1、本科毕业论文（20 届）黄海层化与混合演变过程探讨所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文 引言和研究概况21. 引言和研究概况1.1 引言混合和层化是水体垂向结构的两种基本形式，也是一种重要的海洋动力过程。在这个过程中还耦合了其他的海洋动力过程，所以海洋中的许多现象都与之相关。混合使一定范围内水体特征趋于均匀，而在均匀层的边界处出现水文要素梯度较大的跃层。混合和层化过程决定着上混合层的厚度和下混合层中营养物质向上的补充，因而这一过程的各种尺度的变化影响乃至决定着海洋初级生产力的变化，并通过食物链影响整个海洋生态系统 16。沿黄海周围的地区是
2、我国经济发展比较快的区域，因此研究黄海的层化和混合过程，对于揭示黄海生态要素的分布和海气相互作用具有极其重要的价值。1.2 黄海的位置和地形黄海是全部位于大陆架上的一个半封闭的浅海，习惯上以山东半岛的成山角至朝图 1.2 黄海区位图Figure1.2 The location of the Yellow Sea34.75N本科毕业论文 引言和研究概况3鲜半岛的长山（串）之间的连线，将黄海分为南、北两个部分。整个黄海平均水深为本科毕业论文 引言和研究概况444 m，最深处为 140 m，为济州岛北侧。黄海海底地势比较平坦，但地貌形态却比较复杂。最突出的特征就是有黄海槽、潮流脊和水下阶地 5。在南
3、黄海中央，为一水深 5080 m 的黄海槽。黄海海槽自南向北逐渐变浅，海槽的东侧的地势坡度比较大，但是西侧则是较广阔的平坦的浅水地形。黄海海槽对黄海水文状况影响比较大。整个黄海平均水深为 44 m，最深处为 140 m，为济州岛北侧。1.3 前人的研究成果娄宁伟 8等指出海水质点运动时的密度的个别变化和环境海水密度的差异导致海水的垂向运动。海水的垂向运动必然会进行动量、热量等物理要素的交换，进而产生海水的层化和混合运动。这是海水层化和混合进行的物理机制。又前人大多从温盐的垂向分布随时间的变化的角度进行探讨的，其中主要是分析和总结温跃层的季节变化规律。毛汉礼和邱道立基于 1958-1959 年全
4、国海洋普查资料，指出黄海跃层以温跃层为主，提出用跃层的强度、厚度和上届深度这三项特征来描述跃层，并将跃层演化划分为四个时期：即无跃期（12-3 月） 、成长期（4-5 月） 、强盛期（6-8月）和消衰期（9-11 月） 。黄瑞丽和孙璐 17利用北海分局 1976-1999 年的断面观察资料，得出冬季表层和底层海温分布一致，夏季出现强跃层，并且海温垂向分布对厄尔尼诺年和拉尼娜年有较显著的响应。丁宗信 12研究了秋季黄海的温盐垂直分布，指出在 2030 m 的浅水区域，温盐随深度增加而增加；水深大于 2030 m 小于6070 m 之间的区域，均匀分布；深水区则是存在跃层。并且，丁宗信认为秋季北风
5、的驱动和暖平流时产生秋季温度逆转的主要原因。杨永增等 18考虑波浪的搅拌混合机制，定量分析了波浪对海洋上层混合层和跃层形成的作用。乔方利等人研究了波浪和潮流混合对黄海夏季温度结构的影响。结果表明海洋上层主要有波浪混合控制，而下层潮流混合起着主要作用。陈新平等 19和徐玲玲等 20各自通过数值模拟验证了这个结论。陈新平等的试验结果还表明：对于水深相对较深的黄海，研究夏季海洋上层垂直热结构应该包括太阳短波辐射。而徐玲玲等的研究则认为地形对温度的分布有着不可忽略的影响。周小兵 14等在二维二层非线性模式的基础上，考虑到温跃层厚度建立了三位非线性模式，研究在潮汐（流）作用下，北黄海跃层上下界面起伏与波
6、动，得出跃层波动既与潮汐运动有关，但是从波高、波动位相和波动周期来看又有很多的不一致的结论。综上所述，前人已经对黄海的层化和混合做了较多研究，不仅有理论的发展，也有通过模式进行数值模拟的，都得到了一些极有价值的结论。总的来说，黄海的层化和混合过程受到诸如地形、风浪、潮汐、内波、太阳短波辐射、淡水通量（降水和径流）和 Langmuir 环流等诸多因素的影响，但是地形、风浪、潮汐和太阳短波辐射是主要的控制因素。虽然前人做了很多工作，但是他们都只是从代表性季节（冬季、夏季或者秋季）进行单独研究，并没有整体的阐述黄海层化和混合四季演变。虽然黄海的跃层以温跃层为主，但是盐跃层也同样的重要，但是前人并没有
7、对本科毕业论文 引言和研究概况5黄海的盐跃层的季节进行详细的讨论。本文将会着重讨论黄海的温跃层的季节性变化以及影响因子的本科毕业论文 黄海温跃层的演变过程6贡献率，并且也会讨论黄海盐跃层的季节性演变规律，以温跃层和盐跃层的演变规律来探讨黄海层化和混合演变过程。2. 黄海温跃层的演变过程2.1 温跃层的季节性变化2.1.1 温度的数据分析与处理 采用 SODA V2.2.4 monthly means 15-Jan-1870 至 16-Dec-2007 的温度数据，其中经度分辨率 0.25，深度分辨率 0.39 m。由于 35N 线穿越黄海冷水团的位置，于是以 34.75N 断面(119E-12
8、6E) 作为研究对象，分别以一月份（Jan） 、四月份（Apr） 、七月份（Jul）和十月份（Oct）作为冬季、春季、夏季和秋季的代表月份。对 1870 年至 2007 年共计 138 年的月平均数据进行平均，然后在径向和深度方向上进行线性插值。然后用 MATLAB 对数据进行处理，并输出图片产品。2.1.2 34.75N 断面温度四季剖面特征2.1.2.1 冬季（Jan ）温度剖面特征从整个断面来看，垂向上温度分布比较均匀，基本上可视为无跃层。在断面的西侧，即中国大陆的东侧，可以发现近岸的海水温度要比离岸较远的海区海水温度高 1-1.5。但是在断面的东侧，也就是朝鲜半岛的西侧，情况则恰恰相反
9、。在断面东侧，近岸的海水温度则要比离岸较远的海区的海水温度低 3-4。图 2.1.2.1 冬季（Jan）温度剖面图Figure2.1.2.1 Temperature profile in winter 在 123.5E-125E 之间有一个非常明显的高温区域，核心区域在 124.2E 附近，核心温度为 12。124.2E 附近恰恰就是黄海海槽所在地。冬季时，黄海海流沿黄海海槽运动，是相应的海区温度明显高于断面其他海区。本科毕业论文 黄海温跃层的演变过程7从图 2.1.2.1 还可以看出，冬季海水温度与海底地形（水深）有很大的关系。一般来说，在冬季，水深越大的地方，海水垂向整体水温也就越高。这个
10、可以用海水的热惯性进行解释。海水具有比较大的比热容，当海水吸收或者释放一定热量时，海水的温度也会随之升高或者降低。对于单位截面积的水柱，当吸收或者释放一定热量的时候，水柱越高，即水深越大，那么温度升高或者降低的幅度也就越小。在冬季，海水一半处于释放热量的状态，水深越大，温度改变就越小，所以水深较大的地方，温度一般也会较高。总之，在冬季海水混合比较充分，断面垂向温度分布比较均匀，几乎不存在垂向上的温跃层。黄海海槽处的温度由于受到黄海暖流的影响，属于高温区。2.1.2.2 春季（Apr）温度剖面特征春季属于过渡时期,是冬季均匀混合状态被打破和垂向温跃层开始形成的时期。从图 2.1.2.2 来看，垂
11、向的温跃层已经相当明显。随着太阳短波辐射的逐渐增强，近岸浅水区的海水温度最先做出相应。断面东西两侧的岸边浅水区增温异常明显，并且从增温幅度和增温范围角度来看，断面西侧的浅水区都比断面东侧的浅水区明显。就表层而言，水平方向上的温度梯度和冬季相比已经小很多，并且有消失的趋势。表层水温不断增加，而底层的水温，在一定程度上则保持着低温状态。表层和底层海水温度之间的差异将会越来越大，直到形成稳定的层化状态（跃层） 。以 122.3E 为中心，8.6为等温线，有一个非常明显的低温区域。这个区域就是黄海冷水团所在地。随着上层海水温度的不断升高，黄海冷水团所具有的区域逐渐形成一个钟状的区域，冷水团中心向上凸起
12、，基本关于轴线对称。图 2.1.2.2 春季（Apr）温度剖面图Figure2.1.2.2 Temperature profile in Spring(Apr)在黄海海槽处，黄海暖流的影响不再那么明显。海表由于吸收了较多的热量，本科毕业论文 黄海温跃层的演变过程8保持着较高的温度，垂向对流的减弱时海底依然能保持高温的状态。这意味着中层海水将失去更多的热量，温度会下降，将会形成一个两头（表层和底层）是相对较高的温度，中间是相对较低的温度的哑铃状海温分布。总之，在春季，垂向温度分布已经打破了冬季表底混合均匀的状态，水平方向上的梯度也在逐减小，甚至消失，层化正在形成。2.1.2.3 夏季（Jul ）
13、温度剖面特征夏季是垂向温跃层的成熟期。总体来看，海水中的等温线比较密集，尤其在中上层海中更是如此。表层（5 m 以内）等温线几乎成水平分布；在次表层（ 5-15 m） ，海底地形对等温线的变化趋势的影响就开始凸现出来；在中层（15-25 m ） ，海底地形对等温线变化趋势的影响体现的更加明显，等温线几乎与等深线平行；对于深层和底层海水来说，等温线分布相对于中上层海水则是相对稀疏，受地形的影响也相对较小，在边界处，等温线几乎与边界垂直。受黄海海槽的影响，海槽处的海水温度则相比周围海区温度高，并且等温线分布更加稀疏。在这个时期，表层海水温度和底层海水温度之间的差距达到最大。从图 3 中可以看出，表
14、层海水温度比较高，达到 23，而底层海水温度则要低得多，大多在低于 10，表底层之间的温度差值至少有 13。夏季是温跃层经过充分发展达到成熟的时期。在这个时期内，海水层化，达到稳定状态；海表温度将远远大于海底温度；等温线分布比较密集，在次表层和中层，等温线的变化趋势受海底地形影响比较大，基本上与等深线平行。图 2.1.2.3 夏季（Jul）温度剖面图Figure2.1.2.3 Temperature profile in summer(Jul)本科毕业论文 黄海温跃层的演变过程92.1.2.4 秋季（Oct）温度剖面特征从图 2.1.2.4 中仍然能看到比较明显的海水层化现象。等温线的分布依然
15、比较密集，但是等温线的变化趋势已经发生了相当明显的变化。高值等温线大概下降了 10 m 左右，在 0-15 m 的上混合层，等温线的弯曲程度很大，尤其在 120.6E 和123.8E 附近更加明显。在 22-32 m 区间，等温线的形状依然和地形有着比较密切的联系，大致和等深线平行。在深层和底层（40 m 以下） ，等温线则几乎呈水平分布。与夏季相比较，高温区域则有所扩大。海表海水温度与夏季相比，下降了 1左右；海底的海水水温则上升了大哥 1。海表水温和海底水温之间的差值在缩小。在秋季，海水上层温度和海底海水水温之间的差值在逐渐缩小，海水稳定的层化开始消衰。图 2.1.2.4 秋季（Oct ）
16、温度剖面图Figure2.1.2.4 Temperature profile in autumn(Oct)2.2 温跃层四季演变的机制探讨在海洋中，混合是在地形、内波、潮汐（流） 、风应力、淡水通量、海气热交换、太阳短波辐射等多种动力因素综合作用下形成的。但是并不是说这些动力因素的都起到相同的作用，在不同的海区，决定性动力因素不同；即使在相同的海区，不同的时间（季节） ，决定性动力因素也是不同的。混合过程其实就是海水的各种特性（例如温度、盐度、动量等）趋于均匀的过程，一般通过三种方式实现这个过程：本科毕业论文 黄海温跃层的演变过程10第一、分子混合。这个过程主要是海水分子同临近的海水分子进行某
17、种特性交换，其交换强度比较小，只与海水的性质有关；第二、湍流（涡动）混合。湍流混合是海洋混合主要形式，交换强度比分子混合要大上几个量级，与海水的运动状态密切相关；第三、对流混合。对流混合是海洋混合的重要形式，一般发生在铅直方向上，热盐作用是其动力机制。在海洋中，混合是在地形、内波、潮汐（流） 、风应力、淡水通量、海气热交换、太阳短波辐射等多种动力因素综合作用下形成的。但是并不是说这些动力因素的都起到相同的作用，在不同的海区，决定性动力因素不同；即使在相同的海区，不同的时间（季节） ，决定性动力因素也是不同的。混合过程其实就是海水的各种特性（例如温度、盐度、动量等）趋于均匀的过程，一般通过三种方
18、式实现这个过程：第一、分子混合。这个过程主要是海水分子同临近的海水分子进行某种特性交换，其交换强度比较小，只与海水的性质有关；第二、湍流（涡动）混合。湍流混合是海洋混合主要形式，交换强度比分子混合要大上几个量级，与海水的运动状态密切相关；第三、对流混合。对流混合是海洋混合的重要形式，一般发生在铅直方向上，热盐作用是其动力机制。对于黄海来说，潮汐（流） 、风和海浪、黄海暖流、海表热通量以及地形和黄海冷水团是黄海层化和混合的主要动力因素。当然在不同的海区、不同的季节和不同的深度，每个动力因子所起到的作用也是不一样的。可以将温跃层变化划分为无跃期、成长期、强盛期和消衰期，而冬季、春季、夏季和秋季四季
19、则分别对应着这四个时期。在冬季，黄海暖流和海表的风应力是主要动力因素。冬季海洋处于失去热量的阶段，在表面大风的搅拌下，表层至底层的温度分布几乎一致。对于黄海来说，强劲的西北季风大大地促进了黄海的蒸发，大量的海水被蒸发，带走了相当可观的热量，表层海水降温增密，垂向对流加强，海水混合的到进步加强，各种海洋要素趋向均匀。大风还增加了海表的粗糙度，雷诺辐射应力的影响可以直达海底，湍流加强，极大地增了海水的混合速度。尤其是冷锋过境时，这个影响更加明显。黄海暖流秋季较强，在冬季最强，夏季最弱，秋季开始形成。黄海暖流的影响在不同的海区也体现的相当明显。通过图 2.1.2.1 可以看出，黄海暖流主轴的核心温度可以达到12.3，黄海暖流的影响可以从 123E-125E，影响范围还是比较广的。可以说黄海暖流对黄海的冬季的温度分布，不是管是水平方向上还是铅直方向上都是巨大的，当然对改善当地的气温和气候，以及渔业资源都有着积极的意义和重要价值。春季是冬季向夏季的过渡时期，风应力、黄海暖流和太阳短波辐射共同促进海水由混合向层化转变。黄海冷水团在温跃层形成过程中也起到一定作用，但不是主要的动力因素。这个时期，不仅风速减小而且季风开始有西北季风逐渐转变为东南季风，太阳也有南回归线逐渐北移到北回归线，太阳高度角不断增加，这意味着太
