从星星到海洋：穿透湍流对气候科学的影响

湍流是流体动力学的一个领域，人们对此已有超过一个世纪的了解和研究。我们大多数人在飞行过程中都对湍流有了广泛的认识，在最好的情况下，湍流会带来不便，而在最坏的情况下，湍流则会带来可怕而危险的体验。

事实上，最近在 2024 年 5 月，新加坡航空公司一架从伦敦飞往新加坡的航班遭遇了严重一名乘客因此丧命，另有多人受伤。

人们可能不太熟悉穿透湍流或穿透对流这一具体现象，这是中国哈尔滨工业大学能源科学与工程学院丁子敬教授及其团队最近撰写的一篇评论文章的主题，该文章发表在《大气科学进展。

穿透性湍流是指一种以不稳定方式加热的流体穿透另一层已稳定分层的流体时发生的现象。这种现象经常在大规模自然和工程环境中观察到，并且在地球和行星科学中尤为重要，正如所强调的那样。

例如，穿透性湍流被认为在恒星的极化跃层（恒星辐射内部和差异旋转外对流区之间的过渡区域）的质量动量传输中发挥重要作用；而且，在地球上，它对冬季水下海洋生物也很重要。它影响浮游植物和其他海洋生物的分布，因此可以作为生态系统健康的指标，并有助于这些水体中的碳循环。

在我们的大气层中，穿透性湍流是关键环流系统运动的核心，因此它成功地融入最终影响到我们预报天气的能力。当然，在当前气候变化的背景下，以及干旱和洪水等极端天气事件的影响下，这一点显得尤为重要。

丁教授解释道：“我们的论文研究了过去关于穿透湍流的理论、数值和实验研究，以及为湍流建模提供见解的现场研究。”

“我们研究引发穿透对流的物理因素，采用最先进的方法来更好地理解其传输机制，并并就我们所获得的知识在各个科学领域的含义和实际应用方面出现的一些观点进行讨论。”

这篇评论的核心主题是推导嵌入在大规模穿透湍流中的缩放定律。例如，这样做的能力增强了我们对海洋热量分布动态的理解，当这些动态海洋因素与风驱动的洋流和，有助于阐明海洋过程和冰川融化对地球气候的影响。

此外，穿透对流的探索不仅限于自然系统，还延伸到工程技术应用，例如热交换器的设计和地热能系统的优化。

“然而，实际应用往往会暴露出我们的理论模型的局限性，”丁教授补充道，“这在大气科学领域可能最为明显。”

极端天气事件发生频率不断上升，原因是，科学家们已经意识到穿透对流是造成这一趋势的一个因素。通过将更精确的穿透对流表示整合到，就有可能对长期气候模式产生更可靠的预测。

“最终，在大气科学领域，我们的目标很明确，”丁教授总结道。“我们需要一个更现实的大气对流模型，以便更好地预测天气和气候。这要求我们成功地将边界条件、地球自转和太阳辐射等影响因素纳入其中，仅举几例。”

我们对穿透湍流的理解的进步是实现这些目标的关键，丁教授和他的同事的及时评论为科学家继续在这一重要领域的研究提供了宝贵的参考点。