(dρ/dz)＞(dρ/dz)_A時，層結是不穩定的。

　　在海洋學上，通常還引入若幹便於計算的N²（z）的表達式。例如，按聲速的定義和流體靜力學平衡條件dp/dz=-gρ（p表示壓強），有

　　 (dρ/dz)_A=(дρ/дp)_A(dρ/dz)=-gρ/c²

式中c表示海水中的聲速。準此，

在海洋的上層和中層，除瞭密度近似均勻的上混合層以外，上式右方的第一項遠大於第二項，而穩定層結條件便簡化為dρ/dz＜0。

　　其次，利用海水狀態方程ρ=ρ(T，p，S)可以導出

式中T為溫度；S為鹽度；c_p和c_V分別表示海水的定壓比熱容和定容比熱容。對於溫度和鹽度的鉛直梯度都很小的上混合層和深度大於3000～3500米的深層來說，按上式計算N²(z)是很方便的。反之，對於dT/dz和dS/dz較大的水層來說，上式第2項可以忽略不計，於是

式中σ_t=[ρ(T，p_a，S)-1]×10³為海水的條件密度，p_a表示一個大氣壓。

　　此外，如引入海水的絕熱溫度梯度Γ，則可將N²(z)表示為

式中α=-(1/ρ)(дρ/д_T)_p，_s，即海水在壓力為p，鹽度為S時的熱脹系數，對於海水來說，一般地有gρΓ≃10^-4°C/m，並且α＞0。故當鹽度梯度不很大時，層結穩定性條件實際上便歸結為dT/dz＞0。

　　觀測結果表明，在海洋上混合層和深層，N值最小，其量級為10^-3～10^-4秒^-1(相應的周期為1.7～17小時)；在躍層處，N值最大，其量級為10^-2秒^-1（相應的周期約為10分鐘）。據G.加勒特和W.H.蒙克在1972年發表的研究結果，在大洋中，除瞭高緯度海區、赤道海區和西部邊界流海區外，上混合層以下的N(z)分佈可表示為

N(z)=N(-200)exp[(z+200)/1300]，z≤-200m

式中N(-200)一般可取為5.23×10^-3秒^-1。

　　海水穩定層結的一個重要後果是抑制鉛直方向的運動，而這個約束卻有助於發展準水平的大尺度運動。由於海洋中的大尺度運動是顯著地受地球自轉影響的，因此在穩定層結海洋中大尺度的流速場和密度場之間，存在著密切的關系，這種關系就是海流動力學計算中的“地轉關系”。

　　海水密度穩定層結的上述效應，通常采用下列兩個無量綱數來度量：

　　① 理查孫數

　　 　

Ri=N²/(дu/дz)²

式中u表示水平流速，有關穩定層結流體中的剪流穩定性的實驗表明，當Ri＞1/4時，浮力效應足以抑制由流速鉛直梯度所造成的動力學不穩定性；反之，當Ri≤1/4時，將出現剪切不穩定性，使鉛直方向上的運動和湍流得以發展。對於海洋中的大尺度運動來說，除瞭近乎均勻的上混合層和近底摩擦層以外，Ri的數值一般介於10⁴～10⁵之間，因此，可以認為海洋中的大尺度運動總是重力穩定的。

　　② 伯格數

式中H和L分別表示運動的特征鉛直尺度和特征水平尺度；N表示N(z)在特征鉛直尺度上的平均值；f為地轉參數，即地轉角速度矢量的局地鉛直分量；長度尺度L_R=NH/f，稱為內羅斯比變形半徑。對於海洋中的準水平大尺度運動和相應的密度場來說，一般地可取N²≃10^-3秒^-1，H≃(4～5)10³米，L≃10³米，f ≃10^-2秒^-1（中緯度海區），從而可得Bu的量級1，這表明層結效應是重要的；然而，對於水平尺度更大的運動來說，則有Bu＜1，在這種情況下，層結效應退居次要地位。

　　

參考書目

　O.M.Phillips，The Dynamics of the Upper Ocean，2nded.，Cambridge Univ.Press，Cambridge，1977.

　J.S.Turner，Buoyancy Effects in Fluids，Cambridge Univ.Press，Cambridge，1973.