[论文解读] Interacting internal waves explain global patterns of interior ocean mixing

Giovanni Dematteis, Arnaud Le Boyer+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2023

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于第一性原理的物理理论，通过模拟内波中的非线性波-波相互作用，对海洋内部混合进行建模，成功预测了无需经验调参的全球混合模式。该理论通过从波能级串级推导混合速率，填补了Finescale Parameterization长期存在的概念空白，并与全球Argo观测结果高度一致。

ABSTRACT

Across the stable density stratification of the abyssal ocean, deep dense water is slowly propelled upward by sustained, though irregular, turbulent mixing. The resulting mean upwelling determines large-scale oceanic circulation properties like heat and carbon transport. In the ocean interior, this turbulent mixing is caused mainly by breaking internal waves: generated predominantly by winds and tides, these waves interact nonlinearly, transferring energy downscale, and finally become unstable, break and mix the water column. This paradigm, long parameterized heuristically, still lacks full theoretical explanation. Here, we close this gap using wave-wave interaction theory with input from both localized and global observations. We find near-ubiquitous agreement between first-principle predictions and observed mixing patterns in the global ocean interior. Our findings lay the foundations for a wave-driven mixing parameterization for ocean general circulation models that is entirely physics-based, which is key to reliably represent future climate states that could differ substantially from today's.

研究动机与目标

• 通过从第一性原理的波动力学而非经验常数推导混合速率，填补Finescale Parameterization中的概念空白。
• 开发一种适用于任意内波谱形的基于过程的混合参数化方法，而不仅限于Garrett-Munk谱。
• 通过将混合估计建立在非线性波-波相互作用理论基础上，消除对现象学修正的依赖。
• 将理论预测与全球观测数据集进行验证，特别是针对Argo浮标测量的精细尺度垂直波数斜率。
• 为下一代海洋环流模型提供基础，使其能够在气候变化条件下可靠模拟气候状态。

提出的方法

• 应用波-波相互作用理论，对内波场中的能量级串进行建模，从波剪切和浮力方差推导湍流能量耗散率ε。
• 结合高分辨率局部实验与全球Argo数据集，估算垂直波数谱斜率（sM），并验证其与精细尺度浮力变异性的一致性。
• 实施质量控制协议，排除受非波过程（包括双扩散对流DDC）主导的剖面，采用Turner角分析进行筛选。
• 通过应用基于NATRE剖面仪数据导出的校正因子，校正准永久性细结构可能带来的偏差，使估算的sM降低0.20。
• 利用观测到的波活动和科里奥利参数对理论模型进行校准，以预测全球海洋内部的ε。
• 与参考数据集（如Pollmann等，2023年）进行验证，并对波数斜率假设中的一致性偏差进行调整。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于第一性原理的波-波相互作用理论是否能在无需经验调参的情况下准确预测全球海洋内部混合的分布模式？
• RQ2 非线性波相互作用在能量向小尺度传递中占据多大程度的作用？这一作用在不同海洋区域是否可量化？
• RQ3 在谱形不限于Garrett-Munk谱的前提下，引入任意谱形对混合速率预测有何影响？
• RQ4 非波过程（如双扩散对流或准永久性细结构）对垂直波数斜率估算及混合估计有何影响？
• RQ5 基于物理的参数化方法是否能够取代海洋环流模型中经验性的Finescale Parameterization，并在气候变化条件下表现出更强的鲁棒性？

主要发现

• 基于波-波相互作用的理论在全球海洋内部预测与观测到的混合模式之间表现出近乎普遍的一致性。
• 预测的湍流能量耗散率ε与基于全球Argo观测结果一致，特别是在对垂直波数斜率估计偏差进行校正后。
• 对垂直波数谱斜率（sM）的0.20校正使预测的ε降低3–4倍，显著提升了与参考数据集的一致性。
• 该模型在无需依赖经验常数或现象学修正的前提下，成功解释了多样海洋区域的混合过程。
• 结果表明，仅靠非线性波相互作用即可解释导致混合的级串能量传递，从而验证了Finescale Parameterization的理论基础。
• 本研究为新一代完全基于物理的混合参数化方法奠定了基础，适用于气候相关海洋一般环流模型。