海洋細微結構
正文
海洋物理要素場的小尺度結構。通常指鉛直尺度小於常規海洋學觀察層次間距的海水狀態參數（如溫度、鹽度、密度和流速等）的層次結構。這類小尺度的海水結構，一般又可分為細結構和微結構兩種：鉛直尺度為1～100米的，稱為細結構；鉛直尺度小於1米的,稱為微結構。在微結構現象中，分子過程起著主要作用。早在20世紀40年代，海洋學者已開始對海水的溫度和鹽度的鉛直分布的細結構,進行過一些初步的研究,但當時由於觀測手段的限制，這方面的研究未能得到進一步的發展。60年代以來，隨著海洋觀測技術的進步，電導率-溫度－深度記錄儀(CTD)、溫度-深度記錄儀(STD)、投棄式深度-溫度儀(XBT)、投棄式鹽度-溫度-深度記錄儀(XSTD)、熱敏電阻測溫鏈、聲學剖面儀和自由沉降式微結構記錄儀等新型觀測儀器先後問世。現代海洋調查能夠在廣闊的海區中準確而又快速地觀測到海洋水文要素場的鉛直結構的細節，而且對於微結構觀測的解析度，已達到厘米級甚至毫米級的水平，從而使海洋的細微結構的研究得到了很大的發展，並成為海洋物理學研究中的一個非常活躍的領域。
精密的海洋觀測和實驗表明，海水的溫度和鹽度等狀態參數的分布和變化，並不象常規調查結果所顯示的那樣光滑而連續，而是存在著許多時空尺度較小的複雜結構，其中特別明顯的是鉛直方向上，有一系列的、由許多近乎均勻的水層和較薄的強梯度水層相間疊置的階梯狀結構。在這種小尺度的鉛直結構中，強梯度薄層內的梯度值，一般比鉛直平均的梯度值高1～2個量級，並且常伴隨著顯著的流速鉛直切變。例如：通過直布羅陀海峽流入大西洋的高溫、高鹽的地中海水與低溫、低鹽的大西洋深層水上下疊置時，溫度和鹽度的層結呈現階梯狀的結構。其中,自1200～1800米的深度內,約有20個溫度和鹽度的階梯分布,其平均厚度約20米;而兩個階梯之間的強梯度薄層平均厚約7米,溫度和鹽度的階躍很大，其平均值分別為0.20°C和0.03（圖1）。在低溫、低鹽的北冰洋水與來自大西洋的高溫、高鹽水上下疊置時，大約自深度為220～340米之間有34個溫度鉛直躍變的階梯。相鄰兩階梯間的薄層厚度約為20厘米，溫度階躍近似為常數（0.26°C）；各階梯的厚度大致介於2～10米之間（圖2）。南極威德爾海的溫度和鹽度的鉛直分布也呈現階梯狀結構。 因為海水的密度是溫度、鹽度和壓強（深度）的函式，當溫度和鹽度出現階梯狀結構時，密度也會出現相應的階梯結構。但一般而論,由於溫度和鹽度的變化,對密度的影響是相互補償的，因此，海洋水層中密度的鉛直分布近似於連續分布。
海洋中的流速鉛直分布，也有類似於溫度和鹽度的細微結構。 在溫度強梯度薄層中， 流速鉛直切變模量G＝(dν/d)2相應出現峰值, 其量級為10-4秒-2（ν為流速,z為垂直坐標）；而在各階梯層內，流速的平均切變模量約為10-5秒-2。計算表明，在強梯度薄層中，理查孫數的量級為 1，呈穩定層結狀態；但在各階梯層內理查孫數較小，海水大體上處於臨界（中性）穩定狀態。
大量的觀測表明，海水狀態參數鉛直分布的細微結構，並非個別海區或個別水層的特殊現象，而是海洋中普遍存在的重要特徵。一般認為，導致海水層結的細微結構的原因很多，主要有以下4種假說：
① 側向熱鹽輸送假說。在鉛直層結不同的兩個相鄰水團的相對運動過程中，側向（準水平方向）平流和混合擴散所導致的熱量和鹽量輸送，可以使溫度和鹽度在鉛直方向出現階梯狀的多層結構，而鉛直方向的混合擴散效應，則有助於在各階梯層中形成溫度和鹽度的近似均勻的鉛直分布。
② 內波作用假說。穩定層結海洋中經常發生的內波，在其上下起伏和破碎過程中，可以使水層中的溫度、鹽度和密度場發生畸變；而內波場中水質點的運動速度的鉛直切變不穩定性和波峰破碎，又可產生散發性的波狀湍流。這些源於內波的運動學和動力學效應，都可以導致水層中的溫度、鹽度、密度及流速在鉛直方向的階梯狀結構。
③ 雙擴散對流假說。即使海水流速為零或流速的鉛直切變不穩定性可以忽略的情況下，也可以形成溫度和鹽度的階梯狀結構。例如，在高溫高鹽海水和低溫低鹽海水上下疊置的穩定層結狀態下，若上下水層的密度差異較小,則在這兩種熱鹽性質不同的海水交界面上,由於分子熱傳導效應比鹽量擴散效應強得多（熱傳導係數和鹽分子擴散係數的量級分別為10-3和10-5厘米2/秒），上層的高鹽海水因失熱較快而冷卻下沉，下層的低鹽海水因受熱較快而增溫上升，從而發生對流。這種由海水的熱鹽擴散效應顯著差異而產生的上下對流運動，是在熱鹽性質不同的水層界面上以簇狀小水柱的形式出現的，通常形象地稱為“鹽指”。實驗表明，鹽指的長度一般介於20～30厘米之間,鹽指間的距離約1厘米。上升的鹽指成簇地從界面的上表面升起，下降的鹽指則成簇地從界面的下表面沉降，而在離開鹽指生成處稍遠的海水便通過補償流的形式來補充離去的鹽指。因此，界面仍能保持其原來的強梯度薄層狀態,而界面上下的水層內,則因受升降鹽指的攪拌作用而變得均勻，這樣就逐漸形成了溫度和鹽度鉛直分布的多層階梯狀結構。此外，當低溫低鹽海水和高溫高鹽海水上下疊置時，則有可能產生雙擴散層結現象。這是因為界面上的低鹽海水會因受熱較快而增溫上升，而界面下的高鹽海水會因失熱較快而冷卻下沉。這種對流運動同樣可導致溫度和鹽度的多層階梯狀結構。出現雙擴散現象時，由於對流運動的不穩定性，在水層中會出現較強的混合過程，使溫度和鹽度的鉛直分布呈現非常複雜的多層結構。
④ 海水混合凝縮假說。由於海水狀態方程不是線性的，在T-S（溫度-鹽度）坐標平面上，等密度線凹向密度增大的方向。因此，由溫度和鹽度不同的兩種海水混合後的海水，其密度必然大於原來兩種海水的密度平均值；即使密度相同而溫度和鹽度各不相同的兩種海水混合時,情形也是如此。海水混合時密度增大的效應,可以引起鉛直對流，從而對海水的溫度和鹽度鉛直分布的階梯狀結構的形成，起一定的作用。例如，當高溫低鹽海水與低溫高鹽海水上下穩定疊置時，發生在界面上的小尺度對流，是不能用雙擴散對流假說來解釋的，但卻可用海水混合凝縮作用予以說明。
在自然條件下，海水狀態參數鉛直分布的細微結構往往是多種過程或效應聯合作用的結果。在這個問題上，還需要進一步的觀測、實驗和理論研究。
海水狀態參數鉛直分布的細微結構，對聲波在海洋中的傳播有很大的影響：細微結構的存在，可使聲散射增強，引起局地聲強的急劇改變，影響海洋溫躍層的聲道的傳輸性能，從而使海洋中的聲能傳播圖象比常規海洋學觀測所揭示的圖象更加複雜。此外，海洋細微結構的觀測和研究，對於估計通過海洋躍層（特別是大洋主躍層）的鉛直熱交換速率，了解海洋湍流和海洋中的混合擴散過程，都有重要的意義。
參考書目
寺本俊彥編：《海洋物理學》Ⅰ,《海洋學講座》Ⅰ，東京大學出版會，東京，1974。
J. S. Turner， Buoyancy Effects in Fluids，Cambridge Univ. Press，London，1973.
