Mixed layer

Введение

Слой, в котором активная турбулентность гомогенизировала некоторый диапазон глубин Океанический или лимнологический смешанный слой - это слой, в котором активная турбулентность гомогенизировала некоторый диапазон глубин. Поверхностный смешанный слой - это слой, в котором эта турбулентность генерируется ветрами, поверхностными тепловыми потоками или такими процессами, как испарение или образование морского льда, что приводит к увеличению солености. Атмосферный смешанный слой - это зона, имеющая почти постоянную потенциальную температуру и специфическую влажность с высотой. Глубина смешанного слоя атмосферы известна как высота смешивания. Турбулентность обычно играет роль в образовании слоев смешанной жидкости.

Значение смешанного слоя

Смешанный слой играет важную роль в физическом климате. Поскольку удельное тепло океанической воды намного больше, чем у воздуха, верхние 2,5 м океана содержат столько же тепла, сколько вся атмосфера над ним. Таким образом, тепла, необходимого для изменения смешанного слоя 2,5 м на 1 °C, будет достаточно, чтобы повысить температуру атмосферы на 1 °C. Глубина смешанного слоя очень важна для определения диапазона температур в океанических и прибрежных регионах. Кроме того, тепло, хранящееся в смешанном слое океана, обеспечивает источник тепла, который стимулирует глобальную изменчивость, такую как Эль-Ниньо. Смешанный слой также важен, поскольку его глубина определяет средний уровень света, видимый морскими организмами. В очень глубоких слоях, крошечные морские организмы, известные как фитопланктон, не могут получить достаточно света, чтобы поддерживать свой метаболизм. Поэтому углубление смешанного слоя в зимнее время в Северной Атлантике связано с сильным снижением поверхностного хлорофилла а. Однако это глубокое смешивание также пополняет запасы питательных веществ вблизи поверхности. Таким образом, когда смешанный слой становится мелким весной, и уровень света увеличивается, часто происходит сопутствующее увеличение биомассы фитопланктона, известное как "весенний цвет".

Океаническое смешанное слойное образование

Существует три основных источника энергии для движения турбулентного смешивания в открытом океане смешанного слоя. Первая - это океанские волны, которые действуют двумя способами. Первый - это создание турбулентности вблизи поверхности океана, которая действует, чтобы поднять воду вниз. Хотя этот процесс вводит большое количество энергии в верхние несколько метров, большая часть ее рассеивается относительно быстро. Если океанские течения меняются с глубиной, волны могут взаимодействовать с ними, чтобы привести к процессу, известному как циркуляция Лангмура, большие вихри, которые двигаются на глубину десятков метров. Второй - ветровые течения, которые создают слои, в которых есть скоростные скребки. Когда эти ножницы достигают достаточной величины, они могут поглощать стратифицированную жидкость. Этот процесс часто описывается и моделируется как пример нестабильности Кельвина Гельмгольца, хотя другие процессы также могут играть роль. Наконец, если охлаждение, добавление соляной воды из замерзающего морского льда или испарение на поверхности приводят к увеличению плотности поверхности, произойдет конвекция. Самые глубокие смешанные слои (превышающие 2000 м в таких регионах, как Лабрадорское море) образуются в результате этого последнего процесса, который является формой нестабильности Рэйли-Тейлора. Ранние модели смешанного слоя, такие как модели Меллора и Дурбина, включали последние два процесса. В прибрежных зонах большие скорости, обусловленные приливами, также могут играть важную роль в создании смешанного слоя. Для смешанного слоя характерно почти однородное по своим свойствам, таким как температура и соленость по всему слою. Однако скорости могут проявлять значительные скрещивания в смешанном слое. Дно смешанного слоя характеризуется градиентом, где изменяются свойства воды. Океанографы используют различные определения числа, используемого в качестве глубины смешанного слоя в любой момент времени, основанные на измерениях физических свойств воды. Часто происходит резкое изменение температуры, называемое термоклином, чтобы отметить дно смешанного слоя; иногда может произойти резкое изменение солености, называемое галоклином. Совместное влияние изменений температуры и солености приводит к резкому изменению плотности, или пикноклину. Кроме того, резкие градиенты питательных веществ (нутриклин) и кислорода (оксиклин) и максимальная концентрация хлорофилла часто совпадают с основанием сезонного смешанного слоя.

There are three primary sources of energy for driving turbulent mixing within the open ocean mixed layer. The first is the ocean waves, which act in two ways. The first is the generation of turbulence near the ocean surface, which acts to stir light water downwards. Although this process injects a great deal of energy into the upper few meters, most of it dissipates relatively rapidly. If ocean currents vary with depth, waves can interact with them to drive the process known as Langmuir circulation, large eddies that stir down to depths of tens of meters. The second is wind driven currents, which create layers in which there are velocity shears. When these shears reach sufficient magnitude, they can eat into stratified fluid. This process is often described and modelled as an example of Kelvin Helmholtz instability, though other processes may play a role as well. Finally, if cooling, addition of brine from freezing sea ice, or evaporation at the surface causes the surface density to increase, convection will occur. The deepest mixed layers (exceeding 2000 m in regions such as the Labrador Sea) are formed through this final process, which is a form of Rayleigh–Taylor instability. Early models of the mixed layer such as those of Mellor and Durbin included the final two processes. In coastal zones, large velocities due to tides may also play an important role in establishing the mixed layer. The mixed layer is characterized by being nearly uniform in properties such as temperature and salinity throughout the layer. Velocities, however, may exhibit significant shears within the mixed layer. The bottom of the mixed layer is characterized by a gradient, where the water properties change. Oceanographers use various definitions of the number to use as the mixed layer depth at any given time, based on making measurements of physical properties of the water. Often, an abrupt temperature change called a thermocline occurs to mark the bottom of the mixed layer; sometimes there may be an abrupt salinity change called a halocline that occurs as well. The combined influence of temperature and salinity changes results in an abrupt density change, or pycnocline. Additionally, sharp gradients in nutrients (nutricline) and oxygen (oxycline) and a maximum in chlorophyll concentration are often co located with the base of the seasonal mixed layer.

Определение глубины смешанного слоя океана

Глубина смешанного слоя часто определяется гидрографией, измеряя свойства воды. Два критерия, часто используемых для определения глубины смешанного слоя, - это температура и сигма t (плотность) изменения от эталонного значения (обычно измерение поверхности). Температурный критерий, использованный в Levitus (1982), определяет смешанный слой как глубину, на которой изменение температуры от температуры поверхности составляет 0,5 °C. Однако, работа, выполненная Кара и. - Да, сэр. (2000) предполагают, что разница температур ближе к 0,8 °C. Критерий сигма t (плотность), используемый в Levitus A, более точное определение будет отличие между глубиной смешанного слоя (MLD), рассчитанной с температуры, минус глубину смешанного слоя, рассчитанную с использованием плотности. Первая ссылка на эту разницу как барьерный слой была в статье, описывающей наблюдения в западной части Тихого океана в рамках исследования циркуляции западной экваториальной части Тихого океана. В регионах, где присутствует барьерный слой, стратификация стабильна из-за сильного наплавного воздействия, связанного с пресной (т.е. более плавучей) водной массой, расположенной на вершине водяного столба. В прошлом типичным критерием для MLD была глубина, на которой температура поверхности остывает в результате некоторого изменения температуры от поверхностных значений. Например, Левитус В частности, барьерный слой образуется в зимний сезон на экваториальном фланге субтропических максимумов солености. В начале зимы атмосфера охлаждает поверхность, а сильный ветер и отрицательная плавучесть смешивают температуру с глубоким слоем. В то же время соленость поверхности содержится в дождливых тропических регионах. Глубокий температурный слой вместе с сильной стратификацией в солености создает условия для образования барьерного слоя. Для западной части Тихого океана механизм образования барьерного слоя отличается. Вдоль экватора восточный край теплого бассейна (обычно 28 °C изотерма) является демаркационной областью между теплой пресной водой на западе и холодной, соленой, поднятой водой в центральной части Тихого океана. Барьерный слой образуется в изотермическом слое, когда соленая вода подсоединяется (т.е. более плотная водная масса перемещается ниже другой) с востока в теплый бассейн из-за локальной конвергенции или теплая пресной вода переоценивает более плотную воду на востоке. Здесь слабые ветры, обильные осадки, восточная адвекция воды с низкой соленостью, западная субдукция соленой воды и нисходящие экваториальные волны Кельвина или Россби являются факторами, которые способствуют формированию глубоких BLT.

The depth of the mixed layer is often determined by hydrography—making measurements of water properties. Two criteria often used to determine the mixed layer depth are temperature and sigma t (density) change from a reference value (usually the surface measurement). The temperature criterion used in Levitus (1982) defines the mixed layer as the depth at which the temperature change from the surface temperature is 0.5 °C. However, work done by Kara et. al. (2000) suggest that the temperature difference is closer to .8 °C. The sigma t (density) criterion used in Levitus A more precise definition would be the difference between mixed layer depth (MLD) calculated from temperature minus the mixed layer depth calculated using density. The first reference to this difference as the barrier layer was in a paper describing observations in the western Pacific as part of the Western Equatorial Pacific Ocean Circulation Study. In regions where the barrier layer is present, stratification is stable because of strong buoyancy forcing associated with a fresh (i. e. more buoyant) water mass sitting on top of the water column. In the past, a typical criterion for MLD was the depth at which the surface temperature cools by some change in temperature from surface values. For example, Levitus In particular, the barrier layer is formed in winter season in the equatorward flank of subtropical salinity maxima. During early winter, the atmosphere cools the surface and strong wind and negative buoyancy forcing mixes temperature to a deep layer. At this same time, fresh surface salinity is advected from the rainy regions in the tropics. The deep temperature layer along with strong stratification in the salinity gives the conditions for barrier layer formation. For the western Pacific, the mechanism for barrier layer formation is different. Along the equator, the eastern edge of the warm pool (typically 28 °C isotherm see SST plot in the western Pacific) is a demarcation region between warm fresh water to the west and cold, salty, upwelled water in the central Pacific. A barrier layer is formed in the isothermal layer when salty water is subducted (i. e. a denser water mass moves below another) from the east into the warm pool due to local convergence or warm fresh water overrides denser water to the east. Here, weak winds, heavy precipitation, eastward advection of low salinity water, westward subduction of salty water and downwelling equatorial Kelvin or Rossby waves are factors that contribute to deep BLT formation.

Значение BLT

До Эль-Ниньо теплый бассейн сохраняет тепло и ограничивается дальним западом Тихого океана. Во время Эль-Ниньо теплый бассейн мигрирует на восток вместе с сопутствующими осадками и аномалиями течения. В это время западное ветерение усиливается, усиливая событие. Используя данные с корабля "Оппортинес" и тропической атмосферы океана (TAO) причалов в западной части Тихого океана, восточная и западная миграция теплого бассейна была отслежена в течение 1992-2000 гг. с использованием солености морской поверхности (SSS), температуры морской поверхности (SST), течений и подповерхностных данных о проводимости, температуре, глубине, полученных в ходе различных исследовательских круизов. Эта работа показала, что во время течения на запад, BLT в западной части Тихого океана вдоль экватора (138oE 145oE, 2oN 2oS) составляет от 18 до 35 м, что соответствует теплой SST и служит эффективным механизмом хранения тепла. Образование барьерного слоя обусловлено течениями на запад (т.е. сходящимися и субдуктивными) вдоль экватора вблизи восточного края солевого фронта, который определяет теплый бассейн. Эти течения на запад движутся вниз по течению волнами Россби и представляют собой либо адвекцию BLT на запад, либо предпочтительное углубление более глубокого термоклина по сравнению с более мелким галоклином из-за динамики волн Россби (т. е. эти волны благоприятствуют вертикальному растяжению верхнего водяного столба). Во время Эль-Ниньо западные ветры подталкивают теплый бассейн на восток, позволяя пресной воде пробираться над местной холодной/соленой/гуще водой на восток. Используя соединенные атмосферно-океанские модели и настраивая смешение для устранения BLT за один год до Эль-Ниньо, было показано, что накопление тепла, связанное с барьерным слоем, является требованием для большого Эль-Ниньо. Было показано, что существует тесная связь между SSS и SST в западной части Тихого океана, и барьерный слой играет важную роль в поддержании тепла и импульса в теплом бассейне внутри слоя солености. Позднее исследования, включая дрифтеры Argo, подтверждают связь между миграцией теплого бассейна на восток во время Эль-Ниньо и накоплением тепла в барьерном слое в западной части Тихого океана. Основным воздействием барьерного слоя является поддержание мелкого смешанного слоя, позволяющего улучшить воздушный и морской ответ. Кроме того, BLT является ключевым фактором в установлении среднего состояния, которое нарушается во время Эль-Ниньо/Ла-Нинья.

Prior to El Nino, the warm pool stores heat and is confined to the far western Pacific. During the El Nino, the warm pool migrates eastward along with the concomitant precipitation and current anomalies. The fetch of the westerlies is increased during this time, reinforcing the event. Using data from the ship of opportunity and Tropical Atmosphere – Ocean (TAO) moorings in the western Pacific, the east and west migration of the warm pool was tracked over 1992 2000 using sea surface salinity (SSS), sea surface temperature (SST), currents, and subsurface data from Conductivity, temperature, depth taken on various research cruises. This work showed that during westward flow, the BLT in the western Pacific along the equator (138oE 145oE, 2oN 2oS) was between 18 m – 35 m corresponding with warm SST and serving as an efficient storage mechanism for heat. Barrier layer formation is driven by westward (i. e. converging and subducting) currents along the equator near the eastern edge of the salinity front that defines the warm pool. These westward currents are driven by downwelling Rossby waves and represent either a westward advection of BLT or a preferential deepening of the deeper thermocline versus the shallower halocline due to Rossby wave dynamics (i. e. these waves favor vertical stretching of the upper water column). During El Nino, westerly winds drive the warm pool eastward allowing fresh water to ride on top of the local colder/saltier/denser water to the east. Using coupled, atmospheric/ocean models and tuning the mixing to eliminate BLT for one year prior to El Nino, it was shown that the heat buildup associated with barrier layer is a requirement for big El Nino. It has been shown that there is a tight relationship between SSS and SST in the western Pacific and the barrier layer is instrumental in maintaining heat and momentum in the warm pool within the salinity stratified layer. Later work, including Argo drifters, confirm the relationship between eastward migration of the warm pool during El Nino and barrier layer heat storage in the western Pacific. The main impact of barrier layer is to maintain a shallow mixed layer allowing an enhanced air sea coupled response. In addition, BLT is the key factor in establishing the mean state that is perturbed during El Nino/La Niña

Лимнологическое смешанное образование слоя

Формирование смешанного слоя в озере похоже на то, что происходит в океане, но смешивание более вероятно в озерах исключительно из-за молекулярных свойств воды. Плотность воды меняется с изменением температуры. В озерах структура температуры осложняется тем, что пресноводная вода самая тяжелая при температуре 3,98 °C (градуса Цельсия). Таким образом, в озерах, где поверхность становится очень холодной, смешанный слой в течение короткого времени простирается до самого дна весной, когда поверхность нагревается, а также осенью, когда поверхность охлаждается. Это перевертывание часто важно для поддержания кислорода в очень глубоких озерах. Изучение лимнологии охватывает все внутренние водоемы, включая водоемы с солью в них. В соленых озерах и морях (таких как Каспийское море) образование смешанных слоев обычно ведет себя аналогично океану.

Атмосферное смешанное образование слоев

Атмосферный смешанный слой возникает в результате движения конвективного воздуха, обычно наблюдаемого к середине дня, когда воздух на поверхности нагревается и поднимается. Таким образом, она смешана с нестабильностью Рэйли-Тейлора. Стандартной процедурой определения глубины смешанного слоя является изучение профиля потенциальной температуры, температуры, которую воздух имел бы, если бы он был доведен до давления, обнаруженного на поверхности, без набора или потери тепла. Поскольку такое увеличение давления включает в себя сжатие воздуха, потенциальная температура выше, чем температура in situ, причем разница увеличивается по мере того, как выше в атмосфере. Смешанный слой атмосферы определяется как слой с (приблизительно) постоянной потенциальной температурой или слой, в котором температура падает со скоростью приблизительно 10 °C/км, при условии, что он свободен от облаков. Однако такой слой может иметь градиенты влажности. Как и в случае с смешанным слоем океана, скорости не будут постоянными в смешанном слое атмосферы.