扩散对流中台阶结构及其热盐输运的实验研究

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双扩散是一种广泛的自然现象。当流体系统中包含两种(或两种以上)不同分子扩散率的物质,并且这些物质对于流体垂向密度分布具有相反贡献时,就会发生双扩散过程。双扩散过程所形成的温盐台阶在海洋中普遍存在,是典型的小尺度结构。双扩散过程不仅对海洋中的热盐收支平衡有重要作用,而且影响大尺度的水团及热盐环流。目前,人们主要通过海上现场观测、数值模拟和室内实验研究双扩散过程,其中室内实验是研究其物理机制和特征的有效手段。双扩散现象主要包括两种类型:盐指和扩散对流,我们主要研究扩散对流类型。  本文通过室内实验研究了线性层结盐水系统的扩散对流演化过程。在底部提供恒定热通量、顶部保持恒定温度的条件下,通过温度垂向廓线的变化观察到明显的台阶结构。每个台阶由混合层和扩散界面组成,在混合层内温度、盐度均匀,而扩散界面温度、盐度梯度较大。在实验过程中,通过阴影图像观测到台阶的生成与合并过程。根据系统上下导板温差的变化,整个演化过程可分为三个阶段。在温差增加阶段,主要发现在已有台阶顶部生成新台阶,而最下层台阶与其上层台阶发生合并过程。在此阶段,由于台阶的生成速率大于合并速率,系统内台阶越来越多。在温差减小阶段,系统内仅存在台阶的合并过程,因此台阶数目越来越少。在温差恒定阶段,系统内仅存一个大尺度对流环,即瑞利-伯纳德对流。由于最下层台阶不断与其上层台阶合并,最下层台阶厚度不断增加,其厚度(H1)随时间(τ)的变化满足H1~τ0.7的关系。同时,我们发现在小区域发生的台阶合并过程可以在下边界的温度信号变化中体现出来,这表明局域的小尺度过程可以影响到大尺度环流。  通过测量两层双扩散台阶的温度、盐度时间序列,计算扩散界面的密度比率和热盐通量。随着时间增加,扩散界面的温差、盐差和密度比率都逐渐减小。通过扩散界面的热通量和盐通量有相同的变化趋势,皆先减小后增大。在(1.13,1.52)的密度比率范围内,我们发现本实验所得热盐通量比率与密度比率的关系基本符合Taylor(1988)参数化公式的预测结果,而与大家常用的Kelley(1990)参数化公式偏差较大。  
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