海洋中的“小巨人”，全球海洋表面边界层亚中尺度湍流的秘密

看似平静的海洋深处其实暗藏着无数的“小巨人”？这些“小巨人”就是海洋学家们所说的“亚中尺度过程”，它们在海洋中扮演着举足轻重的角色。

亚中尺度过程是指海洋中那些尺度介于大尺度洋流和湍流之间的一种运动，这些运动往往发生在海面以下数十到数百米深的地方，水平尺度则在数十到数千米之间。它们就像海洋中的“涡旋”，不断地搅动着海水，将表层的热量和养分输送到深海，同时也将深海的冷水和营养物质带到表层。

正是由于亚中尺度过程的存在，海洋才能够保持活力，维持着地球的气候平衡。它们影响着海洋的混合、热量传输和营养物质循环，进而影响着海洋生物的分布和海洋生态系统的稳定。

传统上，人们认为波浪、风和对流等因素是造成该区域湍流的主要力量。一项新的研究，探讨了海洋锋面亚中尺度过程，研究发现，亚中尺度现象是海洋表面边界层（OSBL ）湍流的重要来源。亚中尺度湍流的贡献随季节变化，冬季的贡献比夏季更大。这种变化归因于不同季节的分层和混合层动态差异， 具体而言，海洋锋面产生的亚中尺度地转剪切对湍流能量贡献显著，冬季占总耗散量的34 % ，夏季占17 %。亚中尺度湍流增强了垂直混合，这对于热量、营养物质和溶解气体在海面和深海层之间的输送至关重要。这种混合影响水柱的整体分层和稳定性。

研究发现，亚中尺度过程与更大的中尺度涡流相互作用，调节其强度和寿命。这些相互作用加剧了海洋环流模式的整体变化和复杂性。亚中尺度湍流引起的强烈垂直混合具有重大的生态和生物地球化学影响。它将营养丰富的水带到真光层，促进浮游植物生长并提高初级生产力，从而影响海洋食物网和碳循环。

这项研究为了解亚中尺度湍流的动态及其在塑造海洋过程中的关键作用提供了宝贵的见解。

参考文献：Jihai Dong, Baylor Fox-Kemper, Jacob O. Wenegrat, Abigail S. Bodner, Xiaolong Yu, Stephen Belcher & Changming Dong， Submesoscales are a significant turbulence source in global ocean surface boundary layer.  Nature Communications， DOI: s41467-024-53959-y

一、亚中尺度过程在海洋研究中有什么用？

亚中尺度过程在海洋学研究中扮演着不可或缺的角色。

1.垂直混合和营养物输送：亚中尺度湍流显著增强了海洋的垂直混合，这对于将营养物质从深海输送到海面至关重要。这种营养物质的输送支持浮游植物的生长，浮游植物是海洋食物网的基础，并影响初级生产力。

2.能量传递与耗散：这些过程在海洋能量级联中起着至关重要的作用。亚中尺度湍流有助于将能量从较大的中尺度结构转移到较小的尺度，有助于动能的耗散。这种能量转移对于维持海洋内动能的平衡至关重要。

3.气候动力学：了解亚中尺度过程对于改进气候模型至关重要。这些过程影响海洋吸收和重新分配热量和碳的能力，而热量和碳是全球气候调节的关键因素。在模型中准确表示亚中尺度动态可以更好地预测气候变化的影响。

4.分层和稳定性：亚中尺度湍流影响海洋水柱的分层和稳定性。通过影响热量和盐度的垂直分布，这些过程影响海洋表面边界层的密度结构和稳定性，这对大规模海洋环流模式有影响。​​

5.生物地球化学循环：亚中尺度过程对于生物地球化学循环（例如碳循环）至关重要。这些过程驱动的强烈垂直混合促进了二氧化碳等溶解气体的输送，增强了海洋作为碳汇的作用并影响了全球碳循环。

6.海洋生态系统：亚中尺度过程对营养分布和初级生产力的影响直接影响海洋生态系统。这些过程将营养丰富的水带到海面，支持浮游植物和其他海洋生物的生长，这对于海洋生态系统的健康和生产力至关重要。

总体而言，亚中尺度过程的研究有助于海洋学家了解和模拟海洋的复杂动态，有助于更好地预测海洋环流、气候变化和海洋生态系统的健康状况。

二、亚中尺度过程如何促成海洋锋面的形成？

亚中尺度过程是海洋锋面形成的重要驱动力之一。亚中尺度过程导致的水平辐合和辐散，会挤压等密度面，从而形成密度梯度较大的区域，即锋面。亚中尺度过程引起的垂直运动，会将深层冷水带到表层，或者将表层暖水带到深层，从而加强海水的温度和盐度差异，促进锋面的形成。亚中尺度过程是海洋能量级联的重要环节，通过将大尺度能量向小尺度输送，为锋面的形成提供能量。亚中尺度过程与其他海洋动力过程（如中尺度涡旋、潮汐等）的非线性相互作用，也会诱发锋面的形成和发展。

具体而言，亚中尺度过程是锋生过程的重要驱动力之一。例如，水平切变流场中的变形场可以产生锋生，而亚中尺度涡旋的伸展和收缩也会导致锋面的形成。亚中尺度过程可以通过加强水平密度梯度和垂直剪切来加强已有的锋面。在某些情况下，亚中尺度过程可以导致锋面的破碎，产生更小的尺度结构。

总的来说，亚中尺度过程是海洋锋面形成和演化的重要机制之一。 它们通过多种方式影响海洋的温度、盐度和流场结构，从而塑造了海洋的复杂性和多样性。

三、亚中尺度湍流模式如何影响海洋的垂直混合过程？

亚中尺度湍流是海洋中一种重要的能量耗散机制，对海洋垂直混合起着至关重要的作用。

亚中尺度湍流能够打破海洋的分层结构，增强海水上下层之间的物质和能量交换。这种垂直混合有助于将深海的营养物质输送到表层，促进海洋生物的生长。亚中尺度湍流可以加深或减浅海洋混合层。例如，在强风作用下，亚中尺度湍流会加剧海水的混合，导致混合层深度增加。海洋混合层是海气交换的主要场所。亚中尺度湍流通过影响混合层深度和温度盐度结构，从而影响海气之间的热量和物质交换。亚中尺度湍流通过影响海水的密度分布，进而影响大尺度洋流的结构和强度。

在海洋数值模型中，湍流闭合方案是描述亚中尺度湍流对垂直混合影响的重要工具。不同的湍流闭合方案对模拟结果有显着影响。亚中尺度过程产生的锋面可以加强垂直剪切，从而增强湍流混合。亚中尺度涡旋的破碎过程会产生强烈的湍流，促进垂直混合。

总结来说，亚中尺度湍流是海洋垂直混合的重要驱动力之一。 理解亚中尺度湍流的特征和作用机制，对于准确模拟海洋过程、预测气候变化具有重要意义。

四、思考

驱动不同海洋区域亚中尺度湍流产生和消散的主要机制是什么？不同海盆、不同强迫条件下，不同尺度之间的能量分配如何变化？亚中尺度过程与其他海洋特征（如潮汐、内波）之间的非线性相互作用起什么作用？

亚中尺度过程如何影响上层海洋营养物质和浮游植物的分布？亚中尺度过程在垂直碳输出和生物泵中起什么作用？亚中尺度过程如何影响海洋生物的分布和行为？

亚中尺度过程如何调节海气之间的热量、水分和动量通量？亚中尺度过程在极端天气事件的发展中起着什么作用？亚中尺度过程如何影响海洋边界层的形成和演变？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

申明：内容来源于海洋资源ocean-resource创作，未经允许，不得转载，海洋资源ocean-resource保留追究法律责任的权利。