朗缪尔环流诱导南海上混合层湍流混合过程及其非线性动力机制

The surface mixed layer (SML) of the South China Sea (SML) is the connection of the atmospheric bottom boundary layer and the deep water of SCS and modulates the air-sea fluxes. In this reach, for typical areas and upper layer stratification of SCS, data analysis and observation combined with large eddy simulation is employed to explore that turbulent mixing process induced by Langmuir circulation (LC) and its nonlinear dynamic mechanism. We systematically investigate the evolution of entrainment velocity, entrainment flux, rise and fall of cool and hot water and vertical eddy viscosity, and quantitatively analyze corresponding turbulent kinetic energy (TKE) budget, momentum fluxes, press fields, velocity fields and velocity shear and their evolution characteristic. This will reveal the similarities and differences of turbulent mixing process and nonline dynamic mechanism. We build the distribution diagram of the time and space evolution of turbulent mixing process and its nonline dynamic mechnism induced by LC in SCS.

南海上混合层作为联系大气底边界层和南海深层水域的中间层,调节着南海海-气通量。本研究采用资料分析、观测与大涡模拟模式相结合，对于南海典型区域与上层层结情况下，研究朗缪尔环流诱导的湍流混合物理过程及其非线性动力机制。系统探究朗缪尔环流诱导的挟卷速度、挟卷通量、冷热水升降物理过程与垂向涡粘系数的演变特征，并量化分析相应的湍动能收支、动量通量、压强、速度场和速度剪切及其变化特征，揭示相应湍流混合物理过程与非线性动力机制的异同性。构建朗缪尔环流诱导南海上混合层湍流混合物理过程与非线性动力机制特征的时空变化分布图。

南海是我国的战略海域，南海上混合层链接着大气底边界层和南海深层，直接控制着南海海气通量，而波-流相互作用诱导的郎缪尔湍流在上混合层的变化过程中起着至关重要的作用。基于湍流大涡模拟模式和观测发现在南海大涡模拟结果与观测数据温和良好。而后主要探究上混合层变化对郎缪尔湍流特征的影响、郎缪尔湍流如何响应风的变化、科氏力变化如何调整郎缪尔湍流的相关基本参量、以及郎缪尔湍流与剪切湍流诱导的标量和通量演化存在的巨大差异性。研究发现上混合层深度对郎缪尔湍流参量影响的临界深度为郎缪尔湍流的影响深度，当上混合层深度小（大）于临界深度，郎缪尔湍流的相关参量变化较快（慢）；随着风的减小，顺风方向的速度增加，而垂直于风方向的速度减小，最终前者大于后者，这与原来的认识存在本质不同；科氏力对郎缪尔湍流的调制作用存在临界值，这正好说明将中低维度研究的相关成果无法应用于高纬度，既在高纬度大尺度环流模式模拟结果与观测存在较大差异；与剪切湍流相比，郎缪尔湍流诱导的标量和通量演化存在着显著的惯性周期，并且后者远大于前者，因此不能够通过修正剪切湍流的参数化方案来参数化郎缪尔湍流。相关研究成果能够为更好的参数化郎缪尔湍流提供了重要的科学参考，并具有重要的科学意义和实用价值。