剪切不稳定作为海洋垂向湍流混合的重要驱动机制，能够显著促进动量、热量和物质的交换，影响海洋内部温度、盐度和层结的分布，进而对海洋中的大尺度环流结构和气候效应产生深远影响。在海洋环流模式的构建中，空间尺度小于网格大小的湍流等次网格物理过程不能被模拟，需要利用参数化的方法引入其物理效应。为准确表征这一次网格过程，前人提出了多种参数化方案，例如K-profile parameterization（KPP）方案等理查森数Ri依赖的参数化方案。这些参数化方案都旨在通过简化的数学模型，结合观测数据和实验结果，对湍流扩散率等变量进行近似计算，使得模式能够准确地反映剪切不稳定对海洋流体动力学的影响。然而，观测和数值模拟结果表明湍流扩散率不仅取决于Ri，还受其他背景参量影响；另一方面，在当前的海洋模式中，海温的模拟存在显著的误差，包括赤道太平洋“冷舌”模拟过冷与温跃层强度模拟偏弱等，这些误差的产生与海洋垂向湍流混合参数化方案的不确定性密切相关。这都表明广泛使用的KPP等参数化方案需要改进，以提高海洋模式的模拟精度。因此，本论文基于大涡模拟（LES）数据和海洋模式数值实验，构建了一个新的能量约束剖面参数化方案，并评估其效果。

  本论文首先针对海洋内部初始不稳定层内理查森数Ri ∈ (0, 0.25) 范围内的剪切驱动湍流混合过程，提出了一种新的能量约束剖面参数化方案（energy-constrained profile parameterization，EPP）。27个LES实验提供了由不同初始剪切和层结条件下开尔文–亥姆霍兹不稳定触发的湍流混合数据。基于能量约束的理论框架，本研究假设湍动能耗散率ε及湍流扩散率κ与有效动能K_a及湍流逆时间尺度τ_LES^–1成正比。其中有效动能K_a 量化了湍流混合的潜在能量储备，用于度量平均流释放的动能；而湍流时间尺度τ_LES表征湍流从发展到衰退的全过程时间尺度。这两个参数均可通过初始不稳定层的厚度h₀、初始浮力频率N₀、初始垂直剪切S₀以及初始理查森数Ri₀确定。此外，方案引入了三个与初始理查森数相关的系数λ_1P、λ_2P和λ_3P，分别表征通过剪切生成项转化的能量与有效动能的比值、通过湍流耗散项转化与通过剪切生成项转化的能量的比值和通过浮力生成项转化与通过剪切生成项转化的能量的比值。对湍动能耗散率和扩散率参数化方案进行变形，可以发现，它们不仅是理查森数的函数，还受初始不稳定层厚度和剪切强度的直接作用。值得注意的是，剪切驱动的湍流混合具有显著的垂直穿透特性，湍流穿透厚度可达初始不稳定层厚度的 2–4 倍。基于此，研究提出了一种湍流穿透厚度参数化方法，并建立了湍流穿透厚度范围内的归一化扩散率剖面κ_*。相比于传统参数化方案仅针对单个格点进行逐层湍流混合参数化，本方案不仅对初始不稳定层所在的格点进行湍流混合参数化，还对垂直湍流穿透层内所有模式网格点实施参数化，通过构建扩散系数的垂直剖面来实现这一过程。这表征了湍流混合的非局地效应，能够显著改善邻近层湍流混合的模拟能力。

  接下来，本文通过大涡模拟与赤道观测数据的检验，系统评估了EPP方案对边界层之下湍流混合过程的表征能力。结果表明，EPP方案在湍动能耗散率和湍流扩散率的量化中展现出显著的物理合理性与统计可靠性。EPP对LES中湍动能耗散率的参数化精度较好，解释方差在80%以上，96%的样本偏差仅在2倍误差范围内；使用观测数据与之对比进一步验证了方案的鲁棒性，88%的ε_EPP样本与实测值的偏差在10倍范围以内，且对湍流较强事件的估计偏差缩小至5倍范围以内。对于湍流扩散率，EPP对LES数据的方差解释量达88%，88%和70%的κ_EPP与观测值的偏差在10倍和5倍范围内，显著优于KPP等传统方案。

  本文进一步将 EPP 方案嵌入海洋环流模式，并与 KPP 方案进行对比实验，分析两者扩散率的差异及其对温盐模拟的影响。KPP与EPP参数化方案的扩散率对比表明，两者水平分布格局整体相似，但在动力活跃海域存在差异。EPP方案在不同动力环境下表现出显著调节作用，如中国近海陆架区扩散率较KPP提高2倍，而爪哇岛以南则降低50%，反映出能量约束机制对湍流的动态调制。垂向结构上，两类方案在边界层下方（50–80 m）均维持较高扩散率（1 × 10^–4–1 × 10^–2 m² s^–1），次表层（>100 米）因层结稳定显著减弱。三个断面的扩散率表现出EPP在西太平洋次表层扩散率增强50%，而东段则降低30%，129°E附近海山地形处次表层扩散率提升一个量级。EPP 方案改善了部分海域温度和盐度的模拟精度，尤其在盐度场优化更为显著。在赤道和西北太平洋区域，EPP 方案能够更准确地表征次表层高盐水的侵入过程，提高了盐度模拟的可信度。总体而言，EPP 方案通过能量约束框架提升了剪切驱动湍流混合的表征能力，在海洋模式应用中展现出广阔的潜力。

  综上所述，本文基于能量约束理论框架，提出了一个针对剪切不稳定致湍流混合的参数化方案，并利用观测数据和海洋模式对其进行了系统评估，取得了较好的效果。该方案可以方便地应用于垂向高分辨率海洋模式中，以减小模拟偏差。因此，本研究对于理解剪切不稳定致湍流混合的能量转化和增强模式模拟能力具有重要的科学意义和应用价值。

第1章 绪论... 1

1.1 研究背景与意义... 1

1.2 研究现状... 2

1.2.1 海洋中剪切不稳定致湍流混合的研究进展... 2

1.2.2 剪切不稳定致湍流混合参数化方案简介... 10

1.3 科学问题和主要研究内容... 15

第2章 剪切不稳定致湍流混合的能量约束剖面参数化方案... 17

2.1 大涡模拟模式... 17

2.1.1 模式介绍... 18

2.1.2 初始场设置... 20

2.2 参数化方案的重要变量和理论框架... 23

2.2.1 初始条件中的基本变量... 23

2.2.2 LES中的湍流层和湍流阶段... 23

2.2.3 LES中的湍流变量... 25

2.2.4 能量约束的理论框架... 27

2.3 研究结果... 29

2.3.1 湍流特性的时间演变... 29

2.3.2 湍流变量与初始变量的统计关系... 32

2.3.3 湍动能耗散率的参数化方案... 36

2.3.4 湍流扩散率的参数化方案... 38

2.3.5 参数化方案中各变量的作用... 40

2.4 本章小结和讨论... 41

第3章 能量约束剖面参数化方案的检验... 43

3.1 数据... 43

3.2 参数化方案应用于观测数据的方法... 44

3.3 LES数据对参数化方案的检验... 46

3.4 观测数据对参数化方案的检验... 47

3.5 参数化方案与传统参数化方案的对比... 49

3.6 本章小结与讨论... 49

第4章 EPP与KPP方案模拟结果对比... 51

4.1 引言... 51

4.2 模式介绍... 53

4.3 实验设计... 55

4.4 观测数据... 56

4.5 EPP与KPP实验模拟结果... 59

4.5.1 湍流扩散率模拟结果对比... 59

4.5.2 温度模拟结果对比... 64

4.5.3 盐度模拟结果对比... 69

4.6 本章小结与讨论... 74

第5章 总结与展望... 77

5.1 本文主要结论... 77

5.2 本文的创新性... 78

5.3 未来工作展望... 79

参考文献... 81

致  谢... 93

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果    95