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海洋中的混合与湍流

厘米及以下尺度的湍流,悄无声息地完成了大洋流无法实现的任务:它在密度界面之间搅动热量、盐分、营养物质和动量,并最终维持了整个海洋的深层翻转。

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Definition

海洋混合是指热量、盐分和动量等性质通过小尺度湍流运动进行的不可逆传递,而湍流是产生这种传递的混沌、三维流体运动。

Scope

本主题涵盖风、对流和剪切引起的湍流生成;表层混合层的结构和夹卷;主要由内波破碎驱动的内部斜压(跨等密度面)混合;双扩散过程;以及海洋和气候模型中混合的参数化。

Core questions

  • 在表层和分层内部,哪些过程会产生湍流?
  • 湍流如何决定混合层的深度和性质?
  • 什么控制着允许深层密水返回地表的斜压混合速率?
  • 在大型海洋模型中,如何表示作用于未解析尺度的混合?

Key theories

剪切不稳定性和理查森数
当速度剪切的去稳定效应克服分层的稳定效应时,分层剪切流会变得湍流,这种转变由低梯度理查森数预测。
深海混合的能量学
维持观测到的深层分层和翻转需要全球范围内的混合能量供应,这主要来源于风以及在崎岖地形上破碎的内潮。

Mechanisms

风应力和表面冷却产生对流和剪切,将上层海洋混合成一个近乎均匀的层;在海洋内部,内波在理查森数(Richardson number)降至足够低以发生剪切不稳定时,会增长、变陡并破碎,产生湍流斑块,使水体跨密度界面混合。其累积效应使深层密水上升,并完成了翻转环流。

Clinical relevance

混合决定了阳光照射的表层水域的营养物质供应,从而影响初级生产力,控制着海洋吸收热量和碳的速度,并且是气候预测中最大的不确定性来源之一,因为它必须进行参数化而非直接解析。

History

蒙克(Munk)1966年的《深海配方》(Abyssal Recipes)提出了维持深海分层需要多少混合的问题;从1970年代开始的微结构测量,最终在示踪剂释放实验和1998年蒙克-温施(Munk-Wunsch)能量学框架中达到顶峰,确立了混合作为全球环流的核心、能量受限的控制因素。

Key figures

  • Walter Munk
  • Carl Wunsch
  • Lewis Fry Richardson

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Seminal works

  • thorpe2005
  • munkWunsch1998

Frequently asked questions

为什么深海混合对气候很重要?
混合使寒冷、密集的深层水缓慢上升,从而完成了重新分配热量和碳的全球翻转环流;其速率强烈影响海洋如何缓冲气候变化。
海洋混合的能量来自哪里?
大部分能量来自吹拂海面的风以及驱动内波并在崎岖海底地形上破碎的潮汐,这些过程将大尺度能量转化为小尺度湍流。

Methods for this concept

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