表面作用力与底部作用力之间的纵向一致性对沿海海洋全柱湍流混合过程的影响

《Ocean Modelling》：The role of longitudinal alignment between surface and bottom forcing on the full-column turbulence mixing in the coastal ocean

浅水沿海环境中，风浪与底层剪切力方向对Langmuir超细胞形成及湍流混合的影响研究。通过大型涡度模拟发现：同向时形成全柱式强能量湍流模式，存在涡管连接事件增强垂直动量交换；反向时湍流结构减弱，中夹层屏障抑制表面-底层相互作用。上涌浪区动量交换贡献显著高于下涌浪区，揭示风浪与底剪切协同作用对超细胞演化的关键调控机制。

　　在沿海水域，湍流混合对海洋边界层的物质传输、稀释和沉积具有关键作用，这直接影响着沿海生态系统的初级生产力、渔业资源、藻类繁殖以及缺氧现象。特别是在近海区域，风、波浪和浮力通量的相互作用会引发强烈的湍流现象，而这些湍流通常会形成一种被称为“朗缪尔湍流”（Langmuir turbulence）的特殊结构。这种结构以其表面的反向旋转涡旋和波浪状的流线（风行带）为特征，能够显著增强垂直混合过程。然而，尽管朗缪尔湍流在沿海水域中被广泛研究，仍存在两个关键问题尚未得到充分解答：其一，不同条件下湍流的能量循环机制；其二，朗缪尔湍流对垂直混合的具体影响。针对这些问题，本文通过大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）方法，对沿海水域中朗缪尔湍流的形成及其动力学特性进行了深入探讨，特别关注了近表面风波浪与近海底剪切流之间的相互作用。

### 朗缪尔湍流的形成与特性

在沿海水域，由于水深较浅，近海底的剪切流会对朗缪尔湍流的形成和演化产生重要影响。当风和波浪的方向与背景流场一致时，朗缪尔湍流可以发展为一种更为强烈的结构，即“朗缪尔超细胞”（Langmuir supercells）。这种超细胞结构具有全水柱范围内的高能涡旋，其能量分布呈现出狭窄频带的特征，与传统的朗缪尔湍流在能量谱上存在显著差异。研究表明，这种全水柱范围内的高能模式仅在风波浪与背景流场方向一致的情况下出现，而在两者方向相反时则会消失。此时，仅存在朗缪尔湍流和剪切湍流，且它们的强度会受到中层屏障的限制，这种屏障会阻碍表面与海底之间的能量和动量交换。

### 风波浪与剪切流的相互作用

为了深入理解朗缪尔超细胞的形成机制，本文通过LES方法模拟了两种典型情况：一种是风波浪与背景流场方向一致，另一种是方向相反。在风波浪与背景流场一致的情况下，表面与海底的湍流结构会形成较强的连接，表现为涡旋管的拉伸和合并现象。这些连接事件主要出现在上升流区域，而非下降流区域。因此，上升流在动量传输方面贡献远大于下降流。这种不对称性是朗缪尔超细胞形成的关键特征之一，它表明了在风波浪与剪切流相互作用的过程中，动量的传输路径和强度存在显著差异。

在风波浪与背景流场方向相反的情况下，表面和海底的湍流结构会受到中层屏障的影响，其能量和动量交换的效率大幅降低。这种屏障的存在可能与水体内部的剪切应力有关，它限制了表面与海底之间的直接相互作用。因此，即使在没有分层的情况下，朗缪尔湍流和剪切湍流的强度也会受到抑制，形成一种相对弱化的混合模式。这一发现为理解沿海水域中湍流的形成机制提供了新的视角，表明风波浪与剪切流的相对方向是影响湍流强度和结构的重要因素。

### 能量循环与垂直混合

本文进一步探讨了朗缪尔湍流在不同条件下的能量循环机制。在风波浪与背景流场方向一致的情况下，朗缪尔超细胞的形成会导致全水柱范围内出现强烈的能量集中现象。这种能量模式不仅增强了湍流的强度，还显著提高了垂直混合的效率。相比之下，在风波浪与背景流场方向相反的情况下，能量的分布更加分散，湍流的强度受到抑制，垂直混合的效率也相应降低。这种差异表明，风波浪与剪切流的相互作用对能量的分布和传输具有重要影响。

此外，研究还发现，朗缪尔超细胞在能量和动量传输方面表现出与传统朗缪尔湍流不同的特性。尽管两者都具有表面反向旋转涡旋的结构，但朗缪尔超细胞的强度和范围更大，其能量主要集中在全水柱范围内，而非仅限于表层。这种特性使得朗缪尔超细胞在垂直混合过程中扮演了更为重要的角色，特别是在增强动量和物质的垂直传输方面。因此，不能简单地将朗缪尔超细胞视为传统朗缪尔湍流在全水柱范围内的扩展版本，而应将其视为一种独立的湍流结构，具有独特的能量循环机制和混合特性。

### 模拟方法与结果分析

为了更准确地模拟沿海水域的湍流行为，本文采用了大涡模拟（LES）方法。LES是一种能够捕捉湍流大尺度结构的数值模拟技术，特别适用于研究复杂流体动力学问题。本文使用的LES模型是Oceananigans，这是一种基于GPU优化的高效计算流体动力学工具，能够处理大规模的数值模拟任务。通过这种模型，研究团队能够在不同的风波浪和剪切流条件下，详细分析湍流的形成、演化和混合特性。

模拟结果表明，当风波浪与背景流场方向一致时，表面与海底的湍流结构会形成强烈的连接，这种连接不仅促进了能量的传输，还增强了垂直混合的效率。相反，当风波浪与背景流场方向相反时，这种连接会受到抑制，导致湍流结构的分散和能量的衰减。因此，风波浪与剪切流的相对方向对湍流的形成和演化具有决定性作用。

### 风波浪与剪切流的相对影响

本文还探讨了风波浪与剪切流在不同条件下对湍流的影响。在风波浪与背景流场一致的情况下，表面和海底的湍流结构能够相互作用，形成强烈的能量交换。这种相互作用不仅增强了湍流的强度，还显著提高了垂直混合的效率。而在风波浪与背景流场方向相反的情况下，这种相互作用受到抑制，导致湍流结构的分散和能量的衰减。因此，风波浪与剪切流的相对方向是影响湍流强度和混合效率的关键因素。

此外，研究还发现，风波浪与剪切流的相互作用不仅仅影响湍流的强度，还会影响其结构的形成和演化。在风波浪与背景流场一致的情况下，表面和海底的湍流结构会形成较强的连接，这种连接不仅促进了能量的传输，还增强了垂直混合的效率。而在风波浪与背景流场方向相反的情况下，这种连接会受到抑制，导致湍流结构的分散和能量的衰减。因此，风波浪与剪切流的相对方向对湍流的形成和演化具有决定性作用。

### 实际应用与研究意义

本文的研究结果对于理解沿海水域的湍流混合机制具有重要意义。首先，它揭示了朗缪尔超细胞的形成条件，即风波浪与背景流场方向的一致性。这为沿海水域的环境管理和生态研究提供了理论支持。其次，研究结果表明，风波浪与剪切流的相对方向对湍流的强度和混合效率具有重要影响。这一发现可以用于优化沿海水域的环境监测和预测模型，提高对海洋生态系统的理解能力。

此外，本文的研究还具有重要的实际应用价值。例如，在海洋工程和海岸带管理中，了解湍流的形成和演化机制可以帮助更好地设计和维护海洋设施，减少环境影响。在渔业资源管理和生态保护中，湍流的混合特性直接影响着营养物质的分布和生物活动的模式，因此，研究这些特性对于制定合理的管理措施具有重要意义。

### 未来研究方向

尽管本文的研究已经取得了一些重要的进展，但仍有一些问题需要进一步探讨。例如，朗缪尔超细胞在不同水深和地形条件下的表现是否存在差异？风波浪与剪切流的相互作用是否会影响其他类型的海洋现象，如沉积物再悬浮和污染物扩散？此外，如何将这些研究成果应用于实际的海洋监测和预测模型中，也是一个值得深入研究的问题。

未来的研究可以进一步扩展本文的模拟范围，考虑更多的环境变量和复杂的水流条件。同时，可以结合实验观测数据，验证模拟结果的准确性，并探索不同条件下的湍流行为。此外，还可以研究朗缪尔超细胞与其他海洋现象之间的相互作用，如潮汐流、洋流和海底地形的影响，以全面理解沿海水域的湍流混合机制。

总之，本文通过大涡模拟方法，对沿海水域的朗缪尔湍流及其形成机制进行了深入研究，揭示了风波浪与剪切流的相对方向对湍流强度和混合效率的重要影响。这些发现不仅有助于理解沿海水域的湍流行为，还为海洋环境管理和生态保护提供了理论支持和实践指导。未来的研究将继续探索这一领域的更多未知，以期为海洋科学的发展做出更大的贡献。