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海水混合

海水混合(Seawater mixing)又称海洋混合,是海洋中一种普遍的运动形式,参与这种运动的海水带着自己原来的特性由一个空间向另一个空间运动,从而使相邻海水的性质逐渐趋向均匀,并形成一新水团,这种运动结果总称为海水混合。 [1]

海水混合的源地和形成机制相近。具有在长时间保持相对均匀和稳定的物理、化学和生物特征及大体一致的变化趋势,而与周围海水存在一定差异并可与海洋尺度相比较的宏大水体,称为水团。外界因素通过海水运动使水团具备一定的特征,并在一定的条件下达到最强,形成水团。海-气相互作用以及陆水注人海洋、结冰等因素,使海水产生各种混合 [2] 。海水混合的过程是不可逆的物理过程。在一定程度上决定了进入海水中的污染物的迁移和自净 [3]

海水混合按发生的原因,可分为分子混合和湍流混合两类。其中湍流混合是海水混合的主要形式 [4]

分子混合专指由海水分子不规则运动引起的混合。分子热传导定律表明,热通量密度正比于温度梯度,方向是从高温指向低温一方;分子扩散定律也表明,物质通量密度正比于物质密度梯度而指向低浓度一方。其比例系数即分子热传导系量或相应物质的分子扩散系量,它们仅与海水自身的性质有关,而且量值也比较小。然而,海洋混合过程最终却是靠分子混合完成的,况且海水的可流动性及强溶解能力,也有助于分子混合的持续进行。

海洋湍流是海水微团的不规则的运动,即速度的大小和方向都不稳定的紊乱的流动,亦称为紊流或乱流。由海洋湍流所引起的海洋湍流混合,比分子混合的强度大得多。

海水静力学不稳定引起的混合以铅直方向的对流为典型特征,故有人将其特称为对流混合,而将速度切变(既包括水平方向的切变,也包括铅直方向的切变)型混合称为涡动混合。两者在季节性、区域性和混合效应等方面都有显著的不同。

(1)季节性:涡动混合在一年四季都可能生成与发展,对流混合则只在降温季节比较强盛,且其效应可超过并掩盖涡动混合。

(2)区域性:季节性降温以中、高纬度海域最为明显,故对流混合主要发生在中、高纬度海域,低纬度海域则全年以涡动混合占优势。降温导致的对流混合主要发生在海洋上层,涡动混合则在海洋各层都可发生。

(3)混合效应:混合的结果都是使混合所及范围内的海水性质趋向均匀,然而,即使同样发生在海洋上层的混合,涡动混合与对流所达到的深度,混合趋匀后的温度值、盐度值、密度值,也各有所不同。

混合效应因季节和纬度的不同而不同:纬度较高的海区,由于增密作用较为明显,加之稳定度较小,因之对流混合强,而涡动混合只有在夏季时才显出它的作用,但并不等于夏季的涡动混合比冬季强,由于冬季风力强劲,稳定度又小,涡动混合反较夏季强烈,只是因为此时对流旺盛,使涡动混合被更为发达的对流混合所掩蔽了;在低纬海区,对流混合很难发生,故以涡动混合为主:在浅海,由于经常受到海岸、海底、浅滩、岛屿的摩擦作用,故涡动混合非常发达,同时对流混合也容易发展。

涡动混合的强弱,与海水的稳定性、风和潮汐现象有关,当稳定性增大时,水块保持原来状态的能力加强,涡动混合便将减弱;夏季时,由于表层海水增温,稳定性加大,涡动混合不甚强烈。风对涡动混合的影响在于它增强了海面的扰动和加大速度梯度,因此,当风速增大时,涡动混合便增强,特别是浅海中风力引起的涡动混合可直达海底。由潮汐现象引起的涡动混合与风力引起的涡动混合相反,是由海底向上扩展的,在浅海区域,由于与海底的摩擦作用,产生的速度梯度甚大,因此将引起强烈的涡动混合。

对流混合的强弱,亦与海水的稳定性有关:当水层本身稳定性很大时,对流混合很难形成,夏季时,海洋中的对流混合很难出现,在冬季时常出现强烈的对流混合;在赤道和亚热带海区,夏季时因表层海水的密度仍比其下层低,故不产生对流,在冬季温度很低,对流作用便非常强烈。在中纬海区,由于表面温度冬夏相差很大,故产生对流,对流的深度可达200米;在高纬海区,由于冰冻现象和增盐的结果,故在冬季时对流可达几千米的深度。混合的结果,是在海洋中就形成了匀和层和跃层,在某些海区还形成中间冷水层。


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