湍流边界层，海洋中的“高速公路”

湍流边界层是海洋中非常重要的一个概念。它不仅影响着海水的流动，还对海洋的能量交换、物质输送起着关键作用。

一项新的研究探索深层、弱分层沿海海域中风和潮汐强迫边界层的相互作用和重叠事件，这项研究是在新西兰的库克海峡进行的，这是一条充满活力的海峡，以强劲的潮汐流和高风速而闻名。

研究人员在新西兰的库克海峡/蒂莫阿纳奥拉卡瓦进行实地研究，该地区的特点是潮流强劲、风速快。利用直接观察技术测量湍流耗散和边界产生的湍流。将观测数据与通用海洋湍流模型（GOTM ）的输出相结合，以模拟和了解沿海海域内部湍流的相互作用和调节。

研究发现，潮汐流和风速独立增强了底部和表面混合层的湍流消散。在四天的时间内，在内部水柱中观察到了十次边界产生的湍流，显著提高了斜压扩散率水平。顶部和底部混合层重叠，这以前仅在浅水中观察到​​​​。由于近边界剪切产生的湍流而增强的垂直输送被发现会侵蚀内部分层。

研究结果表明，潮汐流和风速在增强海洋混合层中的湍流消散方面都发挥着至关重要的作用，这些影响可以独立发生，也可以组合发生。内部水柱中边界产生湍流的存在显著增强了斜压扩散率。顶部和底部混合层的重叠，以前主要在浅水区观察到，也可能发生在较深的沿海海域。近边界剪切产生的湍流是垂直输送的关键因素，导致内部分层的侵蚀。

该研究将观测结果与通用海洋湍流模型(GOTM)的输出相结合，以了解风、潮汐和瞬态分层场如何调节内部的湍流相互作用，从而影响湍流动能汇和源的垂直结构。研究强调了在沿海海洋研究中考虑风和潮汐引起的湍流的重要性，因为它们在塑造这些环境的物理和生物特征方面发挥着重要作用。

该研究为沿海海域湍流的复杂动力学，特别是风和潮汐强迫边界层之间的相互作用提供了新的见解。

参考文献：Arnaud F. Valcarcel, Craig L. Stevens, Joanne M. O’Callaghan, and Sutara H. Suanda，Overlapping turbulent boundary layers in an energetic coastal sea. （PDF）  EGUsphere  ，doi.org/10.5194/egusphere-2024-3311, 2024.

一、什么是海洋中的湍流边界层？湍流边界层在海洋中的作用有哪些？

湍流边界层是海洋中一个非常重要的概念，它指的是靠近海面或海底的一层海水，由于受到风力、海浪、潮汐等作用，水流变得紊乱，形成湍流。这种湍流层就像一个薄膜，覆盖在海洋的表面或底部。

湍流边界层是如何形成的？风吹过海面，摩擦力带动海水运动，形成湍流。海浪破碎时，会产生强烈的湍流，将能量传递给海水。潮汐运动引起的海水流动，也会产生湍流。海水密度差异导致的对流运动也会形成湍流。

湍流边界层在海洋中扮演着重要的角色。湍流促进了海水中的物质交换，例如氧气、盐分、营养物质等，对海洋生物的生存至关重要。湍流将风能转化为海水中的动能，驱动海洋环流。湍流加速了海气之间的热量交换，影响气候变化。 湍流能有效地稀释和扩散海洋中的污染物。

总的来说，湍流边界层是海洋中一个充满活力的区域，它连接着大气和海洋，对海洋的物理、化学和生物过程都产生了深远的影响。

二、潮流和风速在增强湍流消散中起什么作用？​

潮汐流在水流过海床时产生剪切力，从而产生湍流。这些力导致水层以不同的速度移动，从而破坏流动并增加湍流。潮汐流与山脊和山谷等水下地形相互作用，会产生湍流。这些相互作用会扰乱水流的平稳流动，从而增强湍流消散。

风对海洋表面施加应力，产生波浪和洋流。这种应力在海洋上层产生湍流，增强水的混合和能量的耗散。高风速可导致波浪破碎，从而将能量注入水柱。此过程显著增加水面附近的湍流，促进动能的耗散。​

风力驱动的洋流可引起下降流（表面水向下流动）和上升流（深层水向上流动）。这些垂直运动混合了不同的水层，增强了湍流和消散。

当潮流和风速共同作用时，它们的综合效应会导致更大的湍流和耗散。这种综合作用会导致边界层重叠，从而增强垂直混合，并提高整个水柱的能量耗散效率。

三、思考

重叠边界层事件的频率和强度在不同的沿海地区和季节有何变化？我们能否根据气象和海洋条件建立这些事件发生的预测模型？

频繁重叠的边界层对海洋生态系统，特别是生物多样性和生产力有何长期影响？重叠的边界层如何影响底栖生物的分布和丰度？

重叠的边界层如何影响沉积物再悬浮和运输过程，特别是在沉积率高的地区？重叠边界层在海岸侵蚀和增生过程中起什么作用？

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。