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热带海洋学报 >

2018 , Vol. 37 >Issue 5: 33 - 39

DOI: https://doi.org/10.11978/2017129

夏季长江河口层化与湍流混合特征分析

  • 林姚坤 , 1, 2 ,
  • 包芸 1 ,
  • 陈起程 2 ,
  • 吴加学 , 2
展开
  • 1. 中山大学力学系, 广东 广州510275
  • 2. 中山大学海洋科学学院, 广东 广州510275
通信作者:吴加学(1968—), 男, 博士, 教授, 主要研究海洋湍流混合与泥沙输移、多尺度沉积动力过程。E-mail:

作者简介: 林姚坤(1992—), 男, 硕士研究生, 主要从事河口动力学研究。E-mail:

收稿日期: 2017-12-12

  要求修回日期: 2018-01-26

  网络出版日期: 2018-10-13

基金资助

国家重大科学研究计划全球气候变化研究专题(2013CB956502)

国家自然科学基金面上项目(41576091)

收起

Summertime stratification and turbulent mixing in the Yangtze Estuary

  • LIN Yaokun , 1, 2 ,
  • BAO Yun 1 ,
  • CHEN Qicheng 2 ,
  • WU Jiaxue , 2
Expand
  • 1. Department of Mechanics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
  • 2. School of Marine Sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
Corresponding author: WU Jiaxue. E-mail:

Received date: 2017-12-12

  Request revised date: 2018-01-26

  Online published: 2018-10-13

Supported by

National Basic Research Program of China (2013CB956502)

National Natural Science Foundation of China (41576091)

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热带海洋学报编辑部
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摘要

利用2016年夏季长江河口现场水文特性与湍流微结构观测资料, 分析了长江河口水体温盐结构、层化发育、湍流与混合特征。结果表明: 1)夏季长江河口水体密度层化结构明显, 根据各层水体密度梯度差异, 可将水体分为底部混合层和上层密度跃层, 两部分的密度层化界限与浮力频率等值线lg N 2 = - 4.0接近。2)底部混合层湍动能耗散率大, 层化结构弱, 水体分层稳定性弱; 上层密度跃层湍动能耗散小, 层化结构强, 水体分层稳定性强, 这有利于河口内波的发育与传播。3)在密度层化的作用下, 水体的湍动能耗散率、湍动能剪切生成及浮力通量的能量关系在一定范围内符合湍动能局部能量平衡方程。不同层之间的湍流弗劳德数Frt和湍流雷诺数Ret在Frt-Ret平面上呈现明显的分区, 与经典的分层剪切流理论基本吻合。

关键词： 分层流; 浮力频率; 底部混合层; 上层密度跃层; 长江河口

本文引用格式

林姚坤 , 包芸 , 陈起程 , 吴加学 . 夏季长江河口层化与湍流混合特征分析[J]. 热带海洋学报, 2018 , 37(5) : 33 -39 . DOI: 10.11978/2017129

Abstract

Hydrological and turbulent microstructural observations were conducted in summer 2016 to analyze the summertime stratification and turbulent mixing in the Yangtze Estuary. The temporal and spatial distributions of salinity, temperature, stratification, and turbulent mixing showed highly-stratified structures in the estuary. The vertical distributions of density vertical gradient in different layers demonstrated bottom mixed layer and upper pycnocline, where a division of the stratification was approximately along the contour line of lgN 2 = - 4.0. The bottom mixed layer had a stronger dissipation rate and unstably-stratified structure, while the upper pycnocline had a weaker dissipation rate and stably-stratified structure, where the formation and spread of internal waves would occur. Under the condition of stratified structure, the dissipation rate, turbulent shear production and buoyancy flux were found to satisfy the local turbulent kinetic energy balance. Turbulent Reynolds number Ret and turbulent Froude number Frt in the bottom mixed layer and the upper pycnocline were distributed in different regions of the Ret-Frt space, indicating that the stratification and mixing in the estuary was in line with the classical theory of Ivey and Imberger (1991).

Key words： stratified flow; buoyancy frequency; bottom mixed layer; upper pycnocline; Yangtze Estuary

层化结构是河口地区常见的自然现象, 是指河口水体的盐度、温度、浊度等物理特性在垂向上的分布呈现出较大梯度的结构。河口的层化结构受气候、径流、波浪、潮汐、海底地貌等各种自然因素的影响, 表现出复杂的时空变化特性。河口水体的层化可能导致在垂向上发育成显著的盐度、温度、泥沙等跃层, 这对水体中各种微生物、营养物、污染物的时空分布与扩散规律以及泥沙、颗粒物、沉积物的输移机制等有着重要的影响(任杰 等, 2012)。河口分层剪切流的参数化也是目前提高河口动力过程与物质输运数值模拟准确性的难点问题。湍流与动量输运、盐度混合之间的相互关系及湍流层化混合过程的动力学机制是深入理解河口过程的关键问题(Simpson et al, 2005)。
河口动力结构与过程的研究开始于20世纪60年代, 当时主要集中在平均流尺度上的观测与河口环流结构的分析(Pritchard et al, 1956), 相对而言, 受湍流观测技术的限制, 河口湍流与混合的研究还停留在经验分析阶段(Hansen et al, 1966)。20世纪90年代以来, 随着海洋传感器科技的发展, 河口与陆架浅海湍流观测技术广泛应用, 如湍流微结构剖面仪、声学多普勒速度剖面仪等, 湍流分量、湍动能耗散率等湍流关键参数可以在原位进行可靠的直接测量, 河口小尺度的层化与湍流混合特性的研究才逐渐开展(Moum et al, 2009)。近年来一些学者开展了层化发育效应与动力机制的研究, Geyer (1993)发现盐度的层化会抑制底边界湍流, 从而影响到底部的泥沙悬浮与沉降。Winterwerp (2001)在研究中也发现河口在近底层的区域会形成泥沙浓度跃层, 这对底边界层泥沙输运过程产生重要的影响。Simpson 等(1990)在Liverpool 湾的研究中, 提出分层机制主要有潮汐混合、潮汐变形及河口环流, 并首次发现了底部较重的盐水比上部较轻的淡水移动速度慢, 从而产生稳定的潮汐应变效应。
本文根据2016年8月15日至16日在长江河口水下三角洲前缘进行的水文特性与湍流微结构观测数据, 分析长江河口水体温盐结构与层化发育、湍流与混合特征, 目的是阐明河口密度层化作用下湍流与混合发育的规律, 从而为深入开展河口环流、物质输移、数值模拟等研究提供参考。

1 现场观测与数据处理

1.1 现场观测方案

夏季长江河口现场观测包括两部分(图1)。
Fig. 1 Locations of field observations in the Yangtze Estuary. Filled squares represent the survey sites along transect M, and open square indicates the mooring site

图1 长江河口现场观测站位分布
实心方点为走航观测剖面, 空心方点A为定点观测站位

1) 河口纵向走航断面观测: 分别通过北港、拦门沙、水下三角洲前缘及其邻近深槽。走航时段为2016年8月15日5:00至15:00, 对M断面进行了10个剖面站位(M1—M10)的走航观测(图1中实心方点)。
2)定点观测: 以M断面上的M7点作为本次定点观测站位A(图1中空心方点), 水深约22m, 位置为122°27′49″E, 31°20′1″N。观测时段为2016年8月15日18:00至次日18:00, 进行25小时的连续潮周期观测。
现场走航与定点观测使用的仪器设备、参数设置及测量要素见表1。在走航剖面的每个站点及定点站位A每隔一小时的整点时刻均采用湍流微结构剖面仪(MSS-90L)进行若干次下放观测, 仪器自水面自由落体沉降, 用于测量水体温度、盐度、浊度和湍动能耗散率等参数的垂向剖面分布。另外在A站点还通过座底三脚架观测系统安装的上视RDI-ADCP(流速剖面仪)和ADV(三维点式流速仪)进行连续25小时的潮周期观测, 以获取高频剖面流速和底层流速。
Tab. 1 Instruments and parameters used in the field observation

表1 观测仪器及参数设置

站位 测量
方式		 仪器 采样频率/Hz 距底高度 测量要素
走航
剖面		 剖面
观测		 MSS-90L
微结构剖面仪		 1024 — 温度、电导率、浊度、流速剪切
定点
站位		 剖面
观测		 MSS-90L
微结构剖面仪		 1024 — 温度、电导率、浊度、流速剪切
座底
观测		 RDI-ADCP
流速剖面仪		 1 1.6m 剖面速度
ADV(两层)
三维点式流速仪		 32 0.25m、
0.7m		 底层流速

1.2 观测数据处理

本次观测中, 温度、盐度及浊度由MSS-90L自带标准CTD(盐温深)探头直接测得。盐度采用电导率定义, 利用MSS-90L测得的电导率与标准哥本哈根电导率的比值, 由海洋图表和标准联合工作组推荐的盐度公式计算盐度(吕华庆, 2012)。密度由温盐数据转化, 其转化计算采用联合国教科文组织定义的国际标准方程(叶安乐 等, 1992)。流速由座底上视RDI-ADCP和近底两层ADV测得, 脉动速度由高频流速作时间平均而得。
浮力频率N2(也称布伦特-维萨拉频率)是层化水体中, 水团在浮力作用下运动时的最大频率, 因此可用来定量地表示水体稳定的程度, 是层化水层中的一个重要变量。由温盐转化得出的垂向高频密度数据ρ, 按下式计算浮力频率:
${{N}^{\text{2}}}=-\frac{g}{\rho }\frac{\partial \rho }{\partial z}$
其中g是重力加速度, z是垂向深度。
湍动能耗散率ε是指在分子黏性作用下, 湍流动能转化为分子热运动的速率, 因此可以用来表征水体中湍流混合的强度。当微结构剖面仪在水体中自由沉降时, 可以由仪器携带的剪切流传感器输出的电压Up转化为垂向脉动流速的剪切值(王子龙 等, 2012):
$\frac{\partial {u}'}{\partial z}=-\frac{\text{1}}{\text{2}\sqrt{\text{2}S{{v}^{\text{2}}}}}\frac{\partial {{U}_{p}}}{\partial t}$
其中, S为传感器灵敏度, 可以通过实验标定确定, ${u}'$为垂向脉动流速, v为仪器沉降速度, t为时间。由式(2)可知沉降速度v直接影响了耗散率的精确度, 本文采用低通滤波的方法对压力值进行处理, 并用相干谱法消去加速度引起的噪声, 以获得更稳定的自由沉降速度v, 对于不满足有效沉降速度的数据予以剔除。
考虑到水体湍流在各向同性时, 耗散率计算可以化为下面公式(Oakey et al, 1982):
$\varepsilon \text{=7}\text{.5}\upsilon \overline{{{\left( \frac{\partial {u}'}{\partial z} \right)}^{\text{2}}}}$
其中$\upsilon $为水体运动粘度, $\overline{{{\left( \partial {u}'/\partial z \right)}^{\text{2}}}}$表示脉动速度剪切在空间上的平均, 本文不直接求解$\overline{(\partial u'/\partial z)^{2}}$, 而采用对脉动剪切进行谱分析, 求出其波数剪切谱E(k), 并在特定波数范围k1、k2内对E(k)进行积分:
$\varepsilon \text{=7}\text{.5}\upsilon \int_{{{k}_{\text{1}}}}^{{{k}_{\text{2}}}}{E(k)\text{d}k}$
其中积分下限k1取1cpm(counts per meter), k2为噪声影响的最大波数。通过与Nasmyth理论谱的拟合和迭代计算确定k2, 从而利用式(4)积分, 得到耗散率ε。如图2a为A站第12h水深9~10m之间的波数剪切谱和Nasmyth理论谱, 拟合效果良好。
Fig. 2 Calculation of dissipation rate at the mooring site A. (a) Shear spectrum and the Nasmyth universal spectrum against the wave numbers at 12th hour between 9~10 m of water depth; (b) the energy spectrum of turbulence at 6th hour at 0.25 m above the bottom, where the sloping solid line corresponds to an idealized fall-off rate of f-5/3 in inertial subrange

图2 水体中的耗散率计算
a. A站第12h水深9~10m间的波数剪切谱和Nasmyth理论谱; b. A站第6h近底层0.25m的流速能量频谱和惯性子区间内的-5/3次方律

Kolmogorov (1941)由量纲分析推导出一维能谱的-5/3定律指出, 耗散率ε和流速的波数谱Φ(k)在惯性子区间内满足Φ(k)=c(i)ε2/3k-5/3, 其中k为波数, c(i)为普适常数, 取垂向流速时c(i)=0.7。根据泰勒冻结假设, 可将波数谱转化为由座底ADV测得的垂向高频脉动流速的能量频谱, 因此可得:
$\varepsilon \text{=}\frac{\text{2 }\!\!\pi\!\!\text{ }}{U}c_{(i)}^{{-\text{3}}/{\text{2}}\;}\overline{{{f}^{\text{5}/\text{2}}}{{S}^{\text{3}/\text{2}}}(f)}$
其中, U是平均流速, f是频率, S(f)是流速能量频谱, 上划线表示在惯性子区间内的平均。因此, 底层的耗散率ε可在S(f)中找出惯性子区间范围后由式(5)计算。如图2b是A站在第6h距底0.25m的流速能量频谱和惯性子区间。

2 结果与讨论

2.1 水体温盐结构

根据走航站位测得M断面的水文数据, 得到走航断面温盐结构如图3。
Fig. 3 Vertical distributions along transect M: temperature (a), salinity (b) and turbidity (c); and vertical profiles of temperature, salinity and turbidity at sites M3, M5 and M7 (d)

图 3 走航断面M的(a)温度、(b)盐度、(c)浊度断面分布和(d)M3、M5、M7站点剖面特性

通过M断面的走航资料可以看出, 在M6点之前(向陆一侧)靠近口门的区域, 由于水深较浅, 潮混合作用增强, 该区域内的温盐结构趋向于垂向混合均匀状态。在M6点之前的浅水区域, 温度和盐度在垂向上的变化不大(图3a、b), 受径流携带泥沙的影响, 浊度值在整个水体中较大(图3c)。从M3、M5和M7点的剖面温盐结构(图3d)看, M3点受径流影响, 高温、低盐、高浊的水体趋于混合均匀的状态, M5点水体开始出现弱分层, 从M6点之后向陆架海区, 水深逐渐增加, 如M7点该站水深在22m左右, 受径流和潮流的共同作用明显, 水体的浊度降低, 温度和盐度出现了显著的分层结构。由走航的结果表明, M6点之后的水域有较明显的水体分层现象。
为进一步研究长江河口水体的层化混合结构, 本文选取M7点作为定点站位A, 对其水体特性进行观测。
以水体层化现象明显的A定点站位为代表, 在A站进行连续25h的潮周期观测, 得到A站的温盐结构如图4。结果显示, A站在底部有较高的浊度, 底部泥沙悬浮并趋向于混合均匀, 混合区域的高度随涨、落潮变化, 高浊混合区的峰高周期与涨、落潮具有一致的变化趋势(图4a)。温度和盐度在底部水体中变化不大, 水体混合较均匀, 定义底部混合较均匀的水层为底部混合层; 而温度和盐度约在海底以上12m至水面的区域内出现较大的温度梯度和盐度梯度, 呈现较强的层化结构(图4b、c), 定义上层出现层化水体的区域为上层密度跃层。两层水体的特性呈现较大差异, 在底部混合层中, 混合作用使得底部沉积物悬起, 盐度和浊度均较上层密度跃层高, 而在上层密度跃层内, 水体层化稳定, 温盐梯度较大, 底部悬浮物无法跨越水层, 使得上层密度跃层内浊度较低。
Fig. 4 Vertical profiles at the mooring site A: turbidity (a), temperature (b) and salinity (c)

图 4 定点站位A处的(a)浊度、(b)温度和(c)盐度断面分布

2.2 层化结构特性

水体层化结构的稳定性可以用浮力频率N2来定量描述。N2越大表明水体的层化结构越强, 层化稳定; 反之, N2越小, 水体趋向于混合均匀, 层化稳定性弱。为进一步探究水体层化的稳定性, 由观测资料根据式(1)计算出A站整点时刻浮力频率如图5a。结果显示, 在底部混合层内浮力频率较小, 量级约在10-4至10-6 s-2之间, 水体层化稳定性弱; 在上层密度跃层内浮力频率较大, 量级约10-4至10-2 s-2之间, 水体层化稳定性强。图4b、c中在海底以上约12m处出现较大的温盐梯度, 其温盐梯度较大的位置界限与lgN2= -4.0 (图中黑色散点)的等值线大致接近, 故在该等值线上下, 水体的结构特性具有较明显的差异。
Fig. 5 Tidal variation at the mooring site A: buoyant frequency N2 (a) and gradient Richardson number Rig (b)

图 5 定点站位A处的浮力频率N2 (a)与梯度理查森数Rig (b)的潮汐变化

用梯度理查森数Rig可以进一步定量描述水体的静态稳定和动态不稳定之间的相对关系:
${{\operatorname{Ri}}_{g}}={{N}^{\text{2}}}/{{\left( \frac{\partial u}{\partial z} \right)}^{\text{2}}}$
利用上视RDI-ADCP的剖面流速数据进行时间平均计算出平均流剪切$\frac{\partial u}{\partial z}$, 结合浮力频率N2的结果, 根据式(6)得出A站整点时刻水体的梯度理查森数Rig。Rig = 0.25是水体静态稳定和动态不稳定相对重要性的分界, 当Rig > 0.25时水体层化结构稳定性强, 湍流发育受到抑制; 当Rig < 0.25时水体层间速度剪切强, 将促使湍流的发育(Holt et al, 1992)。为方便比较, 将式(6)的Rig结果乘以4并取对数(图5b), 结果显示, 底部混合层内, 大部分区域4Rig<0, 表明较强的速度剪切是促使湍流发育的因素, 湍流的混合作用使得底部混合层趋向于混合均匀; 在上层密度跃层内, 大部分区域4Rig>0, 表明水体具有较强的层化结构稳定性, 湍流的发育受到层化的抑制。

2.3 湍流与混合特性

由式(4)计算出A站湍动能耗散率的剖面分布(图6a), 其结果也进一步体现了分层水体间的差异性。耗散率的大小表征了水体的湍流动能转化为分子热运动的速率大小, 观测结果显示底部混合层耗散率较大, 量级约在10-4至10-6 W·kg-1之间, 较大的耗散率表明底部具有较强的湍动能转化, 是促使底部混合层维持混合均匀状态的因素; 在上层密度跃层区域, 除了近表面水面局部由波浪等引起的耗散较大外, 在层化水体内, 其耗散率较小, 量级约在10-6至10-8 W·kg-1之间, 由于水体的层化抑制了湍流发育; 因此, 湍动能的转化较小, 湍流混合作用弱。
Fig. 6 Tidal variation at the mooring site A: dissipation rate ε (a) and turbulent shear production P (b)

图 6 定点站位A处的耗散率ε (a)与湍动能剪切生成P (b)的潮汐变化

结合本次观测中座底上视RDI-ADCP测得的高频数据, 雷诺分解后可以计算出平均流速和湍流应力, 进一步得出湍动能剪切生成P:
$P=-\overline{{u}'{w}'}\frac{\partial \bar{u}}{\partial z}-\overline{{v}'{w}'}\frac{\partial \bar{v}}{\partial z}$
其中${u}'{v}'{w}'$是三个方向上的脉动流速。
湍动能剪切生成是水体的主要能量源, 由湍动能剪切生成的结果(图6b)显示, 湍动能剪切生成在底部混合层和上层密度跃层中有明显的量级差异。上层密度跃层受风应力、波浪等影响较大, 流速较高; 因此, 具有较大的平均流剪切, 从而使湍动能剪切生成P较大, 能量源丰富。底部混合层水体受上层层化水体的抑制, 垂向脉动和平均流剪切较小; 因此, 在底部混合层的湍动能剪切生成P量级较上层密度跃层小。

2.4 水体中的能量关系

Ivey 等(1998)指出, 在层化流体中, 局部平衡的湍动能方程可以简化为
P=b+ε
其中P是湍动能剪切生成, 是维持流体湍流所需的能量源, 在层化水体中, 湍流能量主要来自于湍动能剪切生成; b是浮力通量, $b=\frac{g}{\rho }\overline{{\rho }'{w}'}$表示湍流在垂向上转化为水体的位能, 其中${\rho }'$是密度脉动; ε 是湍动能耗散率。式(8)是在假定雷诺应力输运处于局部平衡的状态时成立的, 即在时间导数项和空间导数项均可忽略时的情况下, 湍动能剪切生成P、浮力通量b和耗散率ε三者大致可达到平衡。如图7a, 由座底两层ADV资料得到近底层0.48m处在一个潮周期内湍动能剪切生成P和耗散率ε的关系, 结果显示在近底层中两者之间量级相当, 由式(8)知, 近底层湍流能量主要为耗散所消耗, 而转化为水体位能的能量较少。利用MSS的同步剖面资料, 进一步考察底部混合层和上层密度跃层中的能量关系, 分别计算各层中的湍动能剪切生成P和耗散率ε, 两者在各层水体中的关系如下图7b、c。
Fig. 7 Comparison between turbulent shear production and dissipation rate at 0.48 m above the bottom (a), bottom mixed layer (b) and upper pycnocline layer (c)

图 7 近底层0.48 m(a)、底部混合层(b)和上层密度跃层(c)中湍流动能剪切生成P和耗散率ε关系比较

图7b结果表明, 底部混合层中的(圆圈)散点集中落在P=ε直线附近, 其湍动能剪切生成P和耗散率ε均大致在10-6.5~10-4.5的量级之间变化, 与近底层0.48m的结果(图7a)相似, 当P和ε量级相当时, 底部混合层中浮力通量项b的变化量级范围不大, 较小的b值表明湍流在垂向上因转化为水体的位能而消耗的能量较少, 使得湍动能剪切生成P这一能量源主要为底部水体湍流和混合作用提供了能量。图7c显示, 在上层密度跃层中的(三角形)散点主要落在P=ε的右侧, 由式(8)可知, 在上层密度跃层中, 湍动能剪切生成P这一能量源除了耗散消耗外, 相比底部混合层, 上层密度跃层还有较大的浮力通量项b, 其转化为水体位能, 使得水体具有较稳定的层化结构, 水体出现了较大的密度梯度。
在河口的层化水体中, 基于湍流的特征尺度, Ivey 等(1991)提出了分层剪切流理论, 定义了湍流雷诺数Ret和湍流弗劳德数Frt两个参数:
${{\operatorname{Re}}_{\text{t}}}={{\left( \frac{{{\lambda }_{\text{0}}}}{{{\lambda }_{\text{t}}}} \right)}^{\text{2/3}}}$
$\text{F}{{\text{r}}_{\text{t}}}={{\left( \frac{{{\lambda }_{\text{t}}}}{{{\lambda }_{\text{k}}}} \right)}^{\text{4/3}}}$
其中λ0是湍流的Ozmidov尺度${{\lambda }_{\text{0}}}={{\left( \frac{\varepsilon }{{{N}^{\text{3}}}} \right)}^{\text{1/2}}}$; λk是Kolmogorov尺度, ${{\lambda }_{\text{k}}}={{\left( \frac{{{\upsilon }^{\text{3}}}}{\varepsilon } \right)}^{\text{1/4}}}$, 其中, ʋ是运动粘性系数; λt是湍涡特征尺度, ${{\lambda }_{\text{t}}}=\kappa z\left( \text{1}-\frac{z}{H} \right)$ (Fischer et al, 1979), 其中, κ是卡门常数, z为距底高度,H为水深。分别计算底部混合层和上层密度跃层中的Ret和Frt, 结果如图8。底部混合层的Ret和Frt主要位于第一区域, 表明底部混合层湍流发育充分; 上层密度跃层则主要分布在第二区域, 表明该区域内水体出现层化结构, 湍流发育受到抑制; 少部分点分布于第三区域, 表明该区域内没有湍流的发育, 并且可能有内波的发育和传播。实测数据的计算结果与Ivey and Imberger的分层剪切流理论(Ivey et al,1991)相吻合。

3 结论

本文根据夏季长江河口现场水文特性和湍流微结构观测资料, 采用走航观测和定点站位连续观测的方式, 得到了长江河口水体的层化与湍流混合特征。结合Ivey and Imberger的分层剪切流理论, 对水体的湍流参数做出了分析, 主要得到以下结论:
1)从口门到M6点之间的区域水深较浅, 致潮混合效应增强, 水体混合较均匀, 层化结构不明显;
Fig. 8 The Ret-Frt space in the bottom mixed layer and upper pycnocline

图 8 底部混合层和上层密度跃层中 Ret-Frt平面分区图

在M6点之后的区域受径流和潮流共同影响, 在水深较大的情况下出现了水体层化结构。
2)对A站点连续观测的结果分析, 发现该区域的水体出现层化结构。依照分层水体不同水层间的温盐梯度差异, 将水体分为两部分: 底部混合层和上层密度跃层。底部混合层水体高浊、高盐、低温, 较大的耗散率表明有较大的湍流能量转化到分子热运动, 促使底部混合层趋向于混合均匀, 呈现强耗散、弱层化、湍流发育充分的特点。上层密度跃层水体低浊、低盐、高温, 能量除了耗散消耗外还有部分转化为水体位能, 使得上层密度跃层表现为弱耗散、强层化、湍流发育弱的特点。
3)底部混合层和上层密度跃层中的耗散率ε、湍动能剪切生成P以及Ret、Frt等湍流参数结果表明: 耗散率ε、湍动能剪切生成P和浮力通量b之间的能量关系, 在一定范围内满足局部能量平衡的湍动能方程。底部混合层中耗散率和湍动能剪切生成在10-6.5~10-4.5的范围内量级相当, 较大的耗散是促使底部混合层湍流发育和水体混合的原因。上层密度跃层中耗散率的量级小于湍动能剪切生成的量级, 能量部分转化为水体位能, 使上层密度跃层出现了稳定的层化结构; 因此, 湍流的发育在该层内受到抑制。各层中的Ret和Frt在Ret-Frt平面中分区分布, 表明夏季长江河口的层化与湍流混合与Ivey and Imberger的分层剪切流理论基本吻合。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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