北冰洋水体在格陵兰海形成有效混合增密对流的研究

论文摘要

格陵兰海内发生的等密度混合引起的增密对流是重要的对流现象之一。目前还没有对格陵兰海以及附近海域混合增密对流强度的整体估计。本文利用多年月平均HydroBase三维格点温盐数据中八月份的数据分四层分别计算了GIN海域的混合增密下沉速度，以估计GIN海和格陵兰海的混合增密效应的强度。直接计算得到的混合增密下沉速度很大，在GIN海平均约为8.7×10-6m/s。且下沉速度的空间差异大，尤其是水平上差异可达108量级。这主要由于插值得到的浮力频率与位势温度的空间分布不平滑、不连续，存在一些不合理的值。通过统计可知，在各层占2%的较大的下沉速度产生的流量占该层总流量的30%以上，限制2%最大值后计算的平均下沉速度为6.47×10-6m/s。说明这些数量很少但是远大于平均值的速度值点会极大的影响整体流速的估计。通过对位势温度进行三次多项式拟合以及对浮力频率进行限制奇异值处理后，计算得到的下沉速度约为1.19×10-7m/s，比直接计算的结果小102倍。与北大西洋中低纬度海域的下沉速度的量级一致，但前者为后者的2.5倍。经过处理后计算的下沉速度显示，深层与表层的混合增密下沉速度要大于中层，即中层混合增密效应最弱。表明在GIN海域主要为两种等密度混合增密效应形式，即在上层海洋跨亚极地锋面的等密度混合增密与深层海洋不同水团平行于中性面的的混合增密。对各层直接计算出的下沉速度进行2%最值限制后的结果也支持该结论。由于混合增密效应本身依赖于小尺度的混合过程，通过拟合去除了位势温度小尺度的差别，只保留大尺度上的趋势差异，不可避免会忽略了小尺度的混合过程，使得估计的混合增密效应强度过小。因此，本文的结果支持该区域的下沉速率的量级应该在10-710-6m/s之间。但需要注意的是，这只是一个较为保守的估计。不论是直接计算还是经过平滑处理后的计算结果都表明，由北冰洋水体直接参与形成的混合增密下沉速度都大于整个GIN海的平均下沉速度。北冰洋水体在格陵兰海形成的混合增密对流是较为重要的下沉运动形式。格陵兰海发生的等密度混合增密对流的主体是大西洋回流水与北冰洋流出水体。现在北冰洋正在发生快速变化，其内水团变性以及环流的系统改变都将使格陵兰海等密度混合对流发生明显变化，继而对全球气候变化产生影响。本文接着探讨了北极内部不同海域的水体会对该海域混合增密对流造成的可能影响。首先定义了有效对流速度，为1.73m/d，并得出了可以与大西洋回流水形成有效对流的水体的温盐范围。并使用WOD数据选取北冰洋代表站点分析得出，发生在格陵兰海的等密度混合对流都是大西洋的水体，一部分是在格陵兰海回流的大西洋回流水，一部分是在北冰洋潜沉并回流的北极大西洋水，该水体在北冰洋循环的时间越长，温度差越大，产生的有效对流越强。而横越北冰洋的太平洋水因密度过低而不能参与等密度混合对流，加拿大海盆主盐跃层之上的水体也都不能参与对流。北冰洋几个海盆深层水的温度差异明显，有可能与格陵兰海深层水形成有效对流；但是，由于深层水流速低、湍流混合弱、水平温度梯度小，是否可以产生等密度混合尚不清楚。通过分析，我们对北冰洋对格陵兰海的混合对流的可能影响有了定性的认识。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究历史与现状
• 1.3 研究海域概况
• 第二章 使用数据及方法
• 2.1 数据来源
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 混合增密下沉速度的计算公式
• 2.2.2 GIN 海域混合增密强度的计算方法
• 2.2.3 有效对流速度
• 2.2.4 可与格陵兰海上层水体产生有效对流速度的温盐范围
• 第三章 GIN 海混合增密效应估计
• 3.1 直接计算的混合增密下沉速度
• 3.2 温度梯度平滑后的下沉速度
• 3.3 小结
• 第四章 北冰洋水体对格陵兰海混合增密对流的可能影响分析
• 4.1 北冰洋水体对格陵兰海上层等密度混合对流的影响
• 4.1.1 可能引起有效混合对流的水体
• 4.1.2 不可能在极锋产生有效对流的水体
• 4.2 北冰洋深层水在格陵兰海可能形成的深层对流
• 4.3 小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历及发表的学术论文