海洋湍流研究动态

专，溻 ； ；霉 蝴 771 海洋湍流研究动态 (青岛海洋大学物理海洋研究所，青岛266003) a’7’ 第29届国际列日海洋动力学研讨会于 1997年5月5日至9日在比利时王国列日大学召 开，会议主题是“海洋湍流的回顾”。来 自23个国家的 109名专家参加会议，发表90余 篇。会议对下述几个问题进行了研讨。 1 小尺度湍流机制 小尺度湍流机制研究是本次会议的重头戏。内波及表面渡破碎对湍能耗散的重要影响， 兰米尔环流在近表层输运中的作用等是目前海洋界研究的热点。国际知名海洋学家 S Lei— bovich报告了兰米尔环引起的海表混合层的侧向输运。德国著名海洋学家J．Backhause认为 兰米尔环引起的海洋垂直对流对维持一定的营养盐浓度、保证春季浮游植物水华起了重要作 用。通过对表面波破碎的观测与研究，许多学者认为破波对于湍流能量的耗散远大于经典模 式所模拟的量值。内潮与内波引起的层化海洋中强烈的内混合也为人们普遍关注，一般认为 湍流的产生与耗散均发生在边界之中，此次会议有人认为由于内潮的高度非线性，产生向岸传 播的孤立内波，温跃层中将发生有效混合，因而至少在陆架边缘处(产生内潮区)内混合与边界 混样重要。 2 湍流与海洋生物的关系 随着海洋生态系统动力学研究的开展，物理海洋学与生物学的联系更加紧密。物理学家 越来越重视一定物理条件下的生命活动，生物学家也越来越关心生物生活的物理环境，因此本 次会议有不少生物学家参加。学科交叉为海洋动力学的发展增强了生命力。如所周知，小尺 度湍流对浮游生物的接触率、摄食率、生长率都有重要影响。丹麦科学家对湍流与仔鱼进食的 关系进行了现场观测，所提供的录像直观表明仔鱼进食率随湍流强度增加而增加。 日本学者 山崎秀胜则用数学模型研究了浮游生物个体在海洋湍流中的运动。另一位丹麦学者 T．Kior— hoe对湍流与“海洋雪”的形成及浮游生物进食三者关系进行探讨。海洋雪指海中悬浮颗粒絮 凝形成的mm—cm粒径的絮团，它对海中物质的垂直通量有重要影响，湍流则造成悬浮颗粒物 的碰撞和絮凝。Kiorboe建立的模式表明湍流对 mm cm粒级浮游植物的捕食者的进食率影响 显著。 3 湍流模型研究 湍流模型是研究湍流宏观效应的主要途径，自70年代中期以来，在大量引入的空气动力 学湍流封闭模型中，应用最为广泛的是 Mellor—Yamada的 k—kl模式和 Rodi的 k-E模型。考察 模型中湍流参数化的合理性，使湍流模型对海洋的模拟更接近真实，是此次会议的一个主要目 77 维普资讯 http://www.cqvip.com 的，也是海洋湍流研究的一个焦点。学者们从海上现场观测、计算机数值实验两个方面检验模 型中湍动能生成率、湍流耗散率、湍扩散系数等的量值及合理性。 湍耗散、雷诺应力等的现场观测是海洋湍流研究一个非常活跃的前沿，欧、美各国组织了 多次大规模观测，使用了宽频ADCP(多普勒声学海流剖面仪)、CTD(电导率一温度一深度剖 面仪)、MST(微结构温度或剪切剖面仪)等先进仪器。许多论文是关于生成率、耗散率、应力、 剪切等的量测或模型与观测比较的研究。其中美国Stanford大学和加拿大 Victoria大学的研 究最富代表性，他们用测量结果检验了几种常用的封闭模型，发现对潮生渠道涨潮时模型与观 测相符，落潮时有出人；对层化河口，浮力修正的一方程结果劣于 Mellor-Yamada模型， 旨者 对盐度的垂直输运仍不能提供较好的模拟。目前尚未找到与观测完全相符的模型，但“头测 检验模型参数，减少人为定参的主观色彩，是湍流模型研究的一个方向。 模型的数值研究与比较是另一个关注的话题。除法国学者提出湍流模型(k．e)在地中海 的非各向同性修正，我们提出齐次湍能输运方程封闭模型外，其余均集中于已有模型的应用或 比较。意大利联合研究中心的 Hans Burchart及德国汉堡大学Baumer比较了 k—kl与 k_￡异 同，并用 FLEX’76资料进行检验，发现两者对观测的模拟几乎相同，参数选取相近，只是 k_￡ 计算稳定性优于 k—kl_应用中，英、美学者偏爱 Mellor-Yamada的k．k1模型，欧洲大陆学者更推 崇后者，实际上两者相差甚微，结果可以相互比较。 会上俄罗斯学派引人注目，他们远离海洋，因而更注重实验室研究。他们在海洋内波、湍 流混合的普适性与复杂性、海洋湍流的基本特征等理论研究方面自成体系。 (上接第76页) 观测和数值模拟都表明边界层对地面锋有较明显的影响作用，但由于边界层物理过程的 复杂性，对该问题仍缺乏了解。地面摩擦及与之有关的湍流混合作用对锋面强度的总的作用 是锋生还是锋消仍然不够清楚。另外，许多地面锋前缘表现出密度流结构，邯么锋面结构与密 度流在动力学本质上有何联系?Snyder和 Keyser利用一个二维、包含边界层物理过程的数值 模式讨论了边界层与锋面的耦合作用。对于水平温度梯度较小的宽锋面来说，平流项作用较 小，此时在边界层中主要是处于科氏力、气压梯度力和湍流摩擦力的平衡，所以问题可以简化 为在其内域流动呈准地转特征．而在边界上与 Ekman层的耦合。此时地面摩擦将是锋消作 用。这是由于Ekman的抽吸使内层流的旋转减弱造成的，而不是湍流扩散对锋面的“光滑”作 用所致。当锋面尺度、水平温度梯度增大时，边界层中平流作用变得越来越重要，边界层将起 锋生作用。此时锋面与正的垂直相对涡度有关，在锋面附近，边界层流为辐合，增强锋生。由 于地面摩擦对于中尺度锋面来说具有强烈的锋生作用，所以地面锋的水平尺度较窄。此时跨 锋的动量方程中跨锋平流项与气压梯度平衡，而密度流具有类似的平衡特征，所以一个窄地面 锋具有与密度流类似的特征。数值模拟结果证实了这个结论：在锋面的前缘附近气压秭度力 与平流加速度项相平衡，而远离地面锋的区域仍满足 Ekman层的三力平衡，这与密度流动力 特征有较大的不同。但这里仍然不很清楚，锋面的局地动力学，在跨锋的加速度与气压梯度平 衡时，如何与中尺度锋和边界层的动力学相匹配。 维普资讯 http://www.cqvip.com