海洋温盐台阶动力过程的实验室模拟

Diffusive convection thermohaline staircases is a kind of widespread phenomenon in the ocean. It was found that the diffusive convection thermohaline staircase is an important small scale mixing process. Thermohaline staircases play an important role not only in the instability of local water columns, water intrusion, but also the bottom water-mass formation and large-scale thermohaline circulation. Nonetheless, we haven’t got an in-depth understanding of the dynamic process of thermohaline staircases, and there are objections to the arameterizations on heat and salt fluxes. In present project, we conduct laboratory experiments of the thermohaline staircases. The temporal and spatial variation of velocity field and shadowgraph which are measured by Particle Image Velocimetry (PIV) and shadowgraphy respectively are used to represent the largess-scale circulation in thermohaline staircases, the flow structure of the diffusive interface and determine the boundary type of the diffusive interface. Meanwhile, high precision temperature and salinity measurement system is used to measure the law of heat and salt transport of thermohaline staircases. With the experimental results, we will update the parameterizations of the heat and salt fluxes. The outcome of this project will provide experimental evidence for the numerical modeling. In view of these findings, we expect the impact of double diffusion in the real ocean to be even more profound.

扩散对流温盐台阶是海洋中普遍存在的一种现象，是重要的小尺度混合过程。温盐台阶的混合不仅可以导致局部水体不稳定，驱动水体的入侵，还会影响底层水的形成和大尺度的热盐环流。但人们对温盐台阶动力结构的了解还不深入，其热盐输运参数化方案在海洋中的应用也存在异议。本项目拟在室内流体力学实验中，通过粒子图像测速系统（PIV）和阴影流动显示技术，测量温盐台阶速度的变化，精确表征温盐台阶内的大尺度环流和扩散界面的流动结构，确定扩散界面的边界类型。同时利用高精度温盐测量系统，测量温盐台阶的热盐输运的规律，修正其热盐通量参数化方案。研究结果不仅为数值模拟提供实验基础，更可为准确评估温盐台阶在海洋中的作用提供重要依据。

海水中温度和盐度两种组分具有不同的分子扩散速率，且两者对密度垂向分布起到相反的作用，由此所驱动的对流运动为双扩散对流。根据边界条件和所处环境，双扩散分为两种类型：盐指（salt finger）和扩散对流（diffusive convection）。当高温高盐水在低温低盐水之下时，生成扩散对流。扩散对流所形成的温盐台阶是海洋中普遍存在的一种现象，主要发生在高纬度的北冰洋、南大洋、亚极地海域及鄂霍次克海、阿拉斯加湾等海域。扩散对流是重要的小尺度过程，在海洋底层水的形成、经向子午翻转环流以及热量垂向输运等方面具有深远的影响。本研究在室内流体力学实验中，对盐度线性层结、温度均匀的流体系统底部加热，顶部恒温，生成温盐台阶结构。通过粒子图像测速系统（PIV）、阴影流动显示技术和高精度温度传感器，测量得到温盐台阶结构的速度、阴影图像的时空变化和温度垂向廓线，精确表征温盐台阶在发展过程中的动力过程，发现了扩散界面的边界类型，讨论了混合层与Rayleigh-Bérnard convection是否遵循相同的运动规律。在混合层中大部分区域，速度和温度表现出较强的周期性，且同一混合层的周期大小基本相同。分析台阶中雷诺数Re和瑞利数Ra之间的关系，得到两者符合1/2的标度率关系。这个结果与传统的瑞利伯纳德对流中Re和Ra关系一致。研究成果为海洋中温盐台阶的理论研究、极地海域的热通量评估甚至全球气候变化研究提供有重要参考价值的实验依据。同时基于研究成果，我们可以更加清楚的认知海洋中温盐台阶所扮演的角色。