在分层流的垂直周期模拟中量化混合与可用势能

湍流混合对海洋中的许多物理过程有显著影响。在稳定分层 Boussinesq 流体中，这种不可逆混合描述了可用势能（APE）向背景势能（BPE）的转化。在某些情形下 APE 框架难以应用，因而使用近似度量来估计不可逆混合。例如，分层湍流的数值模拟常使用三重周期域以提高计算效率。然而在此设置中 BPE 并非唯一确定，且 Winters 等人（1995, J. Fluid Mech., 289）的方法无法直接用于计算 APE。我们提出一种在具有平均分层周期域中计算 APE 的新技术。通过定义由等浮力面围成的控制体，我们可以构造合适的背景浮力剖面 $b_\ast(z,t)$ 并准确量化此类系统中的斜压混合。该技术也允许在周期域中准确计算有限振幅局部 APE 密度。我们在多种湍流分层流模拟中分析了 APE 的演化。我们表明，即使是在局部分层有显著变化的流中，浮力方差平均耗散率 $\chi$ 也为平均斜压混合率提供了良好近似。在量化瞬态流中混合效率的度量时，我们发现根据动能耗散率中是否包含平均流的层流扩散，结果存在显著差异。我们讨论了在量化真实海洋流中斜压扩散率的背景下如何最好地解释这些结果。