水深如何影响海洋涡流，了解涡旋的形成及其对海洋环流的影响

近年来，由于涡流在各种地球物理流体动力学过程中具有重要意义，因此对其水深特征上方涡旋的研究引起了广泛关注。这些涡流通常由表面流和水下地形相互作用产生，在海洋环流、局部湍流、沉积物输送甚至营养物混合的动力学中起着关键作用。了解它们的形成、行为和长期演变对于推进海洋学模型和改进与沿海动力学、气候模型和海洋生态系统相关的预测至关重要。

一项新的研究探讨水深涡流的研究背景、用于描述这些现象的理论框架、这些涡旋的观测特征以及对海洋和大气科学的潜在影响。

水深及其在流体动力学中的作用

海脊、海槽、海山和海坡等水深特征的形状、深度和结构对海洋中的流体运动有着深远的影响。这些特征会扰乱水的水平流动，从而产生影响涡流形成的多种动态效应。

水深特征会成为导致水流变化的障碍物，从而导致局部扰动或涡流。这些扰动是由于海底几何形状变化引起的压力差异而产生的。当水流过水深特征（如海山或水下山脊）时，它会被迫在地形周围或上方移动，从而形成涡流或涡流结构。

这些涡旋可分为两大类：

• 表面涡旋：这些涡旋发生在海洋表面附近，其行为受表面风模式和科里奥利效应的影响。表面流与水深测量的相互作用可导致气旋（逆时针）或反气旋（顺时针）涡旋的形成。
• 深水涡旋：深水涡旋是由海底洋流与水深特征相互作用而形成的。这些涡旋往往更大、更持久，在营养物质混合和深海环流中发挥着作用。

水深测量上的涡流形成是一个复杂现象，取决于流速和流向、水密度分层、水深几何特征等因素。

• 流速和流向：更强的流更容易引起涡流的形成，尤其是与峡谷或山脊等尖锐的水深特征相互作用时。
• 水密度分层：不同水层的存在（通常以温跃层或跃层的形式存在）会影响涡旋动力学。这些水层可以捕获能量，从而形成更稳定或更持久的涡旋。
• 水深几何特征：水深特征的形状和规模显著影响涡旋行为。例如，海山的存在可能导致静止涡旋的形成，而倾斜或不规则的水深则可能产生流动涡旋模式。

涡旋类型及其演变

水深特征上形成的涡流形状和大小各异，取决于水流​​的性质和底层地形的特征。这些涡流会经历几个阶段，从而影响其长期动态。

与深层涡旋相比，表面涡旋的规模通常较小，其形成往往由风生流与下方地形的相互作用所驱动。

这些涡流通过一系列合并和相互作用而形成。它们通常是在水平流遇到山脊和峡谷等水下特征时，对其中的轻微扰动作出反应而形成的。随着时间的推移，较小的涡流可以合并形成较大的结构，从而导致系统中更显著的能量积累。这些涡流的动态受到水深特征形状的显著影响，根据水流的特性，水深特征形状可以增强或破坏涡流的形成。

深水涡旋通常比表面涡旋更大、更强大。当潮汐或底部洋流与海底相互作用时，它们就会形成。有研究研究强调了复杂的水深测量对潮汐喷射涡旋产生的影响，尤其是在深海槽或水下山脊等水下特征复杂的地区。这些涡旋的持久性和大小使它们对深海环流和营养循环尤为重要。

深水涡旋的一个关键特征是它们能够持续很长时间。随着它们的演变，这些涡旋往往会与周围的水团相互作用，在移动时要么伸展，要么收缩。这种相互作用通常是不对称的，气旋涡流优先沿着水深特征的深度轮廓伸展。相比之下，反气旋涡流往往保持更紧凑，甚至可能合并形成更主要的涡旋结构。

涡旋对海洋环流和生态系统动力学的影响

水深上方涡旋的形成对海洋环流和海洋生态系统有着深远的影响。这些涡旋会影响热量、营养物质和污染物的分布，从而影响海洋中的生物和化学过程。

涡流，尤其是深水涡流，可以在某些区域产生上升流。这一过程涉及营养丰富的水从海洋深层向上移动到表面。涡流与海山等水深特征的相互作用会导致水位上升，将必需的营养物质带到表面并支持沿海生态系统的初级生产。通过这种方式，涡流在调节海洋食物网、提高生物生产力和促进生物多样性方面发挥着至关重要的作用。

涡旋在海洋环流中的作用对于改进气候模型至关重要。了解海洋水深如何影响涡旋的形成和动态对于准确预测洋流及其对全球气候系统的影响至关重要。由于海洋流动受到海洋水深特征的影响，相关的涡旋可以调节海洋中的热量分布，从而影响厄尔尼诺和拉尼娜等大规模气候模式。

涡旋动力学建模方面的最新进展使得我们能够更准确地预测受海平面上升和构造活动等因素驱动的水深变化将如何影响未来的海洋环流模式。

新的研究发现

一项新的研究通过结合数值模拟、实验室实验和实时观测数据，研究人员对涡旋的形成、演变和与复杂海底结构相互作用的方式有了更全面的了解。

涡流，尤其是表面涡流，形成于海底山脉、海山和山脊等地形特征之上。这些涡流往往在海洋的不同层内独立发展，并以复杂的方式与水深特征相互作用。研究发现，涡旋合并在深海洼地上是不对称的，气旋涡流在深处优先被拉出。这导致动态不稳定性，涡旋不仅受海底影响，而且还与水柱分层相互作用。

涡旋在水深上的合并往往以不对称的方式发生。气旋涡流（在北半球逆时针旋转的涡流）在与水深特征（例如海槽或海脊）相互作用时优先被拉出，这种相互作用导致涡旋结构不稳定和破坏。这些发现对于理解更大规模的海洋动力学以及水深测量对海洋气旋和反气旋发展的影响至关重要。这也会影响海洋混合和营养物分布，这对海洋生态系统至关重要。

水深特征不仅影响局部洋流，还影响大规模海洋环流。复杂的水深特征可导致潮汐流的转向，从而将水平流转化为垂直运动，影响海洋中热量、营养物质和生物物质的分布。这一发现强调了海床地形的变化（例如山脊和海槽）如何直接影响海洋环流模式，进而影响全球气候和生态过程。潮汐和水深测量之间的相互作用形成了一个反馈回路，需要将其纳入气候模型以提高预测准确性。

对复杂水深条件下潮汐喷射涡旋的研究发现，涡旋可以在潮汐区域形成独特的模式，特别是在水深变化的沿海地区。这些涡旋会随着潮汐强度和海底地形的变化而演变，导致理想地形环境和现实地形环境中的涡旋动力学存在显著差异。研究表明，要了解潮汐区域的涡流行为，需要模型既要考虑理想条件（如均匀的水深测量），又要考虑现实世界的复杂性，包括陆架断裂和水下山脊等沿海特征。

涡旋与海洋分层之间的相互作用导致更复杂的涡旋行为。海洋上层的涡旋可能与海洋深处的涡旋行为不同，表面涡旋可能会破坏更深层次的大规模环流模式。分层在涡旋在水深特征上的合并和演变方式中起着至关重要的作用。这一发现对海洋混合和热传递具有深远意义，特别是在水柱分层明显的地区。海洋层的分层性质需要纳入数值模型，以便更准确地预测海洋状况。

思考

这些涡流如何在比当前研究中检查的更长的时间尺度上演化？这些涡流对海洋生态系统有何影响，特别是在营养物运输和生物生产力方面？海洋变暖和酸化等变化的气候条件将如何影响这些涡旋的形成和行为？

参考文献：J.H. LaCasce,A. Palóczy and M. Trodahl，Vortices over bathymetry.doi.org/10.1017/jfm.2023.1084

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