海洋重力流入侵的垂直密度结构，来自实验室实验和海洋建模的见解

海洋重力流是指密度较高的水流在密度较低的水流下方流动时形成的流，它在海洋动力学中起着重要作用，包括混合、热量和盐度分布以及沉积物输送。这些洋流通常由温度或盐度差异引起，可以侵入分层环境，导致影响海洋垂直密度结构的复杂相互作用。了解控制这些洋流行为及其垂直密度结构的机制对于预测它们对海洋环流、气候模型和海洋生态系统的影响至关重要。

近年来，研究加深了我们对重力流的了解，特别是它们侵入分层、多层环境时的行为。虽然许多研究已经探索了分层水域中重力流的动态，但仍有许多需要学习的地方，特别是关于这些水流的垂直密度结构如何随时间演变。

重力流和分层

重力流是一种密度驱动的流动，当稠密的流体（通常由温度或盐度差异引起）在密度较低的周围流体下方流动时就会发生。在海洋中，这些洋流通常是由上升流、淡水流入或由于冷却或蒸发而在表面形成稠密水团等过程引起的。重力流的特点是它们沿边界水平流动，并垂直渗透到周围的水柱中。

根据这些洋流的形成地点及其与分层水层的关系，这些洋流可分为底流、顶流或中流。海洋中的重力洋流在热量、营养物和沉积物的输送以及水团的混合中起着至关重要的作用，特别是在海洋分层明显的地区。

海洋分层，即基于密度差异的水分层，对重力流的动态有重大影响。分层环境通常出现在海洋的温跃层、盐跃层和密度跃层中，其中各层之间的密度差异可能存在很大差异。重力流与这些层的相互作用决定了其渗透到更深水域的程度、混合过程以及由此产生的密度结构。

当重力流遇到分层介质时，通常会导致夹带过程，即水流在移动时会吸入周围的水。这种夹带会改变水流的密度结构，通常会导致复杂的垂直剖面随时间而变化。这些过程的动态受各种因素的影响，包括水流的速度、水流与周围流体之间的密度对比以及分层的强度。

影响垂直密度结构的关键因素

有多种因素会影响海洋重力流的垂直密度结构。这些因素可以增强或抑制洋流穿透水柱的能力、改变混合过程并影响最终的密度分布。

重力流与周围水之间的密度对比是影响垂直密度结构的最重要因素之一。密度对比越大，通常越深入分层，垂直密度梯度越明显。密度对比主要由温度和盐度差异所驱动，这在许多海洋环境中很常见。

重力流的速度会影响其夹带率和水流内的湍流程度。层流通常与较慢的水流有关，倾向于保持更分层的垂直结构和明显的密度梯度。相比之下，湍流重力流表现出更多的混合，导致垂直密度分布更平坦，不同层之间的流动行为更均匀。

海洋分层的强度决定了重力流与周围层的相互作用程度。在弱分层环境中，重力流倾向于水平扩散，导致侵入较浅且混合较少。相反，在强分层环境中，重力流更有可能渗透得更深，随着重力流与多个层相互作用，导致更复杂的垂直剖面。

湍流在塑造垂直密度分布方面起着至关重要的作用。当重力流与分层水相互作用时，湍流的发展会增加夹带量，即周围的水被拉入水流中。这会导致更多的垂直混合，从而可以平滑急剧的密度梯度并在水流中形成更均匀的密度结构。

重力流与海洋顶部和底部边界层之间的相互作用对于确定密度结构至关重要。在表面和底部边界处，混合通常更为激烈，从而导致边界层的形成，从而改变整体垂直剖面。

预测垂直密度结构

预测重力流的垂直密度结构（特别是在分层环境中）是一项复杂的挑战。准确的预测对于理解重力流对更大的海洋环流和气候系统的影响至关重要。研究人员采用了各种方法来建模和预测这些结构，包括实验室实验、数值模拟和缩放定律。每种方法都对这些洋流的行为提供了独特的见解。

为了补充实验和数值研究，许多研究人员开发了缩放定律和参数化模型来预测重力流的行为。这些模型通常侧重于关键变量之间的关系，例如流与周围流体之间的密度对比、流速和分层程度。例如，1979年的一项研究引入了重力流与分层环境相互作用的缩放定律，提供了一个基于这些关键参数预测其行为的框架。

这些研究中开发的缩放定律通常采用简单的经验公式或半解析模型的形式，可用于估计夹带率、洋流穿透深度和垂直密度分布。这些模型对于海洋环流建模等应用很有用，在这些应用中，重力流的精确动力学可能尚未完全了解，但对其行为的一般了解对于更大规模的模拟至关重要。

新的研究发现

一项新的研究，在格勒诺布尔科里奥利旋转平台上进行的大规模实验室实验，该平台是世界上最大的旋转罐.实验模拟了旋转的下坡重力流侵入双层分层环境​，研究人员利用速度和密度测量来分析入侵。

研究确定了侵入岩垂直密度结构中的两种不同模式：通过埃克曼动力学的层流输送和由于间歇性密集水流级联而产生的湍流输送。对于湍流状态，垂直密度梯度对密度异常表现出分段线性依赖性，表明存在平流扩散过程。

这项研究的一项重要发现是，入侵重力洋流的总厚度平均约为分层环境水标高 2.5 倍，标高是预测分层水域洋流动态的关键指标。这一比率对于了解洋流对周围海洋层影响的垂直范围至关重要。重力流内的垂直密度梯度与密度异常呈分段线性相关，这意味着电流的密度结构在不同阶段或段中发生变化，每个阶段或段都受不同的混合和传输过程控制。这一发现有助于了解重力流内的湍流涡流如何随时间演变并促进垂直混合。

研究人员观察到，洋流中的密度异常随着入侵的进展而动态演变。随着时间的推移，入侵的密度分布变得更加复杂，受到周围分层、内部湍流和潮汐流等外部强迫因素的影响。这种与时间相关的行为对于预测洋流对海洋混合和输送的长期影响至关重要。

研究表明，与非旋转或更简单的流动相比，旋转下坡重力流表现出独特的动态。旋转给流动带来了额外的复杂性，影响了水流与分层环境的相互作用。这些相互作用可能导致非线性湍流，影响水流的垂直和水平扩散。

这些实验的结果为将研究结果扩展到现实世界的海洋条件奠定了基础。

思考

气候变化将如何影响海洋重力流的动态和结构？这些侵入体的垂直密度结构的长期趋势和变化是什么？重力流入侵如何与其他海洋过程（如热盐环流和涡流形成）相互作用？微尺度过程在重力流入侵的整体动力学中起什么作用？重力流入侵在不同海洋区域如何随着地形和水特性的变化而变化？

参考文献：Sévan Rétif, Maria Eletta Negretti & Achim Wirth ，Predicting the vertical density structure of oceanic gravity current intrusions.  Scientific Reports volume 14, Article number: 10274 (2024) ，doi.s41598-024-60878-x

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