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海洋温盐台阶流态盐指界面特性研究

陈文渊  杨延涛  
【摘要】:盐指型温盐台阶流态广泛存在于热带海洋上层海水中,是影响海洋中热量和物质垂直混合输运的关键物理过程之一。该流动形态主要表现为平均温度和盐度剖面在深度方向出现明显的台阶状分层现象,不同层之间由高温盐梯度界面分隔。当前人们普遍认为台阶流态由温盐梯度共同驱动的双扩散对流机制产生,但是对双扩散对流如何导致台阶状分层现象的具体物理过程仍不明确。这方面一个重要的理论是所谓的Collective instability;该理论指出在充分发展和初始均匀的盐指场中,存在不稳定的重力波模态,且此类模态可能会破坏均匀盐指场并导致台阶状流态的出现。理论给出当关键控制参数Stern数大于1时,不稳定模态就会发展。然而以往的众多实验和数值模拟给出Stern数大于1且稳定存在的盐指场。本研究针对盐指型温盐台阶流动开展系统性直接数值模拟研究和理论分析,重点关注高温盐梯度的盐指界面的特性以及Collective instability的适用性。通过特殊的初始条件设置,我们能够获得稳定存在的单一盐指层或温盐台阶流态。分析表明,单一盐指层的结果与前人类似,即在很大Stern数取值范围内盐指结构都能够稳定存在。而对于温盐台阶流态内部的盐指界面,其Stern数都小于1。我们的结果表明,文献中常用的盐指模型和温盐台阶中的盐指界面可能具有完全不同的特性。这些发现对利用实验和数值模拟结果发展海洋温盐台阶的参数化模型有重要的参考价值。

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