水平温差驱动环流的机制探讨及实验研究
水平温差驱动环流作为海洋热盐环流研究的重要参考，一直以来都是国际研究热点。本论文试图通过地球流体力学对照组实验来初步探讨水平温差驱动环流的机制和基本特征，并通过简单的理论模型探讨环流的本征属性。首先，我们设计了四组实验。
实验1和实验2为水平温差驱动环流在非旋转平面和旋转平面的对比。
实验1：轴对称水平温度差异在非旋转条件下产生轴对称的浅层垂向翻转环流。上层流体在热强迫下产生的层结造成轴对称的等压面倾斜，驱动了底层流体向中心的辐聚以及相应的底层垂向翻转环流，下层环流的强度量级要远远小于上层热力强迫直接驱动的环流强度。同时，轴对称热力强迫产生的非线性温度梯度造成非线性变化的表层径向流速，近似于理想流体点源模型1/r的结构。另外，环流垂向结构可以近似用偶极子模型描述，上层的汇和下层的源组成轴对称三维偶极子和环面结构来刻画。特别的是，我们虽然给定的是轴对称的热力强迫，但垂向翻转环流的水平结构却并不是完全对称，流速场出现花瓣状造型，原因可能为流速驻波解的体现，也代表了自然系统的流动稳定性。
实验2：轴对称水平温度差异在旋转条件下不仅产生轴对称的垂向翻转环流，同时叠加了层结产生的压强梯度所驱动的全场贯通式的地转流。翻转环流的强度变为非旋转情形的1/4，环流高度变为非旋转的3/4。而地转流分量在翻转环流的下分支主轴深度达到最大值，并在垂向上满足热成风关系。真实的流动是翻转环流分量和地转分量的叠加，因此流速存在垂向的转向以及类似Ekman结构。环流的水平结构不单纯是点源模型，而是点源和点涡组合的螺旋结构，并且垂向环流的立体流线可以用偶极子环面模型上的环面结(torusknot)来刻画。
实验1和实验2的垂向翻转环流的相似特征也说明了利用非旋转平台所实现的水平温差驱动环流和旋转条件下的垂向环流的结构基本一致。因此，前人在非旋转平面的理论和实验结果仍然有很重要的参考价值。同时，我们设计的旋转平面实验观察到新的流体现象，更加完善的勾勒出三维旋转条件下环流的结构。
实验3和实验4的设计是为了模拟真实海洋的情况，我们在水域中分割出四块轴对称封闭海盆，试图评估有东西边界后海盆尺度的环流构型，尤其关注贯通的地转流受边界阻碍后产生的调整。
实验3：轴对称热力强迫驱动的垂向翻转环流在独立海盆中仍然存在，并且由于上层层结产生的斜压beta效应使得水平流动产生西向强化。另外地转流不能连通，便在海盆内部产生水平环流。这一现象说明，单纯的表面热力强迫不仅可以产生垂向翻转环流，同时层结产生的压强梯度同时产生出海盆尺度的水平环流。
实验4：在封闭海盆的基础上，我们做了一组半封闭海盆实验，试图探讨联通区域的流场构型。实验现象说明，海盆中的翻转环流在半封闭条件下被加强，同时，地转流在联通区域重新建立，相应伴生出海盆中的次生环流。
实验3和实验4主要说明了热力强迫驱动出海盆尺度的垂向环流和水平环流，并发现层结造成的beta效应是产生水平环流东西不对称的原因。
在以上实验的基础上，我们试图用理论模型来讨论水平温差驱动环流作为不可逆非平衡态开放热力系统的热力学性质。给系统施加定常热力强迫后，我们推测系统产生环流目的在于最优化的调整温度不均，将热能转化成环流的动能，因此环流的结构必然体现了热力学的属性。
我们提出这样一个问题：实验中，我们发现水平温差驱动环流最终会稳定在某一浅层高度，而这一高度的选择反映了怎样的环流机制呢？为了简化问题，我们采用非旋转平面的一维管道模型，抽象的勾勒出流体质点从热源到冷源的循环。这不仅是环流的过程，同时也是作为纯粹自然热机的热力循环过程。根据热力学中的最大熵产生原理，环流系统最终会稳定在某一本征高度，此高度使得系统的熵产生率最大化。通过在理论模型中应用此原理，我们诊断出垂向翻转环流在特定热力强迫下存在此本征高度，它同时也是环流最大速度以及最大热输送的高度。基于此，我们还诊断出随着外部热力强迫的改变，环流本征高度和环流强度的改变规律。
实验中，我们只测量了速度场，而没有进行温度场的测量。因此，我们试图通过二维的理论模型来刻画垂向环流的细结构，尤其是温跃层的结构。在此之后，我们结合实验和理论模型对真实海洋问题进行了合理的推论。我们的结果在某种程度上说明海表面的热力差异可以产生海洋的层结和子午向的翻转环流，在风的搅拌作用下，环流的强度和温度跃层的深度得以加强，并且，层结造成水平的压强梯度可以在一定程度上驱动海盆尺度的水平环流。
水平温差;海洋热盐环流;轴对称热力强迫;地转流;垂向本征尺度
中国海洋大学
硕士
物理海洋学
吴德星;王伟
2009
中文
P731.27
96
2009-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）