关于海洋细微结构介绍

[拼音]：haiyang xiwei jiegou

[外文]：fine and microstructure in the ocean

海洋物理要素场的小尺度结构。通常指铅直尺度小于常规海洋学观察层次间距的海水状态参数（如温度、盐度、密度和流速等）的层次结构。这类小尺度的海水结构，一般又可分为细结构和微结构两种：铅直尺度为1～100米的，称为细结构；铅直尺度小于1米的，称为微结构。在微结构现象中，分子过程起着主要作用。

早在20世纪40年代，海洋学者已开始对海水的温度和盐度的铅直分布的细结构，进行过一些初步的研究，但当时由于观测手段的限制，这方面的研究未能得到进一步的发展。60年代以来，随着海洋观测技术的进步，电导率-温度－深度记录仪(CTD)、温度-深度记录仪(STD)、投弃式深度-温度仪(XBT)、投弃式盐度-温度-深度记录仪(XSTD)、热敏电阻测温链、声学剖面仪和自由沉降式微结构记录仪等新型观测仪器先后问世。现代海洋调查能够在广阔的海区中准确而又快速地观测到海洋水文要素场的铅直结构的细节，而且对于微结构观测的分辨率，已达到厘米级甚至毫米级的水平，从而使海洋的细微结构的研究得到了很大的发展，并成为海洋物理学研究中的一个非常活跃的领域。

精密的海洋观测和实验表明，海水的温度和盐度等状态参数的分布和变化，并不象常规调查结果所显示的那样光滑而连续，而是存在着许多时空尺度较小的复杂结构，其中特别明显的是铅直方向上，有一系列的、由许多近乎均匀的水层和较薄的强梯度水层相间叠置的阶梯状结构。在这种小尺度的铅直结构中，强梯度薄层内的梯度值，一般比铅直平均的梯度值高1～2个量级，并且常伴随着显著的流速铅直切变。例如：通过直布罗陀海峡流入大西洋的高温、高盐的地中海水与低温、低盐的大西洋深层水上下叠置时，温度和盐度的层结呈现阶梯状的结构。其中，自1200～1800米的深度内，约有20个温度和盐度的阶梯分布，其平均厚度约20米;而两个阶梯之间的强梯度薄层平均厚约7米，温度和盐度的阶跃很大，其平均值分别为0.20°C和0.03（图1）。在低温、低盐的北冰洋水与来自大西洋的高温、高盐水上下叠置时，大约自深度为220～340米之间有34个温度铅直跃变的阶梯。相邻两阶梯间的薄层厚度约为20厘米，温度阶跃近似为常数（0.26°C）；各阶梯的厚度大致介于2～10米之间（图2）。南极威德尔海的温度和盐度的铅直分布也呈现阶梯状结构。

因为海水的密度是温度、盐度和压强（深度）的函数，当温度和盐度出现阶梯状结构时，密度也会出现相应的阶梯结构。但一般而论，由于温度和盐度的变化，对密度的影响是相互补偿的，因此，海洋水层中密度的铅直分布近似于连续分布。

海洋中的流速铅直分布，也有类似于温度和盐度的细微结构。 在温度强梯度薄层中， 流速铅直切变模量G＝(dν/d)2相应出现峰值， 其量级为10-4秒-2（ν为流速，z为垂直坐标）；而在各阶梯层内，流速的平均切变模量约为10-5秒-2。计算表明，在强梯度薄层中，理查孙数的量级为 1，呈稳定层结状态；但在各阶梯层内理查孙数较小，海水大体上处于临界（中性）稳定状态。

大量的观测表明，海水状态参数铅直分布的细微结构，并非个别海区或个别水层的特殊现象，而是海洋中普遍存在的重要特征。一般认为，导致海水层结的细微结构的原因很多，主要有以下4种假说：

（1）侧向热盐输送假说。在铅直层结不同的两个相邻水团的相对运动过程中，侧向（准水平方向）平流和混合扩散所导致的热量和盐量输送，可以使温度和盐度在铅直方向出现阶梯状的多层结构，而铅直方向的混合扩散效应，则有助于在各阶梯层中形成温度和盐度的近似均匀的铅直分布。

（2）内波作用假说。稳定层结海洋中经常发生的内波，在其上下起伏和破碎过程中，可以使水层中的温度、盐度和密度场发生畸变；而内波场中水质点的运动速度的铅直切变不稳定性和波峰破碎，又可产生散发性的波状湍流。这些源于内波的运动学和动力学效应，都可以导致水层中的温度、盐度、密度及流速在铅直方向的阶梯状结构。

（3）双扩散对流假说。即使海水流速为零或流速的铅直切变不稳定性可以忽略的情况下，也可以形成温度和盐度的阶梯状结构。例如，在高温高盐海水和低温低盐海水上下叠置的稳定层结状态下，若上下水层的密度差异较小，则在这两种热盐性质不同的海水交界面上，由于分子热传导效应比盐量扩散效应强得多（热传导系数和盐分子扩散系数的量级分别为10-3和10-5厘米2/秒），上层的高盐海水因失热较快而冷却下沉，下层的低盐海水因受热较快而增温上升，从而发生对流。这种由海水的热盐扩散效应显著差异而产生的上下对流运动，是在热盐性质不同的水层界面上以簇状小水柱的形式出现的，通常形象地称为“盐指”。实验表明，盐指的长度一般介于20～30厘米之间，盐指间的距离约1厘米。上升的盐指成簇地从界面的上表面升起，下降的盐指则成簇地从界面的下表面沉降，而在离开盐指生成处稍远的海水便通过补偿流的形式来补充离去的盐指。因此，界面仍能保持其原来的强梯度薄层状态，而界面上下的水层内，则因受升降盐指的搅拌作用而变得均匀，这样就逐渐形成了温度和盐度铅直分布的多层阶梯状结构。此外，当低温低盐海水和高温高盐海水上下叠置时，则有可能产生双扩散层结现象。这是因为界面上的低盐海水会因受热较快而增温上升，而界面下的高盐海水会因失热较快而冷却下沉。这种对流运动同样可导致温度和盐度的多层阶梯状结构。出现双扩散现象时，由于对流运动的不稳定性，在水层中会出现较强的混合过程，使温度和盐度的铅直分布呈现非常复杂的多层结构。

（4）海水混合凝缩假说。由于海水状态方程不是线性的，在T-S（温度-盐度）坐标平面上，等密度线凹向密度增大的方向。因此，由温度和盐度不同的两种海水混合后的海水，其密度必然大于原来两种海水的密度平均值；即使密度相同而温度和盐度各不相同的两种海水混合时，情形也是如此。海水混合时密度增大的效应，可以引起铅直对流，从而对海水的温度和盐度铅直分布的阶梯状结构的形成，起一定的作用。例如，当高温低盐海水与低温高盐海水上下稳定叠置时，发生在界面上的小尺度对流，是不能用双扩散对流假说来解释的，但却可用海水混合凝缩作用予以说明。

在自然条件下，海水状态参数铅直分布的细微结构往往是多种过程或效应联合作用的结果。在这个问题上，还需要进一步的观测、实验和理论研究。

海水状态参数铅直分布的细微结构，对声波在海洋中的传播有很大的影响：细微结构的存在，可使声散射增强，引起局地声强的急剧改变，影响海洋温跃层的声道的传输性能，从而使海洋中的声能传播图象比常规海洋学观测所揭示的图象更加复杂。此外，海洋细微结构的观测和研究，对于估计通过海洋跃层（特别是大洋主跃层）的铅直热交换速率，了解海洋湍流和海洋中的混合扩散过程，都有重要的意义。

参考书目

1. 寺本俊彦編：《海洋物理学》Ⅰ，《海洋学講座》Ⅰ，東京大学出版会，東京，1974。
2. J. S. Turner， Buoyancy Effects in Fluids，Cambridge Univ. Press，London，1973.