动荡和混合分层湖泊和水库

在表面和底部边界湍流生产

基本上有两种机制产生湍流SL: (i)风力的作用导致g e

表1典型的耗散值、稳定性和垂直扩散系数在分层水域

Dissipationa e (Wkg1)稳定N2(2)扩散系数* Kz (m2 ^

表1典型的耗散值、稳定性和垂直扩散系数在分层水域

Dissipationa e (Wkg1)稳定N2(2)扩散系数* Kz (m2 ^

海洋温跃层	io-10-io-8	4 ~打败	(0.3 - 3)x 10 ~ 5
表层	10-6-10-9	0 - ~纯	10-5-10-2
湖内只(不涨)	十大“12-10_1°	10-8-10-3	10-7-10-5
斜温层(盆地规模)	10-10-10-8	~三分	(0.5 -50)x 10 - 7。结果
近岸斜温层	10-10-10-6	~三分	(0.3 - 3)4 x打败
深深水层(盆地规模)	10“12-10-10	10-8-10-6	(0.03 - 3)4 x打败

aDuring风暴事件值更大的大小。

aDuring风暴事件值更大的大小。

示踪剂释放后时间(天)

图4示踪的垂直传播萤光素钠注射后25米深度Alpnach湖(瑞士)。垂直的线的划定了7天的最初阶段,在此期间萤光素钠居住在分层深水的内部。两个小图显示湖地区在表面和萤光素钠注射的深度,以及水平分布萤光素钠的云(灰色阴影)4和28天之后。增长缓慢的扩散前7天说明了室内的安静。垂直传播的快速增长后第七天是由于增加的贡献洗液混合后示踪剂进入沉积物在25米深度。从古德米斯特GH复制,此人F, Gloor M,吴(1997)边界和内部diapycnal混合分层自然水域。地球物理研究杂志》102:27903 - 27914年,美国地球物理联盟的许可。

示踪剂释放后时间(天)

图4示踪的垂直传播萤光素钠注射后25米深度Alpnach湖(瑞士)。垂直的线的划定了7天的最初阶段,在此期间萤光素钠居住在分层深水的内部。两个小图显示湖地区在表面和萤光素钠注射的深度,以及萤光素钠的水平分布云(灰色阴影)4和28天之后。增长缓慢的扩散前7天说明了室内的安静。垂直传播的快速增长后第七天是由于增加的贡献洗液混合后示踪剂进入沉积物在25米深度。从古德米斯特GH复制,此人F, Gloor M,吴(1997)边界和内部diapycnal混合分层自然水域。地球物理研究杂志》102:27903 - 27914年,美国地球物理联盟的许可。

波破坏和剪切前几米的水柱,(2)表面冷却造成较重的水沉没的包裹。Temperature-driven混合((2))导致同质化的SL因此nonstratified条件——至少在前几个小时或天热通量从/到大气restratify SL。这个过程被详细讨论在这百科全书。只有在浅池塘或与相对较高的盆地贯流式动荡有其他特定的来源。

风动混合(例(i)),动荡的关键参数管理动力学在SL表面剪切应力t (Nm-2),单位面积上的力施加在水面上的风。这个压力等于下行eddy-transport水平动量从大气中。t是消耗的一部分波的加速度和维护(tWave),而剩下的湍流动量通量tsl产生电流和SL。通过假设恒定应力在空气与接口,两边的水有一个动量通量等于总风压力(t = tsl + tWave)。

立即在水面以下,动量通量,tsl——驱动垂直的水平速度u (z) SL。如果风保持相对恒定的几个小时,准稳态条件下可能出现在SL: u (z),描绘了Law-of-the-Wall du / dz = = (tsl / r) 1/2 (kz) 1,在u * = (tsl / r) 1/2是摩擦速度和k(= 0.41)是卡门常数。因为浮力通量在SL (eqn中定义。[3]在eqn)并不是一个大的贡献。[4],我们可以假设之间的平衡的生产TKE和粘性耗散率的TKE (e)。这个地方生产和湍流耗散之间的平衡决定了湍流强度的函数在SL深度。在这些假设,耗散e = (tSL / p) du / dz = u * 3 (kz) 1 [9]

仅仅是一个函数的风致压力tsl(这里表示为u»)和z的深度。实验表明,耗散确实(eqn深度成反比。[9]),如果平均足够长的时间。然而,一个关于eqn的有效性至关重要。[9],有两个原因:首先,水柱顶端,碎波,除了剪切应力,产生一个动荡的SL的重要组成部分。这可以解释为额外的TKE代表面注射TKE从上面。因此,在最外层组织,湍流超过eqn描述的水平。[9],根据波的强度破坏。第二,

冰盖Vetrical扩散系数

冰盖Vetrical扩散系数

今年的一天

图5垂直diffusivitiesin贝加尔湖与ak-epsilon模拟模型。等高线图(1 - 6)的数字显示季节性分层的主要特性和扩散系数的变化:的形成热分层现象下弱混合(1)冬季冰和(2)在夏季;(3)形成对流混合层在春天冰;深对流混合在6(4)和(5)11月;(6)附近的一个混合层的形成最大密度的温度。这里的重点是时间和垂直结构的湍流扩散系数,而不是绝对的准确性,这可能是难以实现与湍流建模比2 - 3倍。从施密德M复制等等。(2007)源和汇的甲烷在贝加尔湖:是测量和建模的综合。湖沼学和海洋学52:1824 - 1837,美国社会的许可Liminology和海洋学。

今年的一天

图5垂直diffusivitiesin贝加尔湖与ak-epsilon模拟模型。等高线图(1 - 6)的数字显示季节性分层的主要特性和扩散系数的变化:热分层现象的形成与弱混合(1)在冬天下冰和(2)在夏季;(3)形成对流混合层在春天冰;深对流混合在6(4)和(5)11月;(6)附近的一个混合层的形成最大密度的温度。这里的重点是时间和垂直结构的湍流扩散系数,而不是绝对的准确性,这可能是难以实现与湍流建模比2 - 3倍。从施密德M复制等等。(2007)源和汇的甲烷在贝加尔湖:是测量和建模的综合。湖沼学和海洋学52:1824 - 1837,美国社会的许可Liminology和海洋学。

eqn。[9]依赖准稳态条件可能只适用于有限集。

尽管有这些限制,eqn。[9]提供了一个好的SL中的扩散系数的估计,如果它是弱分层。方程[8]和[9]表明,混合率大幅增加在SL表面接触。相应的稳定N2减少表面和维护快速混合。因此,温度梯度、营养和par-ticulates通常最小的表面,随着深度增加。在阳光明媚的日子,昼夜斜温层形式与混合减少。在多云的,有风的日子,SL混合充分,甚至可能深化取决于表面强迫。因素讨论了影响的深度混合在这个百科全书。它通常在温暖季节几米,几十米在寒冷的季节。下面,一个强大的密度梯度(密度跃层)可以开发导致SL和变温层/深水层之间的分离。在分层内部(离桶;见下文),风力是屏蔽和混合政权的影响是完全不同的。

进行更详细的讨论(见底栖生物边界层(河流,湖泊和水库)),湍流生成和混合水体的底部边界可以类比SL中描述。在稳态条件下,产生的底边界层(桶)类似的垂直结构(i)当前剪切(见上图),(2)(eqn TKE耗散率。[9])和(iii)的垂直混合。虽然最初的间接动力湍流的桶也是风,它不是直接从大气中湍流动量通量的水。相反,机制是风引起的间接造成大规模的水流和防御内波(如湖面),作为中间能源水库产生TKE底摩擦。特别是沿着倾斜的界限,打破传播内波和对流过程——一个二次效应底摩擦可以产生额外的TKE,导致损耗和eqn超过预测的混合。[9]。与SL,涨也通常部分(弱)分层。再次,混合(eqn。[8])大幅增加当接近沉积物,常常一个完全均质层底部几米厚的发展。

内波和分层紊流内部

湖里内陆,远离表面和底部边界(图1),水体分层和静止的,它并不感到动荡的直接影响在上面的表面和沉积物来源。这种分层内部包含一个上游地区,斜温层梯度的地方温度和密度是最强的,较低的地区,深水层,只有弱分层和水大部分属性都是均匀的。内波是普遍的。

内陆水体的混合率很低因为(i)电流和剪切是软弱和由此产生的湍流生产减少,(ii)分层抑制湍流混合。机械能产生主要来自盆地规模的内部水流和波浪(见上图),而规模较小的波和更高的频率可能会在一些特定位置——生成并没有造成太大的能源预算深水。之间的过渡,和大规模的波浪是near-inertial电流,它可以携带-特别是在大湖的很大一部分机械能通常在jm ~ 1 ~ 3的顺序。鉴于能源居留时间尺度观察天(小湖泊)周(最深的湖泊),内部能量的耗散是~ 1 q-l2 - ~ 1 q-10wkg-1(表1),考虑分层N2 (eqn典型值。[1])的10 8 - 10 3 s ~ 2和gmix«0.1 (eqn。[5]),10-7-10-5平方米的室内diffu-sivities s_1可以预期(表1;图4)。分层内部——远离SL和桶,是迄今为止最完全区湖泊。

重要的一代的小规模的混合是当地不稳定相关的内部(斜压)动作,如图2所示。通常不稳定发生主要是在弱背景剪切增强非线性内波的趋陡或叠加剪切的小规模的内波传播。

直接观察的动荡和混合,利用微观结构和示踪技术,确认分层内部动荡的确是非常弱的。通常,只有几个百分点的水柱发现积极混合。这种动荡的补丁是高度间歇性的发生在时间和空间。期间nonturbulent液体时,我们可以期待层流条件,因此分子运输的主导地位。可观察到的平均扩散系数可以被认为是一些动荡事件的叠加隔开分子扩散大部分的时间。因此在分层内部产生的交通将接近分子。示踪试验和微观结构分析在中小型湖泊进行确认这些安静的室内的状况和增强湍流底部边界。在图4中示踪剂的垂直传播,注入到深水层,显示内部(前几天)和一个防御卷包括洗液(几天之后)。从图4很明显,内部湍流扩散系数是至少一个数量级低于防御深水体积,包括底部边界。除了这些空间差异,必须意识到颞可变性。在风暴中,湍流可以短片段大几个数量级。从静止的转变,积极迅速出现一次混合风增加超过一定阈值相对于分层。内部能量场波和湍流可以开发。但最大的增加发生在底栖生物酯洗液。 It is during such storms that most of the vertical flux takes place.

动荡的补丁,生成垂直通量(如图3)例证大小不同部分在不同扰动强度e和分层N2。几个长度尺度开发描述湍流漩涡的大小。一个是Ozmidov规模

,另一个是索普,LT,基于直接观察不稳定区域的大小。两个数的比值变化根据分层的力量,有助于预测混合效率,gmix eqn。[5]LO和LT的典型值范围从几厘米到一米但对于弱分层涡流更大尺度的几十米到100米,在弱分层湖贝加尔湖。

混合的时空动态挑战不仅实验评估,而且其净效应的数值模拟,湍流扩散系数的Kz。当地的测量Kz eqn。[8]经常解决其空间和时间动力学和数值模拟中使用的粗网格大小不捕获的小尺度相关的混合过程的内部。

继续阅读:湍流能量通量水柱合成

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