海洋亚中尺度湍流锋面与密集丝状结构的生命周期对比研究：湍流在锋生和锋止过程中的关键作用

《Journal of Fluid Mechanics》：Comparing the life cycles of a turbulent front and dense filament in the oceanic surface boundary layer

本研究针对亚中尺度锋面与密集丝状结构演化过程中湍流作用的差异问题，通过大涡模拟(LES)对比分析了单侧锋面与双侧丝状结构在海洋表面边界层中的完整生命周期。研究发现两者虽具有相似的锋生-锋止-衰减三阶段演化过程，但在锋面传播特性和湍流通量贡献方面存在显著差异：丝状结构保持静止且水平湍流通量主导锋止过程，而锋面则向高密度侧传播且垂向湍流通量同样关键。该研究为改进海洋模型中亚中尺度过程的参数化方案提供了重要理论依据。

　　

在广阔的海洋表面之下，隐藏着尺度在1公里左右、寿命仅数小时到数天的神秘流动结构——亚中尺度过程。这些介于中尺度涡旋和小尺度湍流之间的海洋“毛细血管”，虽然规模不大，却在动量输送、热量传递和生物地球化学物质输运中扮演着关键角色。特别是亚中尺度锋面和密集丝状结构，它们如同海洋中的“高速公路”，能够显著加速垂向交换过程，进而影响全球气候和生态系统。

然而，这些亚中尺度结构的生命周期充满未解之谜。经典理论预测，在理想无耗散条件下，锋面会无限锐化直至出现数学奇点，但现实中这种现象从未发生。究竟是什么机制阻止了锋面的持续锐化？湍流在这一过程中扮演着怎样的角色？更令人困惑的是，看似相似的单侧锋面和双侧丝状结构（可视为两个紧密相邻的锋面）是否遵循相同的演化规律？这些问题长期以来困扰着物理海洋学家。

y at t=0, averaged in the along-front direction:(a) dense filament;(b) front.'>

针对这一科学难题，由北京大学和美国加州大学洛杉矶分校的研究人员组成的团队在《Journal of Fluid Mechanics》上发表了创新性研究成果。他们采用高分辨率大涡模拟(LES)技术，首次系统比较了海洋表面边界层中单侧锋面与密集丝状结构的完整生命周期，揭示了湍流在锋生和锋止过程中的关键作用差异。

研究的关键方法包括构建基于滤波Navier-Stokes方程的大涡模拟框架，采用1536×384×120的高分辨率网格，在4000×1000×120立方米³的域中模拟锋面和丝状结构的演化。通过沿锋面方向的平均和湍流分解方法，量化分析次级环流和湍流通量的贡献。利用湍流动能(TKE)收支方程识别不同湍流生成机制，并结合梯度理查森数(Ri_g)和Ertel位涡(q)等判据诊断不稳定性类型。

3.1 生命周期概览

研究发现锋面和丝状结构均呈现清晰的锋生、锋止和衰减三阶段演化。最大垂向涡度(ζ_z,max/f)在2-3小时内快速增长至峰值，丝状结构的峰值强度是锋面的两倍。湍流动能(TKE_max/w_*²)的增长滞后于锋生约1小时，表明湍流是锋生的响应而非驱动因素。

z,max/f as a function of time for the filament simulation.(b) Maximum along-front averaged TKE_max/w_*²as a function of time.(c) Along-front averaged surface temperature 〈θ?〉_yas a function of cross-front distance x. The red and blue lines represent the initial time t=0 and peak frontal strength t=t_p, respectively, corresponding to the times indicated by the vertical lines in(a).(d-f) Same as(a)-(c), but for the single-sided front simulation. Note that the vertical axis ranges in(d) and(e) are different from those in(a) and(b).'>

3.2 锋生过程

湍流热风(TTW)机制驱动的次级环流是锋生的主要动力。丝状结构产生一对对称的次级环流细胞，在x=0公里处形成表面辐合，而单侧锋面仅有一个环流细胞。次级环流导致边界层倾斜和重新层化，混合层深度从初始55米显著变浅。

p-0.5hr.(a) Along-front averaged temperature 〈θ?〉_y.(b) Along-front averaged vertical velocity 〈w?〉_y.(c) Along-front averaged cross-front velocity 〈ū〉_y.(d) Along-front averaged along-front velocity 〈v?〉_y. White or black lines show contours of temperature.'>

3.3 锋止机制

研究发现两者锋止机制存在本质差异。丝状结构中，水平湍流通量散度(?〈u′v′〉_y/?x)主导锋止过程，平衡了次级环流的平流效应。而单侧锋面中，水平和垂向湍流通量共同作用，且锋面以1-3厘米/秒的速度向高密度侧传播。

p.(a) Horizontal advection 〈ū(?v?/?x)〉_y.(b) Horizontal turbulent flux divergence ?〈u′v′〉_y/?x.'>

4.1 湍流动能收支

湍流动能分析揭示了更深入的机制差异。丝状结构中水平剪切生产(P_hor)占主导，符合水平剪切不稳定性特征。而锋面中垂向剪切生产(P_vert)贡献相当，表明凯尔文-亥姆霍兹不稳定性同样重要。浮力生产(B)在两者中均为负值，排除斜压不稳定性主导的可能。

p. All terms are normalized by w_*³/h₀. Here (a-f) filament;(g-l) front. Black lines show contours of temperature.'>

4.2 湍流时空演化

能谱分析显示，丝状结构中水平相干涡旋随时间向低波数迁移，能量更加集中。而锋面中水平涡旋发展较弱，垂向剪切的作用更加持久。相干函数γ_u′v′²在锋止阶段出现明显峰值，证实了水平湍流通量的关键作用。

u′u′, shown at three stages t=t_p-0.5 hr, t=t_pand t=t_p+1.5 hr, illustrating spectral evolution over time.(b) Spectra of cross-stream velocity fluctuations, E_v′v′.(c) Spectra of vertical velocity fluctuations, E_w′w′.(d) Coherence functions between streamwise and cross-stream velocity components, γ_u′v′².'>

4.3 不稳定性机制

通过梯度理查森数(Ri_g)和Ertel位涡(q)诊断发现，丝状结构满足Rayleigh-Kuo拐点准则，?²〈v?〉_y/?x²在锋面中心变号，证实水平剪切不稳定性主导。锋面中Ri_g<0.25的区域更广泛，表明垂向剪切不稳定性同时重要。对称不稳定性仅在表面冷却区域短暂出现，作用有限。

p.(a) Vertical temperature gradient ?〈θ?〉_y/?z.(b) Gradient Richardson number Ri_g. Note that regions with Ri_g<0 are whited out.(c) Second-order velocity gradient ?²〈v?〉_y/?x².(d) Ertel′s potential vorticity(PV) 〈q〉_y. All quantities are averaged in the along-front direction.'>

本研究通过系统比较亚中尺度锋面与丝状结构的生命周期，揭示了湍流在海洋边界层锋面动力学中的双重角色：既是锋生的启动者（通过TTW机制），又是锋止的执行者。特别是发现了单侧锋面与丝状结构在锋止机制上的根本差异：前者由垂向和水平湍流通量共同作用，且伴随锋面传播；后者仅由水平湍流通量主导且保持静止。

这一认识对改进海洋模型参数化方案具有重要价值。当前海洋模型普遍低估水平涡粘性的作用，且对锋面区域垂向混合的刻画存在偏差。研究结果明确指示，准确的亚中尺度过程模拟必须同时考虑水平和垂向湍流输运的参数化，特别是针对不同类型的锋面结构需要区别对待。

研究的创新性在于首次在同一框架下定量比较了两种基本锋面结构的湍流特征，揭示了不稳定性机制转换的时空规律。未来研究可进一步探索风应力和表面波浪等强迫的影响，以及锋面过程对污染物输运和生态系统的影响。这些深入认识将有助于提升气候模型中海洋混合过程的模拟精度，为理解全球能量平衡和物质循环提供新视角。