指状对流动力学 I：小尺度通量与大尺度不稳定性

双扩散不稳定性常被用来解释稳定分层流体中增强的输运现象。该过程最受研究的自然表现——指状对流，通常发生在海洋温跃层中，并通常将跨密度面混合比分子扩散提高两个数量级。指状对流也常与更大尺度的结构相关，例如温盐入侵、重力波和温盐阶梯。在本文中，我们从小尺度到大尺度对该现象进行了详尽的研究。我们在热和盐扩散率的实际值下进行了该过程的首次三维模拟，并提供了诱导湍流输运的准确估计。我们的结果与指状对流区域中跨密度面混合的海洋现场测量结果一致。然后，我们发展了一个广义的平均场理论，利用我们计算出的湍流通量参数化小尺度输运，来研究指状系统对大尺度扰动的稳定性。该理论将侵入不稳定性、集体不稳定性和伽马不稳定性作为极限情况包含在内。我们发现，增长最快的大尺度模式敏感地依赖于温度和盐度背景梯度之比（密度比）。虽然在高密度比下仅存在侵入模式，但在通常观察到阶梯的低密度比下，集体不稳定性和伽马不稳定性主导系统。最后，我们结合阶梯形成理论讨论了我们的发现。