波浪诱导混合对气候模型中上层混合层模拟的影响及其在南海的应用

研究人员针对气候模型中上层海洋混合层模拟偏差问题，通过耦合WAVEWATCHIII波浪模型与LICOM海洋环流模型，引入非破碎波混合系数Bv ，揭示了波浪混合通过增强垂直混合使混合层深度(MLD)增加5-15m、海表温度(SST)降低0.5-1°C的机制。该研究显著提升了LICOM对南海MLD和SST的模拟精度（绝对误差降低20%），为改进气候预测模型提供了新思路。

　　

在气候系统中，上层海洋混合层如同大气与深海之间的"翻译官"，其温度、盐度的细微变化会通过海气相互作用影响全球气候。然而现有气候模型存在一个顽固的"翻译错误"——模拟的混合层深度(MLD)总比实际观测浅，尤其在夏季南海可偏差达20m。这种偏差如同给气候预测戴上了"模糊眼镜"，使得模型难以准确捕捉海洋热量吸收和碳循环等关键过程。究其根源，传统海洋环流模型忽略了波浪这个"隐形搅拌器"的作用——风生波浪产生的湍流混合能穿透水下数十米，但这一物理过程长期被排除在气候模型之外。

中国科学院大气物理研究所的研究团队在《Ocean Modelling》发表的研究，首次将波浪混合效应引入LICOM3.0气候模型。通过耦合WAVEWATCHIII波浪模型，采用Qiao等提出的非破碎波混合系数B_v
参数化方案，构建了"波浪-环流"耦合模型系统。研究选取南海这一具有典型季风特征的半封闭海区，对比分析2003年（气候常态年）和1998年（厄尔尼诺转换年）的模拟数据，发现波浪混合如同给海洋安装了"深层搅拌棒"，显著改善了上层海洋的模拟性能。

关键技术包括：1）使用CCMP交叉校准风场驱动WW3波浪模型，获取波高、周期等参数；2）基于波浪轨道速度理论计算B_v
=αA³
kωexp(3kz)；3）将B_v
直接叠加到LICOM的GLS湍流闭合方案中；4）采用Argo浮标和EN4再分析数据验证模型改进效果。

研究结果显示：

1. 波浪诱导混合对混合层深度的影响
   夏季南海MLD普遍增加5m，在15-25°N区域最大增幅达10m；冬季5-15°N海域MLD加深10-15m。验证表明，引入波浪混合后夏季MLD模拟偏差从9.1m降至7.4m，相对误差减少6.5个百分点。这种改善源于波浪混合使表层50m内的垂直混合速率提升30-50cm²
   /s，如同在海洋表层增加了"涡轮增压器"。

2. 温度结构的重构效应
   波浪混合导致"表层冷却-次表层增温"的独特现象：夏季表层降温0.3-0.8°C，而20-100m层增温0.2-0.5°C；冬季次表层增温更显著。这种温度"上下翻转"效应使SST模拟绝对误差降低0.11°C，与IAP数据的相关系数提升至0.94。

3. 物理机制解析
   波浪通过两种途径改变混合过程：直接增加B_v
   项（贡献约60%混合增强）和间接影响湍动能(TKE)收支。在南海北部，波浪混合使净表面热通量增加15W/m²
   ，促进热量向次表层输送，这解释了为何冬季表层温度不变而次表层显著增温。

4. 气候背景普适性验证
   在1998年强厄尔尼诺年，波浪混合同样使MLD加深7-12m，SST误差降低8%，证实该机制在不同气候状态下均有效。EN4数据验证显示，考虑波浪混合后上层300m温度廓线的均方根误差减少22%。

这项研究首次在LICOM模型中实现了波浪混合效应的参数化耦合，破解了气候模型长期存在的"浅混合层"难题。其科学价值如同发现了海洋混合过程的"遗失环节"——波浪产生的湍流混合可穿透传统风驱混合无法到达的深度。实际应用中，改进后的模型对南海夏季MLD模拟精度提升26.8%，为台风预测、海洋热浪预警等提供了更可靠的数值工具。未来通过全球尺度推广和不同波致混合机制的对比研究，有望使气候模型的"模糊眼镜"升级为"高清镜头"，为应对气候变化提供更精准的海洋学支撑。