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海水力学运动对溶解氧分布的影响


实验室k / 2018-07-02

    海洋里溶解氧的初级分布是由氧的生物地球化学收支平衡来决定的。但是因在海洋中既有平流也有水平和铅直方向上的涡动扩散,所以氧的最终分布是由生物地球化学过程和水的力学运动相叠加来决定的。

海水力学运动对溶解氧分布的影响
   

    式中Da和D2分别为水平和铅直方向上的涡动扩散系数,u,v,w分别为在x,y,z方向上的流速,f是因有机物氧化消耗氧的速率。在稳定状态下,w忽略不计,则上式变成:

    根据在北纬38°,西经148处溶解氧在铅直方向上的实测值和σt,分别为25.0,25.5,26.0,26.5,27.0以及27.5的等密度面上溶解氧的水平分布(川本,1957),计算了溶解氧含量在水平和铅直方向上的梯度及其二次微分。此外,在各个深度上水的流速假定为表2.10所列。作为水平和铅直方向上的涡动扩散系数分别假定为5×108厘米2/秒和50厘米2/秒。由有机物所消耗的氧在100米深度处为2毫升/升·年,在1000米深度处为0.2毫升/升·年。把这些值代入(2.13)方程式,计算的结果示于表2.10,2.11,2.12,2.13。各表由此可知,水平方向平流的影响比起水平方向上的扩散和生物的消耗来大得多。补偿因平流而引起的氧含量变化的是铅直方向的扩散,据此,关于氧含量的连续性是存在的。

表2.10  溶解氧的水平平流(38°N,148°E)

深度 流速 u,v

∂O/∂x

∂O/∂y

∂O/∂x ∂O/∂y
(米) (厘米/秒) (厘米/秒) (毫升/升·108厘米) (毫升/升·108秒)

300

400

500

600

800

1000

1100

1500

30

25

20

18

15

13

12

10

21(NW)

17

-14(SW)

-13

-10

-9

-8

-7

-0.5

-0.1

-0.1

-0.1

-0.1

-0.1

-0.1

-0.1

1.0

-1.2

-1.2

-1.1

-1.1

-1.0

-0.9

-0.9

-10

-1.7

1.4

1.3

1.0

0.9

0.8

0.7

21

20

17

14

11

9

7

6

11

18

18

15

12

10

8

7

表2.11  溶解氧的水平扩散(38°N,148°E)

(Dh,5×108厘米2/秒)

深度

2O/∂x2

2O/∂y2

Dh2O/∂x2+2O/∂y2
(米) (毫升/升·1016厘米2 (毫升/升·108秒)

300

400

500

600

800

1000

1100

1500

0

-0.1

-0.1

-0.1

-0.1

-0.1

-0.1

-0.1

1.5

-0.2

-0.2

-0.2

-0.2

-0.1

-0.1

-0.1

7.5

-1.5

-1.5

-1.5

-1.5

-1.0

-1.0

-1.0

表2.12  溶解氧的铅直分布与铅直扩散

(38°N,148°E)(Dz,50厘米2/秒)

深度 σ1 O2

∂O/∂z

2O/∂z2

Dz·2O/∂z2
(米) (毫升/升) (毫升/升·104厘米) (毫升/升·108厘米2 (毫升/升·108秒)

300

400

500

600

800

1000

1100

1500

26.75

26.9

27.1

27.2

27.35

27.4

27.5

27.6

4.2

2.8

1.9

1.6

1.1

1.0

1.0

1.3

-1.4

-1.0

-0.7

-0.4

-0.1

0

+0.1

+0.2

0.1

0.4

0.3

0.3

0.2

0.1

0.1

0.1

5

20

15

15

10

5

5

7

表2.13  溶解氧的平流、扩散及生物影响的比较
(单位:毫升/升/108秒)

深度(米) 平流(A) 水平扩散(H) 生物的消费(B) 合计(A-H+B) 铅直扩散

300

400

500

600

800

1000

1100

1500

11

18

18

15

12

10

8

7

7.5

-1.5

-1.5

-1.5

-1.5

-1.0

-0.5

-0.3

0.4

0.3

0.25

0.20

0.13

0.07

0.07

0.05

4

19

19

16

13

11

9

7

5

20

15

15

15

10

5

5

    换句话说,氧铅直分布的原型是经过长年累月由生物地球化学过程而形成的。然而因水的力学运动,使其原型发生显著变化,同时,作为一个整体则处于接近稳定状态。我们知道海水中溶解氧的分布在短时间内是不变的,这一点也可从德国“流星”号于1920年得到的溶解氧的观测值和30年以后在相同地点得到的观测值完全一致而得到证实。


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