赤道太平洋涡流介导的氧气湍流混合，海洋氧气动力学的关键见解

海洋的含氧量在维持海洋生态系统和调节大气气体方面发挥着关键作用。尤其是赤道太平洋，其环流模式复杂，生物过程多样，已成为研究氧气分布机制的重要焦点。氧气垂直混合到上层海洋的最重要机制之一是涡流介导的湍流混合。一项新的研究调查了中尺度涡流和湍流混合在氧气交换中的作用，以及中尺度涡流对氧气分布的影响。

海洋氧气分布和温跃层

氧气在海洋生态系统中起着至关重要的作用，支持海洋生物的呼吸并影响其他关键营养物质的循环。上层海洋的含氧量主要由两个因素决定：通过光合作用产生的氧气以及将氧气从表层带到深海的混合过程。这一过程在温跃​​层上部尤为重要，温跃层是表层水和深海之间交换营养物质和氧气的关键层。

在赤道太平洋，上部温跃层的特点是氧气浓度梯度急剧上升。该地区的氧气供应受到海洋环流的严重影响，包括大规模环流模式、风驱动的上升流以及小规模的涡流和湍流。中尺度涡流是一种水平环流，通常跨越数十至数百公里，在促进氧气向下混合到这些更深层方面发挥着巨大作用。这些涡流是由各种力量引起的，包括赤道洋流和与热带不稳定波 (TIW) 的相互作用。

温跃层上部氧气分布的季节性循环以北半球夏季和秋季的混合度增加为特征，此时涡动动能和垂直切变增强。这种增强的湍流导致从海洋表面到海洋深层的氧气混合度增加。在这几个月里，热带不稳定波调节了该地区的湍流，增强了氧气的向下输送 。

湍流混合和涡动能

中尺度涡流是造成赤道太平洋氧气湍流混合的主要原因。这些涡流是由各种海洋现象产生的，包括风驱动的表面流和洋流与海洋地形的相互作用。这些过程导致气旋和反气旋涡流的形成，它们输送水并影响上层海洋中营养物质和气体的分布。

促成氧气混合的最重要机制之一是涡流增强了垂直剪切力。这种剪切力是由洋流结构和海洋边界层相互作用产生的，从而增加了跨温跃层的水团湍流混合。在涡流动能较高的时期，氧气的垂直混合变得更加明显，导致温跃层中的氧气通量增加。

这种涡流驱动湍流的季节性强化是由热带不稳定波的变化引起的。这些波通过调节底层海洋湍流，成为增强氧气湍流混合的催化剂。热带不稳定波显著影响氧气的垂直混合及其在赤道太平洋的分布。

热带不稳定波（TIW）的作用

热带不稳定波是调节赤道太平洋湍流的关键因素。这些波通常由海洋表面洋流与大气之间的动态相互作用驱动。它们沿赤道向西传播，对上层海洋的物理特性（包括温度、盐度和氧气浓度）产生重大影响。

TIW 与湍流混合增强的区域有关，尤其是在表面。它们与海洋环流模式的相互作用有助于增强氧气从表面向下混合到温跃层的深层。在一年中的某些时期，特别是在北半球的夏季和秋季，这些波浪的强度会增加，从而进一步增强氧气的垂直输送。

TIW 与氧气向下混合之间的关系凸显了海洋物理系统与生物系统之间复杂的反馈回路。由于 TIW 调节上层的湍流，它们不仅促进氧气的混合，还影响营养物质的分布，进而影响生物生产力以及海洋中碳和其他元素的循环。

新的研究发现

一项新的研究，结合观测数据和建模技术，以了解涡流驱动的氧气混合机制。研究人员结合实时海洋数据和数值模型，对赤道太平洋的海洋动力学和涡流活动进行了详细分析。

该研究的主要发现之一是中尺度涡流（即小规模的旋转洋流）在赤道太平洋氧气向下输送中起着关键作用。受表面风速和涡流垂直切变调节的 O 2垂直混合对赤道上太平洋温跃层的 O 2补充有很大贡献，补充了ECS 和深层经向环流的 O 2平流供应。这些输送过程随风而随季节变化：在北半球夏季和秋季，当垂直切变和涡动动能增强时，O 2混入上温跃层最强。涡动活动与 O 2向下混合之间的关系源于热带不稳定波通过其对垂直切变的影响对赤道湍流的调节。

这些涡流促进了氧气从表层水垂直混合到更深的层，尤其是在涡流动能较高的时期。涡流介导的湍流混合是维持上温跃层氧气水平的主要因素，这对于维持海洋生物至关重要。

另一个重要发现是热带不稳定波 (TIW)与涡流湍流之间的关系。这些波是赤道太平洋的一个显著特征，调节该地区的湍流强度，从而影响氧气混合的效率。研究表明，TIW 显著增强了涡流混合的有效性，特别是在波浪活动较强的时期。

该研究量化了涡流介导的湍流对赤道太平洋总体氧气预算的贡献。研究发现，在表面混合层以上的深度发现的氧气中，很大一部分是由于与涡流相关的湍流混合对氧气的垂直输送。这种混合是补充氧气的关键过程，在生物耗氧和上升流会耗尽氧气水平的地区。

研究强调，涡流驱动的混合强度在全年并不均匀。相反，它具有很强的季节性。在北半球的夏季和秋季，赤道太平洋经历增强的热带不稳定波 (TIW)，这增强了垂直剪切和涡流活动。这种季节性的强化导致氧气更强烈地向下混合到地下水中，这对于为深层海洋供氧至关重要。

该研究还强调了涡流驱动混合对海洋生态系统健康的生态重要性。氧气对海洋生物至关重要，尤其是在温跃层上部，那里营养丰富的水域支持高生物生产力。通过确保向这些区域供应氧气，涡流介导的混合有助于维持海洋生物多样性。这些发现对于了解气候变化和海洋环流变化如何影响赤道太平洋和其他海洋区域的氧气水平具有重要意义。

研究表明，赤道太平洋中涡旋介导的氧气湍流混合是一个复杂而动态的过程，受到各种海洋和大气因素的影响。中尺度涡旋、热带不稳定波和更广泛的海洋环流模式之间的相互作用在确定上层海洋中的氧气分布方面起着至关重要的作用。

思考

涡流活动的时间和空间变化如何影响上层海洋中氧气的垂直输送？风应力和海面温度（SST）的年际变化如何影响赤道太平洋氧气水平的季节性调节？风向变化（特别是在气候变化的背景下）对增强或降低涡流介导氧气混合效率有何作用？涡流如何影响不同深度的氧气分布，特别是在氧气最低区突出的温跃层以下？

参考文献：Yassir A. Eddebbar, Daniel B. Whitt, Ariane Verdy, Matthew R. Mazloff, Aneesh C. Subramanian, Matthew C. Long，Eddy-Mediated Turbulent Mixing of Oxygen in the Equatorial Pacific.  JGR Oceans，doi.org/10.1029/2023JC020588

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