屈玲，宋雪瓏，周生啟

（1.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510301；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

加拿大海盆東南部錨定觀測(cè)雙擴(kuò)散階梯的時(shí)間演化研究

屈玲1，2，宋雪瓏1，2，周生啟1*

（1.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510301；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

加拿大海盆上層，分布著高溫高鹽的大西洋水和相對(duì)低溫低鹽的鹽躍層下部水，兩水團(tuán)之間形成一系列的雙擴(kuò)散階梯。通過(guò)分析2005年8月-2011年8月期間的錨定潛標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)雙擴(kuò)散階梯和這兩種水團(tuán)之間的相互作用進(jìn)行研究?；诠潭}度范圍的方法，在鹽度廓線中識(shí)別階梯結(jié)構(gòu)，在鹽度34.45～34.83范圍內(nèi)，獲取18個(gè)階梯結(jié)構(gòu)，并研究階梯的參數(shù)。發(fā)現(xiàn)雙擴(kuò)散階梯的位溫主要受與其接近的水團(tuán)的影響，同時(shí)也受其相鄰的階梯生成或消亡的影響，大西洋水對(duì)其上方的雙擴(kuò)散階梯和鹽躍層下部水起到加熱作用；而鹽躍層下部水的深度變化主導(dǎo)著大西洋水和雙擴(kuò)散階梯的深度變化。兩個(gè)相鄰的階梯具有一致的位溫和深度變化趨勢(shì)。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式，估計(jì)大西洋水通過(guò)雙擴(kuò)散階梯向上傳輸?shù)臒嵬繛?.05～0.6 W/m2，且由下至上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。最后，估算由雙擴(kuò)散造成的垂向渦擴(kuò)散系數(shù)為3×10-6～3.3×10-5m2/s，且由下至上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

加拿大海盆；雙擴(kuò)散階梯；水團(tuán)

屈玲，宋雪瓏，周生啟.加拿大海盆東南部錨定觀測(cè)雙擴(kuò)散階梯的時(shí)間演化研究［J］.海洋學(xué)報(bào)，2015，37（1）：21—29，doi.10.3969/ j.issn.0253-4193.2015.01.003

Qu Ling，Song Xuelong，Zhou Shengqi.Temporal evolution of mooring-based observations of double diffusive staircasesin the southeast Canada Basin［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（1）：21—29，doi.10.3969/j.issn.0235-4193.2015.01.003

1　引言

高溫（位溫大于0℃）高鹽（約35）的北大西洋水（Atlantic Water，AW）通過(guò)弗拉姆海峽（Fram Strait）和巴倫支海（Barents Sea）進(jìn)入北冰洋，流經(jīng)歐亞海盆進(jìn)入加拿大海盆［1］，廣泛分布在300～550 m深度范圍內(nèi)，對(duì)北冰洋的熱鹽平衡起著重要的作用。在高溫高鹽的大西洋水上方，是低溫低鹽的鹽躍層下部水（Lower Halocl ine Water，LHW）。通常情況下，LHW表征為鹽度34.1的水團(tuán)［2］。由于海水溫度和鹽分在分子尺度上的熱擴(kuò)散系數(shù)（κT≈10-7m2·s-1）大于鹽擴(kuò)散系數(shù)（κS≈10-9m2·s-1），且兩者對(duì)海水密度梯度具有相反的作用，由此引起的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，叫做雙擴(kuò)散對(duì)流。當(dāng)?shù)蜏氐望}水在高溫高鹽水之上時(shí)，易于生成雙擴(kuò)散階梯［3］，多發(fā)生在北冰洋等海域［4—5］。雙擴(kuò)散的主要特征是其溫鹽廓線具有階梯狀結(jié)構(gòu)，階梯由溫鹽基本均勻的混合層和溫鹽梯度較大的界面組成（通常情況，混合層的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于界面的厚度，因此在后面的討論中，通過(guò)分析混合層的性質(zhì)來(lái)研究階梯的特征）。加拿大海盆中，低溫低鹽的LHW位于高溫高鹽的AW之上的垂向分布，導(dǎo)致兩水團(tuán)之間產(chǎn)生雙擴(kuò)散現(xiàn)象。

雙擴(kuò)散階梯是加拿大海盆的水文結(jié)構(gòu)特性之一。AW通過(guò)雙擴(kuò)散階梯向上輸運(yùn)熱量和鹽分，對(duì)北冰洋水體有著重要的影響，前人對(duì)其進(jìn)行了深入的探討。1969年，Neal等［6］發(fā)現(xiàn)在加拿大海盆300～350 m范圍內(nèi)，存在厚度為2～10 m的均勻階梯。在1987年，Padman和Dillon［7］應(yīng)用微結(jié)構(gòu)剖面儀對(duì)加拿大海盆南部的階梯進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在320～430 m深度范圍內(nèi)的階梯更明顯，且其階梯厚度約為1～2 m，通過(guò)階梯向上輸送的熱通量在0.02～0.1 W/m2范圍內(nèi)。2008年，Tim mermans等［8］對(duì)冰基剖面儀（Ice-Tethered Profiler，ITP）2004-2007年期間在加拿大海盆內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)階梯出現(xiàn)在200～300 m范圍內(nèi)，單個(gè)階梯的厚度約為1 m，但在水平方向上延伸了數(shù)百千米，階梯向上輸送的熱通量在0.05～0.3 W/m2范圍內(nèi)。2012年，Polyakov等［9］通過(guò)分析2003-2004年期間在拉普捷夫海陸坡（Laptev Sea slope）的高分辨率錨碇點(diǎn)溫鹽數(shù)據(jù)，研究了6個(gè)明顯且長(zhǎng)期存在的階梯，這6個(gè)階梯的深度為140～350 m，并對(duì)AW暖核上方的4個(gè)階梯向上輸運(yùn)的熱量進(jìn)行估計(jì)，約為8 W/m2。在2004年的2月和8月，兩股AW的強(qiáng)暖流流經(jīng)錨碇點(diǎn)，在此過(guò)程中，階梯仍保持其自身特性不變。趙倩和趙進(jìn)平［10］通過(guò)分析中國(guó)第三次北極科學(xué)考察的溫鹽深儀數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)雙擴(kuò)散階梯的深度在空間上存在差異，其垂向熱通量約為0.05～0.22 W/m2。2014年，Lique等［11］對(duì)加拿大海盆內(nèi)2003-2011年期間的錨碇?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)垂向渦擴(kuò)散系數(shù)的參數(shù)化，計(jì)算AW通過(guò)階梯向上輸運(yùn)熱量平均為0.1～0.2 W/m2。

這些研究表明，雙擴(kuò)散是影響北冰洋內(nèi)部熱通量輸送重要機(jī)制［9］，然而，很少有人關(guān)注雙擴(kuò)散階梯隨時(shí)間具有怎樣的變化規(guī)律，以及雙擴(kuò)散階梯與其上下水團(tuán)之間的聯(lián)系。本研究認(rèn)為，上下水團(tuán)的變化，對(duì)其會(huì)有重要的影響，這也是本研究的初衷。在本文中，首先對(duì)錨碇站位處的AW、LHW和兩者之間18個(gè)階梯中的4個(gè)階梯在位溫和深度方面進(jìn)行對(duì)比，以得到水團(tuán)和雙擴(kuò)散階梯之間的聯(lián)系；最后估算了錨碇站位處，AW通過(guò)雙擴(kuò)散階梯向上傳輸?shù)臒嵬?，并評(píng)估了雙擴(kuò)散所造成的有效渦擴(kuò)散系數(shù)。

2　觀測(cè)數(shù)據(jù)和方法

2003年8月-2013年8月，伍茲霍爾海洋研究所通過(guò)波弗特環(huán)流觀測(cè)系統(tǒng)（Beaufort Gyre Observing System，BGOS）項(xiàng)目，在加拿大海盆內(nèi)部設(shè)4個(gè)錨碇站位（圖1）。這4個(gè)站位分別記為A、B、C和D，且每個(gè)站位的潛標(biāo)均配置包括麥克萊恩錨碇剖面儀（McLane Moored Profiler，MMP）在內(nèi)的儀器設(shè)備。MMP集成了溫鹽深探測(cè)儀（Conductivity，Temperature and Depth Recorder，CTD）和二維聲學(xué)海流計(jì)（2-DAcoustic Current Meter，ACM），以25 cm/s的垂向速度、1 Hz的采樣頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。CTD的溫度探頭分辨率為0.01℃，鹽度探頭分辨率為0.02，ACM的測(cè)量精度為采集數(shù)據(jù)的3%，分辨率為±0.01 cm/s，MMP數(shù)據(jù)的前期處理詳細(xì)過(guò)程可參見(jiàn)Krishfield R等人所做的技術(shù)報(bào)告《BGFE2003-2004 MMPEMCTDand ACMData Processing Procedures》（未發(fā)表，可在http：//w w w.whoi.edu/page.do？pid =66566中下載）。本文中對(duì)D錨碇站位的MMP數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論，數(shù)據(jù)的采集時(shí)間、位置以及廓線數(shù)目等信息如表1所示，在2005年8月29日-2011年8月11日期間，MMP總共采集1 896個(gè)廓線，經(jīng)過(guò)前期處理后的數(shù)據(jù)垂向分辨率為2 m，測(cè)量深度范圍為60～2 000 m，廓線之間的采樣時(shí)間間隔為6 h和48 h（MMP下潛與上浮時(shí)間間隔為6 h，上浮后與下次下潛的時(shí)間間隔為48 h）。每年8月，回收MMP，導(dǎo)出數(shù)據(jù)并對(duì)儀器進(jìn)行校正，精確的站位位置會(huì)有所變動(dòng)，表1中的站位位置精確至度。

圖1　北冰洋加拿大海盆地形及觀測(cè)站位分布Fig.1 Map of the Canada Basin in the Arctic Ocean and mooring locations

基于階梯內(nèi)的鹽度相對(duì)更加均勻且隨時(shí)間變化較小的特性，在溫鹽階梯識(shí)別時(shí)，我們應(yīng)用固定鹽度范圍的方法。首先，對(duì)連續(xù)5 d采集的鹽度廓線進(jìn)行概率密度（PDF）分析，每個(gè)階梯的鹽度最可幾值對(duì)應(yīng)著PDF曲線中的每個(gè)峰值，例如，識(shí)別1號(hào)階梯時(shí)，取其對(duì)應(yīng)的峰值Sp1，在Sp1±0.002 7范圍內(nèi)的鹽度，都判定為處于該階梯內(nèi)。在同一廓線內(nèi)，取該階梯內(nèi)的鹽度平均值作為該階梯的鹽度S，類似的，可以得到階梯的位溫T，深度Z，厚度H。

表1　D錨定站位處MMP數(shù)據(jù)說(shuō)明Tab.1 Data description of MMPprofiles of mooring location D

為了檢驗(yàn)階梯的準(zhǔn)確性，我們?cè)贒錨碇站位111 k m范圍內(nèi)，對(duì)相同時(shí)間段的冰基剖面儀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（所用冰基剖面儀是由伍茲霍爾海洋研究所開(kāi)發(fā)，通過(guò)在漂流的浮冰上下放溫鹽深儀，對(duì)北冰洋上層海水進(jìn)行持續(xù)的觀測(cè)。儀器的溫度精度為0.001℃，垂向分辨率較高，為0.25 m）。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在34.4～34.85鹽度范圍內(nèi)，冰基剖面儀探測(cè)到21個(gè)階梯，而MMP探測(cè)到18個(gè)階梯。其原因是由于MMP數(shù)據(jù)的垂向分辨率為2 m，無(wú)法識(shí)別到厚度小的階梯。

3　關(guān)于雙擴(kuò)散階梯的討論

加拿大海盆上層由淺至深，依次分布著次表層暖水、太平洋夏季水、太平洋冬季水、LHW和AW，具有獨(dú)特的溫鹽的垂向分布，其中，次表層暖水具有季節(jié)性變化而其他水無(wú)明顯的季節(jié)變化特征［12］。

圖2為D錨碇站位典型的位溫廓線和鹽度廓線，該廓線是2005年8月29日在（74.00°N，139.98°W）處采集。在圖2a位溫廓線（灰色實(shí)線）中，50～100 m深度范圍內(nèi)，出現(xiàn)局部高溫，對(duì)應(yīng)著太平洋夏季水，隨著深度的增加，逐漸降溫，在200 m處達(dá)到極小值Tmin，低至-1.5℃，為太平洋冬季水的冷核，隨著深度的繼續(xù)增加，逐漸增溫，在450 m處達(dá)到極大值Tmax，高至0.6℃，為AW，在增溫的同時(shí)伴隨著階梯狀結(jié)構(gòu)，從局部放大圖——圖2b中可以看到明顯的雙擴(kuò)散階梯結(jié)構(gòu)，位溫均勻的階梯與梯度較大的界面相間分布，隨著深度的繼續(xù)增加，位溫逐漸遞減。圖2a鹽度廓線（黑色實(shí)線）中，由表層至450 m，鹽度急劇增加，并在200～450 m范圍內(nèi)，鹽度遞增的同時(shí)同樣具有與位溫廓線類似的階梯結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2b），隨著深度的繼續(xù)增加，鹽度緩慢增加。在本文的討論中，最大位溫Tmax（鹽度范圍大于34.7）處定義為AW［9］；AW上層為L(zhǎng)HW，同KikuchiT等［13］一樣，取S=34.1處定義該水團(tuán)。在圖2c中的溫鹽圖中可以看到，AW對(duì)應(yīng)的鹽度約為34.8，LHW對(duì)應(yīng)的鹽度為34.1。由圖2b中可以看到，雙擴(kuò)散的溫鹽階梯出現(xiàn)在AW的上方，LHW的下方。

3.1AW和LHW變化對(duì)雙擴(kuò)散階梯的影響

在34.4～34.85鹽度范圍內(nèi)，通過(guò)前文所述的固定鹽度的判別方法，針對(duì)D錨碇站位的鹽度廓線，識(shí)別出18個(gè)階梯結(jié)構(gòu)，如圖3所示。從圖中可知，D錨碇站位處的雙擴(kuò)散階梯的鹽度隨時(shí)間基本保持不變，鹽度在34.45～34.6范圍內(nèi)的階梯的位溫隨著時(shí)間的增加逐漸升溫，而鹽度在34.6～34.85范圍內(nèi)的階梯隨著時(shí)間的增加，先逐漸升溫，又逐漸降溫。雙擴(kuò)散階梯位溫隨時(shí)間的這種不同的變化，是由何種原因造成的？相鄰階梯之間是否存在關(guān)聯(lián)？下面對(duì)此進(jìn)行分析。在圖4、圖5中，取LHW、AW以及平均鹽度分別為34.452、34.676、34.702和34.819的4個(gè)階梯在位溫和深度方面分別進(jìn)行對(duì)比分析。

首先分析位溫的變化趨勢(shì)。圖4為位溫隨時(shí)間的變化：由上至下，依次為L(zhǎng)HW、平均鹽度分別為34.452、34.676、34.702和34.819的4個(gè)階梯以及AW。其中，如圖3所示，平均鹽度約為34.452的階梯為識(shí)別出來(lái)的階梯中鹽度最小的階梯，即位于最上方且最接近于LHW的階梯；平均鹽度為34.819的階梯為識(shí)別出來(lái)的階梯中鹽度最大的階梯，即位于最下方且緊鄰AW。為了使位溫隨時(shí)間變化的整體趨勢(shì)更加明顯，以25 d為時(shí)間尺度，對(duì)位溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行平滑。如圖4所示，2005年8月-2009年8月期間，AW呈現(xiàn)明顯的升溫趨勢(shì)，由約0.6℃上升至約0.8℃，但在2006-2007年期間，AW出現(xiàn)一次冷異常事件，位溫由約0.65℃降至約0.57℃，之后又迅速升溫；2009年8月-2011年8月期間，AW緩慢降溫，由0.8℃降至0.75℃；平均鹽度為34.819的階梯的位溫隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與AW位溫隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致，兩者之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.995；平均鹽度為34.702的階梯的位溫與AW的位溫變化趨勢(shì)在2005年8月-2007年3月期間一致，在2007年3月，由于該階梯的下方有新臺(tái)階結(jié)構(gòu)生成（見(jiàn)圖3），阻礙下側(cè)的熱量向上傳輸，致使該階梯的位溫出現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)；而平均鹽度為34.676的階梯緊鄰平均鹽度為34.702的階梯，位于其上方，位溫隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，兩者之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98；平均鹽度約為34.452的階梯的位溫在2005年8月-2011年8月期間，整體呈上升趨勢(shì)，且在2006-2007年間的降溫幅度明顯弱于前面分析的3個(gè)階梯，與AW的位溫變化趨勢(shì)之間的相關(guān)系數(shù)為0.678，而與LHW位溫之間的相關(guān)系數(shù)為0.818，即與LHW位溫的變化趨勢(shì)更接近。LHW在2005年8月-2011年8月期間呈現(xiàn)升溫趨勢(shì)，由約-1.10℃升至約-0.97℃，即AW通過(guò)各個(gè)階梯依次向上傳輸?shù)臒崃渴筁HW升溫。在表2中分別列舉了上述各階梯與AW和LHW之間位溫的相關(guān)系數(shù)，可以看到，越接近AW的階梯，兩者之間的位溫變化相關(guān)系數(shù)越高，其位溫變化趨勢(shì)與AW的位溫變化趨勢(shì)越相近；而上層與LHW相鄰的階梯，其位溫變化與LHW位溫變化之間的相關(guān)系數(shù)（0.818）高于與AW位溫變化之間的相關(guān)系數(shù)（0.678）。綜上所述可得，階梯的位溫變化主要受與其接近的水團(tuán)的位溫變化影響。AW在維持自身升溫的同時(shí)，對(duì)其上方的階梯進(jìn)行加熱作用，使其位溫呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，這也和階梯位溫與AW位溫之間的相關(guān)系數(shù)高于它們與LHW位溫之間的相關(guān)系數(shù)的結(jié)果一致。

圖2　加拿大海盆D錨碇站位典型的位溫廓線（灰色實(shí)線）和鹽度廓線（黑色實(shí)線）（a），a圖中250～550 m深度范圍內(nèi)溫鹽廓線的局部放大圖（b）和溫鹽圖（c）Fig.2 Typical profi les of potential temperature（gray）and sal inity（black）at mooring location D（a），closeup of the profi les between 250 to 550 m to show the staircases（b）and the diagram of potential temperature versus sal inity（c）

圖3　D錨定站位2005-2011年間，在34.4～34.85鹽度范圍內(nèi)的階梯的位溫-鹽度散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of potential temperature versus sal inity（34.4 to 34.85）ofthe staircasesin the double diffusive convection at mooring location Dbetween 2005 and 2011

圖4　LHW、平均鹽度為34.452、34.676、34.702和34.819的階梯和AW的位溫隨時(shí)間的變化Fig.4 Time series of potential temperatures of the LHW，four staircases and the AWcore，the sal inity of the four staircases are 34.452，34.676，34.702 and 34.819 respectively

表2　階梯位溫與水團(tuán)位溫之間的相關(guān)性Tab.2 The correlation coefficients between potentialtemperture of the saircases layers and that of the AWand the LHW

圖5　LHW、平均鹽度為34.452、34.676、34.702和34.819的階梯和AW的深度隨時(shí)間的變化Fig.5 The time series of depth of the LHW，four staircases and AW，the sal inity of the four staircases are 34.452，34.676，34.702 and 34.819 respectively

再分析深度的變化趨勢(shì)。圖5為深度隨時(shí)間的變化：與圖4相同，由上至下，依次為L(zhǎng)HW、平均鹽度分別為34.452、34.676、34.702和34.819的4個(gè)階梯以及AW暖核。如圖5所示，2005年8月-2006年8月期間，LHW逐漸變淺，由約230 m上升至215 m，隨后，又逐漸變深，至2008年，深度約為262 m，之后經(jīng)歷了變淺又變深，在2011年8月，其深度約為240 m。平均鹽度為34.452的階梯其深度在255～305 m范圍內(nèi)變化，隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與LHW深度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致，兩者之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.995；平均鹽度為34.676的階梯、平均鹽度為34.702的階梯，兩者的深度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與LHW深度變化趨勢(shì)一致，相關(guān)系數(shù)依次為0.992、0.990，且這兩個(gè)相鄰階梯的深度變化趨勢(shì)一致，兩者之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.996；而平均鹽度為34.819的階梯，其深度維持LHW深度變化趨勢(shì)，且深度在變化過(guò)程中，伴隨較多的跳躍，兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.958，比其他3個(gè)階梯的??；AW暖核的深度變化亦保持LHW深度變化的大趨勢(shì)，由420 m變深至450 m，加深了約30 m。在表3中分別列舉了上述各階梯與AW和LHW之間深度的相關(guān)系數(shù)：各階梯深度變化與LHW深度變化之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.99，且高于其與AW深度變化之間的相關(guān)系數(shù)。這說(shuō)明可能是上層的LHW，而不是下方的AW對(duì)方階梯結(jié)構(gòu)的深度起決定性作用；Proshutinsky等［14］在相同的時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)到加拿大海盆等溫線下潛。他們推斷由于控制該海域的反氣旋北極高壓加強(qiáng)，導(dǎo)致了加拿大海盆中波弗特流渦增強(qiáng)，這使得?？寺槲饔眉訌?qiáng)，進(jìn)而引起等溫線下潛。劉國(guó)昕和趙進(jìn)平［15］對(duì)北極冰下埃克曼漂流的影響深度進(jìn)行了研究，指出冬季較深為70 m左右，夏季較淺為20～30 m。這也說(shuō)明了?？寺槲饔糜谏蠈雍Ｑ?，水體的下潛是自上而下的，LHW深度的加深很有可能起因于由埃克曼抽吸所引起的等溫線下潛，而LHW深度的加深又造成了其下方雙擴(kuò)散階梯深度的加深。

表3　階梯深度與水團(tuán)深度之間的相關(guān)性Tab.3 The correlation coefficients between the depth of the staircases and that of the AWand the LHW

3.2AW通過(guò)雙擴(kuò)散階梯輸運(yùn)的熱通量

類似于瑞利伯納德對(duì)流中的對(duì)流環(huán)結(jié)構(gòu)［16］，對(duì)雙擴(kuò)散中的對(duì)流環(huán)進(jìn)行定義［17］：由階梯和其上層界面的一半（為上邊界）以及其下層界面的一半（為下邊界）構(gòu)成。對(duì)流環(huán)的位溫Tc、鹽度Sc、和深度hc為所包含階梯的相應(yīng)參量，厚度H為上下邊界之間的距離，溫差ΔT為上下邊界之間的位溫之差，鹽差ΔS為上下邊界之間的鹽度之差。對(duì)流環(huán)的密度比率Rρ的定義為：

式中，α和β分別為熱擴(kuò)散系數(shù)和鹽收縮系數(shù)。1990年，Kelley［18］根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到雙擴(kuò)散熱通量公式，用以計(jì)算通過(guò)雙擴(kuò)散向上輸送的熱通量FH：

式中，ρ為密度，cp為比熱，κ=1.4×10-7m/s2為分子熱擴(kuò)散系數(shù)，g=9.8 m/s2為重力加速度，ν=1.8× 10-6m/s2為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

由式（2）可知，對(duì)流環(huán)的溫差對(duì)熱通量的影響較大。通過(guò)與冰基剖面儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)有3個(gè)階梯未被識(shí)別到，這些階梯會(huì)影響其相鄰階梯的溫差評(píng)估，接下來(lái)在對(duì)流環(huán)的研究中，忽略了這些受影響的階梯。

基于式（2），可以得到通過(guò)各個(gè)對(duì)流環(huán)向上傳輸?shù)臒嵬縁H，如圖6所示。其中每個(gè)黑色散點(diǎn)對(duì)應(yīng)對(duì)流環(huán)的熱通量和鹽度，而紅色圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)該對(duì)流環(huán)的熱通量最可幾值和平均鹽度。最可幾值的求解過(guò)程如下所述：例如，對(duì)平均鹽度為34.676的對(duì)流環(huán)，在2005年8月-2011年8月期間的熱通量進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，得到熱通量的概率分布圖（見(jiàn)圖7）。圖7中，最大概率所對(duì)應(yīng)的熱通量為該對(duì)流環(huán)熱通量的最可幾值，取每個(gè)對(duì)流環(huán)的熱通量最可幾值，作為該對(duì)流環(huán)熱通量的特征值。由圖6可知，各對(duì)流環(huán)的熱通量分布范圍基本相同，約為0.05～0.6 W/m2，與Padman和Di llon［7］所評(píng)估的熱通量（0.02～0.1 W/m2）基本一致。熱通量的最可幾值在0.15～0.3 W/m2范圍內(nèi)，由下至上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)（鹽度在34.45～34.8范圍內(nèi)）。

圖6　對(duì)流環(huán)熱通量-鹽度散點(diǎn)圖Fig.6 The heat flux distribution of different convection rolls

垂向渦擴(kuò)散系數(shù)表征跨等密面混合的強(qiáng)度，由于在加拿大海盆內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行直接測(cè)量比較困難，所以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少［19-20］。Tim mermans等［8］指出，加拿大海盆內(nèi)部湍流強(qiáng)度較弱的海域，溫鹽廓線中會(huì)出現(xiàn)階梯狀結(jié)構(gòu)，表明有雙擴(kuò)散現(xiàn)象發(fā)生。Merryfield［21］和Inoue等［22］認(rèn)為，強(qiáng)混合的背景環(huán)境下，不能產(chǎn)生雙擴(kuò)散現(xiàn)象。由此，在本文的研究中，可以認(rèn)為在D錨碇站位處的背景環(huán)境中無(wú)強(qiáng)混合，垂向的物質(zhì)交換和熱交換是由雙擴(kuò)散主導(dǎo)的，這樣通過(guò)對(duì)流環(huán)的熱通量FHC可以得到有效的垂向渦擴(kuò)散系數(shù)KT：

圖7　平均鹽度為34.676的對(duì)流環(huán)的熱通量的概率分布Fig.7 The probabi l ity distribution of heat fluxes across the convection roll at the sal inity of 34.676

D錨碇站位處的有效渦擴(kuò)散系數(shù)KT如圖8所示，類似于圖6，每個(gè)黑色散點(diǎn)對(duì)應(yīng)對(duì)流環(huán)的KT和鹽度，而紅色圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)該對(duì)流環(huán)的KT最可幾值和平均鹽度。KT的最可幾值的確定過(guò)程如同熱通量的最可幾值。在圖8中，KT分布在3×10-6～3.3×10-5m2/s范圍內(nèi)，且隨著對(duì)流環(huán)鹽度的減小，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；在最大鹽度的對(duì)流環(huán)中，KT的最可幾值取得最大值為2.8×10-5m2/s，在最小鹽度的對(duì)流環(huán)中，KT的最可幾值取得最小值為4.5×10-6m2/s。

4　結(jié)論

圖8　對(duì)流環(huán)有效渦擴(kuò)散系數(shù)-鹽度散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter diagram of effective eddy diffusivity versus sal inity of convection roll

對(duì)北冰洋中加拿大海盆內(nèi)東南部錨定站位處的MMP數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用固定鹽度的方法，對(duì)AW和LHW之間的雙擴(kuò)散階梯進(jìn)行識(shí)別，取其中的4個(gè)階梯，與AW、LHW在位溫和深度方面進(jìn)行對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)雙擴(kuò)散階梯的位溫主要受與其接近的水團(tuán)的影響；LHW的深度變化對(duì)AW以及兩者之間的雙擴(kuò)散階梯的深度變化起著主導(dǎo)作用。

通過(guò)類比瑞利伯納德對(duì)流環(huán)，將雙擴(kuò)散的階梯以及其上層界面的一半和其下層界面的一半視為一個(gè)對(duì)流環(huán)，計(jì)算得到D錨碇站位處向上傳輸?shù)臒嵬繛?.05～0.6 W/m2，熱通量由下至上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。這與前人的估算結(jié)果基本一致。估算得到由雙擴(kuò)散造成的有效渦擴(kuò)散系數(shù)約為3×10-6～3.3× 10-5m2/s，且由下至上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

致謝：非常感謝波弗特環(huán)流探測(cè)項(xiàng)目采集和提供的錨碇剖面數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目的研究人員主要來(lái)自伍茲霍爾海洋研究所，以及加拿大漁業(yè)和海洋科學(xué)研究所（http：//w w w.whoi.edu/beaufortgyre）。

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Temporal evolution of mooring-based observations of double diffusive staircasesin the southeast Canada Basin

Qu Ling1，2，Song Xuelong1，2，Zhou Shengqi1

（1.State Key Laboratory of Tropical Oceanography，South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou510301，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China）

In the upper Canada Basin，double-diffusive staircases are located between the Atlantic Water（AW）and the Lower Halocl ine Water（LHW）.The McLane Moored Profi ler（MMP）data measured from August 2005 to August 2011 at subsurface mooring stations are analyzed to explore the relationship between double-diffusive staircases and these two water masses.In the fixed sal inity interval between 34.45 and 34.83，eighteen staircases areidentified.Itis found that the potentialtemperature of staircasesis affected by their adjacent water masses and also the formation and decay oftheir adjacent staircases.Thereis hearttransferfrom the AWto the overlying staircases and the LHW，and the depth variations of the staircases and the AWare determined by the depth of the LHW.The adjacent staircases show almost the same variation trend between its potential temperature and depth.Based on the empiricalformula，the heat flux across the staircaseis estimated to be 0.05 to 0.6 W/m2.The vertical heat flux is found to gradually increase as the sal inity decreases upward.In addition，the effective vertical diffusivity，which is caused by double-diffusive convection，is estimated to be about 3×10-6to 3.3×10-5m2/s，and it gradually decreases as the sal inity decreases.

Canada Basin；double-diffusive staircase；water mass

P733.1

A

0253-4193（2015）01-0021-09

2014-03-26；

2014-05-11。

國(guó)家自然科學(xué)基金（41176027，11072253）；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）資助（XDA11030302）；熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究項(xiàng)目資助（LTOZZ1304）。

屈玲（1983—），女，山東省曲阜市人，從事海洋中雙擴(kuò)散的研究。E-mai l：qul ing@scsio.ac.cn

周生啟，男，研究員，主要從事深海動(dòng)力學(xué)過(guò)程（熱液噴發(fā)）；海洋混合、海洋中、小和微尺度過(guò)程；湍流熱對(duì)流及復(fù)雜流體等研究。E-mai l：sqzhou@scsio.ac.cn