内部波如何塑造海洋混合模式，理解海洋环流的新方法

海洋内部是一个动态而复杂的环境，各种物理过程影响着海洋的环流和分层。在这些过程中，内波及其与湍流的相互作用在推动海洋混合方面起着重要作用。一项新的研究，探讨了这些波的机制，特别是它们如何相互作用并级联成湍流，为全球海洋混合模式及其对气候和海洋环流的更广泛影响提供了新的见解。

内波和海洋混合

内波是在海洋分层层内传播的重力波，分层层中的水团密度不同。这些波可以由各种机制产生，包括潮汐力、风应力和浮力。当内波破碎时，它们会产生湍流涡流，使水混合，从而影响海洋特性，如温度、盐度和营养物分布。

内波可以由多种过程产生，但其中最重要的两个是潮汐力和风应力。潮汐力作用于海洋表面和下层，在水柱中产生振荡。这些振荡以内波的形式在海洋内传播，其能量可以转移到海洋内部。风应力，尤其是大陆坡上的风应力，也会产生内波。当风吹过海面时，会引起空气和水之间的摩擦，从而在海面上产生波浪状扰动。然后，这些表面波可以与密度分层相互作用，产生穿过水柱的内波。

除了潮汐和风之外，地球自转、海洋地形和水密度变化等其他因素也会导致内波的产生。了解这些机制对于理解海洋混合模式至关重要，因为不同类型的内波会与海洋的不同层和区域相互作用。

海洋混合是调节海洋热量、营养物质和动量分布的关键过程。这种混合有助于维持海洋分层的稳定性并支持全球温盐环流。这种混合的主要驱动因素之一是内部波浪的破碎。

波浪-湍流级联

内波动力学的一个关键方面是波浪-湍流级联，即大尺度波浪的能量级联到小尺度波浪的过程，从而产生湍流涡流。这种级联是将能量从大尺度内波转移到驱动海洋混合的细尺度湍流的关键机制。

当内波达到某个阈值时，它就会破裂，从而产生湍流。这一过程产生的湍流漩涡将水混合，导致热量、盐和营养物质重新分布。这一混合过程在维持海洋的垂直和水平结构方面起着根本性的作用，确保水的特性在整个水柱中均匀分布。

波浪湍流级联在内波最活跃的区域尤其重要，例如大陆坡附近和潮汐锋面。这些区域通常具有显著的垂直混合特征，有助于调节海洋的热结构并支持营养物质的垂直输送，这对海洋生态系统至关重要。

内波对海洋环流和分层的影响

内波及其产生的湍流对海洋环流和分层有着深远的影响。海洋分层是指不同密度的水团的分层，表面附近的水较暖、密度较低，深海的水较冷、密度较高。内波与这些水层相互作用，破坏和混合它们，从而导致海洋分层发生变化。

内波的关键效应之一是其对斜压混合的影响，斜压混合是指不同密度层之间的水混合。这种混合对于维持海洋垂直结构的稳定性以及确保热量、营养物质和其他示踪物在整个水柱中分布至关重要。

内波的破碎也会影响全球温盐环流，而温盐环流负责将热量和碳输送到全球各地。通过增强混合，内波有助于调节海洋热量的分布，影响区域气候模式，并增强海洋从大气中吸收碳的能力。

新的研究发现

伍兹霍尔海洋研究引导的一项新的研究，研究人员利用波-波相互作用理论，发现他们的第一性原理预测与观察到的全球海洋内部混合模式几乎普遍一致，填补了这一空白。

该研究证实，海洋中的湍流垂直混合主要是由内部波浪破碎引起的。这些波浪是由风和潮汐产生的，它们以非线性的方式相互作用，将能量向下传递，直到变得不稳定并混合水柱。

研究表明，内波驱动的混合是海洋中热量和营养物质输送的很大一部分原因。特别是，破碎的内波在维持翻转环流方面起着至关重要的作用，翻转环流将暖水输送到极地，将冷水输送到热带地区。

这项研究强调了相互作用的内部波在塑造全球海洋混合模式方面的重要性。为完全基于物理的海洋环流模型的波浪驱动混合参数化奠定了基础，这对于可靠地表示可能与今天有很大不同的未来气候状态至关重要。

思考

虽然已经发现了很多关于大尺度内部波浪驱动混合的知识，但对于这些波浪与不同海洋区域的湍流相互作用的规模仍存在不确定性。内部波浪破碎和湍流的规模在不同海洋盆地和深度范围内如何变化？气候变化将如何影响内波的产生和传播？

参考文献：Giovanni Dematteis, Arnaud Le Boyer, Friederike Pollmann, Kurt L. Polzin, Matthew H. Alford, Caitlin B. Whalen & Yuri V. Lvov ，Interacting internal waves explain global patterns of interior ocean mixing.  Nature Communications volume 15, Article number: 7468 (2024) ，doi.s41467-024-51503-6

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