综述：波罗的海的次中尺度动力学——综述

《Progress in Oceanography》：Submesoscale dynamics in the Baltic Sea – a review

　　乌尔马斯·利普斯（Urmas Lips）| 凯·萨尔姆（Kai Salm）| 格尔莫·瓦利（Germo V?li）| 塔维·利布利克（Taavi Liblik）| 拉尔斯·阿恩伯格（Lars Arneborg）| 路易丝·C·比德尔（Louise C. Biddle）| 安娜·I·布尔查克（Anna I. Bulczak）| 埃夫里迪基·克里萨吉（Evridiki Chrysagi）| 马尔戈扎塔·法拉兹（Ma?gorzata Falarz）| 彼得·霍尔特曼（Peter Holtermann）| 雅罗米尔·雅卡茨基（Jaromir Jakacki）| H.E. 马库斯·迈尔（H.E. Markus Meier）| 马丁·莫尔曼（Martin Mohrmann）| 凯·米尔伯格（Kai Myrberg）| 佩尔·彭伯顿（Per Pemberton）| 拉尔斯·乌姆劳夫（Lars Umlauf）
塔林理工大学海洋系统系，Akadeemia Rd. 15a，12618 塔林，爱沙尼亚

**摘要**
本研究的主要目的是全面回顾波罗的海亚中尺度（SMS）动力学的现有知识，及其对其他类似沿海和边缘海域的潜在影响。文中介绍了波罗的海相关的空间和时间尺度，以及对SMS不稳定性的理想化定量描述。同时描述了研究SMS过程的方法，并讨论了所需研究基础设施和相关数据的可用性。文章回顾了关于SMS过程及其在波罗的海沿岸-离岸交换、垂直和水平混合以及分层形成中的作用，并将其与其他地区的研究进行了比较。分析表明，SMS过程可能显著影响波罗的海的大尺度动力学，挑战了忽略SMS范围内不稳定性和反馈循环的传统能量传输理解。研究还指出，SMS过程通过提供物质垂直通量和重新分配浮游生物生物量，在波罗海的生物地球化学功能中发挥作用。我们强调，使用高分辨率现场数据进行广泛模型验证仍是一项紧迫任务，并且需要在大型模型中的子网格参数化中更准确地描述SMS过程。

**1. 引言**
海洋中的亚中尺度（SMS）过程位于地转平衡的中尺度过程和小尺度湍流之间的空间尺度上，其时间尺度从几小时到几天不等（Taylor和Thompson，2023）。SMS过程的动力学特征可以用O(1)罗斯贝数（Ro）和平衡理查森数（Rib）来表征（Thomas等人，2008）。前者表明SMS过程仍受地球自转的影响，但尚未被完全约束，这意味着它们与大的垂直涡度有关，从而可以增强表层与海洋内部之间的通量（Callies等人，2015）。后者表明，在存在水平浮力梯度的情况下，SMS流动可以形成并重新分层水柱（Yu等人，2019）。因此，SMS过程在表层和底层边界层中尤为显著，这些地方水平浮力梯度较大而垂直分层较弱，对海洋动力学（Dong等人，2024）和生物地球化学过程（Lévy等人，2012；Gray等人，2024）有重要贡献。SMS过程为能量从中尺度传递到更小尺度提供了途径，最终导致微尺度耗散和密度层混合（McWilliams，2016；Naveira Garabato等人，2022）。有人认为SMS过程在全球热量预算中起作用（Su等人，2018），并且它们在粗尺度海洋（气候）模型中的不准确参数化可能导致长期预测偏差（Taylor和Thompson，2023）。

基于对不稳定性的理想化分析，提出了多种在亚中尺度产生变异性的机制（Gula等人，2022；Taylor和Thompson，2023）。SMS斜压不稳定性（BI）遵循与大规模流动的中尺度不稳定性相似的逻辑（Eady，1949）。由于表层混合层（SML）中的垂直分层较弱，由BI引起的涡旋在SML中的空间尺度比在海洋密度跃层中的要小。这种不稳定性会导致分层重新形成（Boccaletti等人，2007；Fox-Kemper等人，2008；Chrysagi等人，2021），显著影响混合层的深度。另一种不稳定性——对称不稳定性（SI）——在稳定分层流动中发生，当位涡量由于斜压效应而与科里奥利参数符号相反时出现（Taylor和Ferrari，2009；Arobone和Sarkar，2015）。例如，SI可以由表面冷却或前沿风（沿锋面射流方向）触发（Thomas等人，2013）。SI和SMS前沿的非地转次级环流（McWilliams，2021）可以引起显著的垂直通量和表层水的下沉（Pham等人，2024）。

波罗的海系统的主要物理驱动力包括大气强迫（通过海面进行的热量和淡水交换）以及通过丹麦海峡输入的淡水（Omstedt等人，2004）。作为对外部强迫的响应，系统在多个时间和空间尺度上的内部动力学塑造了水柱的观测分层结构、示踪剂（如盐度）的典型横向梯度以及波罗的海的整体环流（Elken和Matth?us，2008；Lepp?ranta和Myrberg，2009）。虽然中尺度过程（涡旋、锋面、上升流/下降流）在波罗的海动力学中的作用已被广泛认可（Aitsam等人，1984；Kononen等人，1996；Vortmeyer-Kley等人，2016；Vortmeyer-Kley等人，2019），但SMS过程的贡献仍不甚清楚。Reissmann等人（2009）对波罗的海混合过程的概述并未明确提及SMS过程。然而，最近关于物理海洋学（Omstedt等人，2014）、盐度动力学（Lehmann等人，2022）和水交换（Elken和Omstedt，2025）的综述强调了更好地理解小尺度（包括SMS）过程及其对整体翻转环流影响的必要性（D??s等人，2004；Placke等人，2021）。近年来，由于现场观测、遥感和数值模拟技术的进步，人们对波罗海的亚中尺度及SMS过程的关注日益增加（例如，Lips等人，2011；Lips等人，2016a；Liblik和Lips，2012；Gurova和Chubarenko，2012；Liblik等人，2017；V?li等人，2017；V?li等人，2024；V?li等人，2024；Carpenter等人，2020；Chrysagi等人，2021；Chrysagi等人，2022；Salm等人，2023；Salm等人，2023；Hariri等人，2024；Hariri等人，2024；Lilover等人，2025）。图1展示了波罗的海中由SMS过程引起的蓝藻爆发的小尺度不均匀性（ESA Copernicus，Sentinel-2，2022年8月8日；Lilover等人，2025）。我们建议Reissmann等人（2009）对波罗的海混合过程的综述可以通过考虑中尺度与微尺度之间的过程及其与其他尺度过程和变异性的联系来补充。

**图1. 卫星图像显示了2022年8月8日芬兰湾入口处波罗的海蓝藻爆发中的小尺度不均匀性（欧盟Copernicus Sentinel-2图像，由@DEFIS_Eu处理）。图像大小约为90×50公里，其位置如图2b所示。）**

**图2. (a) 波罗的海海底地形及子流域名称和参考站点。(b) 波罗的海表面盐度分布（来自V?li等人（2024）2017年4月4日的高分辨率模拟，网格步长250米）。黑色矩形标出了图1中照片的位置。参考的研究地点和剖面线如下：实线黑色——塔林-赫尔辛基；黑白线——赫尔辛基-特拉维门德；虚线——r/v Salme渡轮箱；红色圆圈和方块——芬兰湾内的剖面仪；蓝色线条——滑翔机剖面；蓝色矩形——哥特兰深海（HZG-IOW）和奥兰海（SU-SMHI-IOW）的研究站点。**

另一方面，由于波罗的海的条件有利于SMS过程的发展和作用，因此将其纳入研究对于理解波罗的海的动力学至关重要。SMS过程本质上是三维的，既促进水平运输也促进垂直运输和混合。它们与其他多种尺度的过程共同作用，改变垂直分层（Carpenter等人，2020；Chrysagi等人，2021），驱动沿岸和离岸区域之间的交换（V?li等人，2024）以及表层和次表层之间的交换（Salm等人，2025），并影响更大尺度的动力学（V?li等人，2025）。SMS过程的间歇性发生表明了沿岸-离岸交换最强烈的条件（V?li等人，2024）以及河口混合热点出现的位置（Henell等人，2023）。由于SMS过程显著影响季节性分层和混合的发展，它们反过来又影响生产力（Cahill等人，2024；Vortmeyer-Kley等人，2025）和浮游生物的分布（Lips等人，2011；Lips和Lips，2017），以及碳通量（例如，Omand等人，2015）。尽管SMS现象在SML中尤为显著，但它们也可能在海洋内部出现，主要起源于倾斜地形与流动的相互作用（例如，Molemaker等人，2015；Gula等人，2015；Naveira Garabato等人，2019）。这些内部结构对于湍流边界混合和能量向耗散尺度的传递至关重要。在波罗的海，密集水体的近底传播及其相关的卷吸和混合（Umlauf和Arneborg，2009a；Umlauf和Arneborg，2009b）是重要的过程。粗糙地形上的流动可以产生小尺度特征和湍流，如波罗的海（Muchowski等人，2023a；Muchowski等人，2023b）和其他海域（例如，de Marez等人，2024）所示。后者将这些小尺度结构归因于SMS过程。可以认为，SML中的混合和SMS不稳定性之间存在很大相似性，导致次温跃层中的下沉和SMS变异性（Salm等人，2025），以及底层边界层（BBL）中的混合和不稳定性，导致波罗的海次盐跃层中的交错和SMS变异性。因此，波罗的海作为研究SMS过程的天然实验室，因其由盐度差异和风驱动的上升流事件和锋面产生的普遍横向密度梯度而具有优势。我们可以在这里测试现有的SMS概念，并产生可能适用于其他地方的新知识，特别是在难以参数化的复杂和异质沿海海洋亚中尺度方面。

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**图2. (a) 波罗的海海底地形及子流域名称和参考站点。(b) 波罗的海表面盐度分布（来自V?li等人（2024）2017年4月4日的模拟，网格步长250米）。黑色矩形标出了图1中照片的位置。**此外，更高分辨率的模型可能揭示出与粗尺度模拟结果不同的大尺度环流模式（Andrejev等人，2004年；Maljutenko和Raudsepp，2019年；Westerlund等人，2019年）。然而，缺乏具有所需分辨率和覆盖范围的观测数据阻碍了这些高分辨率模型运行的有效验证。这种观测数据的缺失为模拟结果的解读带来了不确定性，并增加了为大尺度海洋（气候）模型开发精确子网格参数化的复杂性。尽管McWilliams（2016年）、McWilliams（2019年）以及Taylor和Thompson（2023年）等人已经综述了海面斜压流（SMS）及其在多尺度海洋动力学中的作用，但对于波罗的海而言，类似的综合研究仍然不足。因此，本综述的目的是总结目前对SMS过程及其与波罗的海其他尺度动态之间联系的理解。虽然本文未直接讨论与SMS过程空间和时间尺度相似的内波以及分层湍流，但在相关情况下提到了它们与SMS过程之间的关系。

本文的结构如下：第2节描述了SMS在空间和时间上的分布及其发展机制的理论考虑。第3节回顾了用于研究波罗的海SMS过程的应用方法。第4节介绍了关于SMS动力学的最新知识及存在的知识空白，重点关注水平交换、分层发展、下沉流、混合、多尺度相互作用以及大尺度影响。第5节提出了展望，最后是第6节的结论。

2. SMS的分布和过程
2.1. 空间和时间尺度
罗斯贝数（Ro）定义为惯性力与科里奥利力的比值，可以通过相对垂直涡度（ζ）来估算：
$$
Ro = \frac{\z}{f} = \frac{\partial v}{\partial x} - \frac{\partial u}{\partial y}
$$
其中f是科里奥利参数，u和v分别是沿x轴和y轴的纬向（zonal）和经向（meridional）速度。根据这个公式，Ro可以取负值或正值，分别对应北半球的反气旋或气旋旋转。

假设在50-60°N处的特征速度为0.1 m/s，科里奥利参数为10^-4 s^-1，则当长度尺度为1 km时，Ro ≈ 1。当Ro?1（L≥10km）时，地球自转占主导地位，流动接近地转平衡；而当Ro?1（L≤100m）时，科里奥利效应可以忽略不计。SMS流动的平流时间尺度（L/U）从不到一小时到几天不等。波罗的海中电流振荡的主导周期包括惯性振荡（14小时）和低频海啸（26–31小时）（例如，Suhhova等人，2018年；Lilover等人，2025年）。

与开阔海洋相比，波罗的海的垂直分层相对较强。在较深的盆地中，40–80米深处存在永久性（或准永久性）盐度跃层；而在几乎整个海域，从春季到秋季，5–20米深处会形成季节性温跃层（Lepp?ranta和Myrberg，2009年）。垂直分层通过布伦特-维萨拉频率（N）来量化：
$$
N \equiv -\frac{g \rho}{\partial \rho}{\partial z}
$$
其中g是重力加速度，ρ是密度，z轴指向向上。季节性温跃层和盐度跃层中的N典型值约为10^-2 s^-1，对应于内波的最小周期为几分钟（例如，Lass等人，2003年；Alenius等人，2003年；van der Lee和Umlauf，2011年）。

弗劳德数（Fr）定义为惯性力与重力的比值，表示垂直分层的相对重要性。当Fr?1时，浮力占主导；当Fr?1时，浮力作用较弱。弗劳德数区分了分层湍流和三维各向同性湍流的领域。在波罗的海这种分层环境中，与三维湍流相关的条件（Fr?1）出现在≤0.1 m的空间尺度上。

一个广泛使用的参数是斜压罗斯贝半径（Rd），它表示在Ro?1条件下最快增长的扰动的水平尺度（Eady，1949年）。其粗略估计公式为：
$$
Rd \approx \frac{c_1 f}{H} \approx \frac{N}{f}
$$
其中c1是第一阶斜压模态内波的相速度，H是海深或水层厚度，N是所考虑水层中的平均浮力频率。在波罗的海，Rd在浅水带的贝尔特海区域约为1.3 km，在中央深盆地约为7 km（Fennel等人，1991年；Lass等人，2003年；Osiński等人，2010年）；在芬兰湾约为4 km（Alenius等人，2003年）；在里加湾小于3 km（Lips等人，2016c）。由于典型的斜压罗斯贝半径为5 km（1–7 km），而强烈的垂直分层是波罗的海水柱的特征，SMS过程和分层湍流占据了从平衡流动到三维各向同性湍流的广泛空间尺度范围（从5–10 km到0.1 m）。

2.2. SMS不稳定性及过程
SMS过程通过几种提出的不稳定性机制从侧向浮力梯度（锋面）和更大尺度的平衡流动中提取能量（Thomas等人，2008年；Gula等人，2022年）。水平浮力梯度表示为：
$$
b_s = -\frac{\partial b}{\partial s}
$$
其中ρ0是参考密度，s轴沿着最大水平浮力梯度方向。假设背景流动接近地转平衡（即，垂直剪切的水平流动与水平浮力梯度之间存在平衡，即所谓的热风平衡），则整体（平衡的）理查森数可以估算为：
$$
R_i \equiv \frac{N^2 H^2 U^2}{b_s^2}
$$
当R_i?1时，剪切流动对扰动是稳定的；而当R_i约为O(1)或更小时（惯性不稳定性除外，见下文），即在强水平浮力梯度和/或弱垂直分层条件下，可能会发生SMS不稳定性（Thomas等人，2008年）。

对于波罗的海纬度，假设f≈10^-4 s^-1，可以推导出O(1) R_i时垂直和水平浮力梯度之间的关系。在波罗的海，典型的温跃层中N约为10^-2 s^-1，而在中尺度锋面上的特征水平密度梯度（例如，Pavelson等人，1997年在芬兰湾入口处观测到的宽度为5 km的锋面两侧密度差为0.5 kg/m^3）对应的b_s=10^-6 s^-2，导致R_i=1。对于较弱的分层，如SML和BBL区域，达到O(1) R_i所需的水平浮力梯度可能更小。例如，Chrysagi等人（2021年）表明，在波罗的海表层SMS纤维中，R_i=1和b_s=10^-6·10^-7 s^-2是典型的。

类似于在Ro?1条件下的中尺度斜压不稳定性（BI，Eady，1949年），BI也可以在更小的尺度上发展。例如，在SML中，由于分层较弱，可以由于BI而形成较小尺度的非地转（Ro≈1）涡旋（Molemaker等人，2010年）。这种机制也称为混合层不稳定性（MLI），它可以通过将轻水向上输送、重水向下输送来重新分层SML（Fox-Kemper等人，2008年；Taylor和Thompson，2023年）。此外，研究表明，由此产生的SMS浮力锋面可以触发三维湍流，为能量从平衡流动中通过SMS过程耗散提供途径（Molemaker等人，2010年）。

虽然MLI从水平浮力梯度（即势能）中提取能量，但非地转SMS流动也可以由于重力、惯性或剪切诱导的不稳定性而发生。Hoskins（1974年）提出了这类不稳定性的一个通用条件，即当势涡度（PV）与科里奥利参数的符号相反时，它们可以发生。可以表示为：
$$
f_q = f_k^+ \nabla \times u \cdot \nabla b < 0
$$
其中q是Ertel势涡度，k^是垂直方向的单位向量，?=?/?x, ?/?y, ?=?/?z是Del算子，u是速度向量。根据Thomas等人（2013年）和Gula等人（2022年）的研究，根据能量来源的不同，这些不稳定性可以分为不同类型。对于重力不稳定性，能量由浮力通量提供，例如，通过表面冷却或前向风可能导致不稳定的垂直分层（N2<0）。当N2>0但相对垂直涡度为负（在北半球）且其绝对值超过行星涡度时，即ζ_abs=f-?u/?y+?v/?x<0时，会发生惯性不稳定性（II；也称为离心不稳定性）（Thomas等人，2013年）。对于II，能量从流场的侧向剪切中提取。

在强斜压条件下，即使N2>0且ζ_abs>0，流动也可能变得不稳定。这被称为对称不稳定性（SI），它从垂直剪切中提取能量，导致惯性不稳定但重力稳定的流动（Taylor和Ferrari，2009年；Arobone和Sarkar，2015年）。可以证明，当水平浮力梯度足够强以产生斜压（垂直剪切）流动时，会发生SI。如果假设流动接近地转平衡，如上所述，当-1f_bs^2>f_ζ_absN^2时，PV会变为负值（Thomas等人，2013年）。Thomas等人（2013年）表明，出现的不稳定性类型可以与平衡理查森数或所谓的Thomas角（Th；由Gula等人，2022年引入）的值相关：
$$
Th \equiv \tan^{-1}(-1/R_i)
$$
当-180°< />< />< />< />< />< />
si产生的对称sms流动主要沿着倾斜的等密度面进行，不会改变浮力分布。然而，这些剪切流动可能导致次级不稳定性，从而加剧垂直混合（taylor和ferrari，2010年）。此外，wenegrat等人（2020年）证明，si驱动的沿等密度面混合与偶发的垂直混合事件（例如，由于强风加深sml）相结合，可以导致水的横向、跨锋面和垂直混合。

由于中尺度应变流引起的锋面形成涉及侧向密度梯度的加剧，这可能会破坏锋面流动的地转平衡并产生非地转次级环流（asc；mcwilliams，2021年）。除了应变引起的锋面形成（hoskins，1982年；hoskins和bretherton，1972年）外，sms锋面和纤维中的锋面形成也可以由于与修正的艾克曼平衡相关的次级环流而发生，有时称为湍流热风（ttw）平衡（mcwilliams等人，2015年；gula等人，2014年）。ttw平衡不仅包括科里奥利力和斜压压力梯度，还包括由于表层湍流引起的动量垂直混合，它很好地近似了存在sms流动时的sml动力学，这在开阔海洋（例如，gula等人，2014年）和波罗的海研究（chrysagi等人，2021年）中得到了验证。

最近的研究主要集中在主要流动系统上（例如，molemaker等人，2015年；gula等人，2015年；naveira garabato等人，2019年），表明sms过程和不稳定性也可以通过流动-地形相互作用在倾斜地形附近出现。东哥特兰盆地的初步建模结果表明，这种现象在波罗的海也可能发生，特别是在盐度跃层下方，尤其是在倾斜地形附近（详见第4.2节）。由于地形不规则性引起的流动不稳定性会产生内波和sms涡旋，这些在bbl中起作用（例如，wenegrat等人，2018年）。这两种机制在波罗的海对于理解来自北海的密集咸水流入的路径、混合和转化过程非常重要（meier等人，2004年；mohrholz等人，2015年；liblik等人，2018年；schmidt等人，2021年），特别是在次盐度跃层内（holtermann等人，2014年；holtermann等人，2017年）。这些过程对深盆地的通风、缺氧区域的维持以及该地区的整体生物地球化学循环具有关键影响。

上述关于sms不稳定性的尺度和平衡的分析表明，这些不稳定性及其相关的sms过程与较大尺度（地转）动力学和较小尺度过程（小尺度湍流）都有关。在波罗的海，大气强迫以及盆地配置和地形可以创造出有利于sms不稳定性发展的各种背景水文条件。 si产生的对称sms流动主要沿着倾斜的等密度面进行，不会改变浮力分布。然而，这些剪切流动可能导致次级不稳定性，从而加剧垂直混合（taylor和ferrari，2010年）。此外，wenegrat等人（2020年）证明，si驱动的沿等密度面混合与偶发的垂直混合事件（例如，由于强风加深sml）相结合，可以导致水的横向、跨锋面和垂直混合。 由于中尺度应变流引起的锋面形成涉及侧向密度梯度的加剧，这可能会破坏锋面流动的地转平衡并产生非地转次级环流（asc；mcwilliams，2021年）。除了应变引起的锋面形成（hoskins，1982年；hoskins和bretherton，1972年）外，sms锋面和纤维中的锋面形成也可以由于与修正的艾克曼平衡相关的次级环流而发生，有时称为湍流热风（ttw）平衡（mcwilliams等人，2015年；gula等人，2014年）。ttw平衡不仅包括科里奥利力和斜压压力梯度，还包括由于表层湍流引起的动量垂直混合，它很好地近似了存在sms流动时的sml动力学，这在开阔海洋（例如，gula等人，2014年）和波罗的海研究（chrysagi等人，2021年）中得到了验证。 最近的研究主要集中在主要流动系统上（例如，molemaker等人，2015年；gula等人，2015年；naveira garabato等人，2019年），表明sms过程和不稳定性也可以通过流动-地形相互作用在倾斜地形附近出现。东哥特兰盆地的初步建模结果表明，这种现象在波罗的海也可能发生，特别是在盐度跃层下方，尤其是在倾斜地形附近（详见第4.2节）。由于地形不规则性引起的流动不稳定性会产生内波和sms涡旋，这些在bbl中起作用（例如，wenegrat等人，2018年）。这两种机制在波罗的海对于理解来自北海的密集咸水流入的路径、混合和转化过程非常重要（meier等人，2004年；mohrholz等人，2015年；liblik等人，2018年；schmidt等人，2021年），特别是在次盐度跃层内（holtermann等人，2014年；holtermann等人，2017年）。这些过程对深盆地的通风、缺氧区域的维持以及该地区的整体生物地球化学循环具有关键影响。>
si产生的对称sms流动主要沿着倾斜的等密度面进行，不会改变浮力分布。然而，这些剪切流动可能导致次级不稳定性，从而加剧垂直混合（taylor和ferrari，2010年）。此外，wenegrat等人（2020年）证明，si驱动的沿等密度面混合与偶发的垂直混合事件（例如，由于强风加深sml）相结合，可以导致水的横向、跨锋面和垂直混合。

由于中尺度应变流引起的锋面形成涉及侧向密度梯度的加剧，这可能会破坏锋面流动的地转平衡并产生非地转次级环流（asc；mcwilliams，2021年）。除了应变引起的锋面形成（hoskins，1982年；hoskins和bretherton，1972年）外，sms锋面和纤维中的锋面形成也可以由于与修正的艾克曼平衡相关的次级环流而发生，有时称为湍流热风（ttw）平衡（mcwilliams等人，2015年；gula等人，2014年）。ttw平衡不仅包括科里奥利力和斜压压力梯度，还包括由于表层湍流引起的动量垂直混合，它很好地近似了存在sms流动时的sml动力学，这在开阔海洋（例如，gula等人，2014年）和波罗的海研究（chrysagi等人，2021年）中得到了验证。

最近的研究主要集中在主要流动系统上（例如，molemaker等人，2015年；gula等人，2015年；naveira garabato等人，2019年），表明sms过程和不稳定性也可以通过流动-地形相互作用在倾斜地形附近出现。东哥特兰盆地的初步建模结果表明，这种现象在波罗的海也可能发生，特别是在盐度跃层下方，尤其是在倾斜地形附近（详见第4.2节）。由于地形不规则性引起的流动不稳定性会产生内波和sms涡旋，这些在bbl中起作用（例如，wenegrat等人，2018年）。这两种机制在波罗的海对于理解来自北海的密集咸水流入的路径、混合和转化过程非常重要（meier等人，2004年；mohrholz等人，2015年；liblik等人，2018年；schmidt等人，2021年），特别是在次盐度跃层内（holtermann等人，2014年；holtermann等人，2017年）。这些过程对深盆地的通风、缺氧区域的维持以及该地区的整体生物地球化学循环具有关键影响。

上述关于sms不稳定性的尺度和平衡的分析表明，这些不稳定性及其相关的sms过程与较大尺度（地转）动力学和较小尺度过程（小尺度湍流）都有关。在波罗的海，大气强迫以及盆地配置和地形可以创造出有利于sms不稳定性发展的各种背景水文条件。>从大尺度到小尺度，波罗的海中与海表混合层（SMS）相关的典型范围包括：中尺度约为10公里及以上；锋面处的非地转次级环流以及SMS（混合层）涡旋，其尺度约为1公里（后者取决于混合层的罗斯贝半径）；对称和惯性不稳定性，尺度从1公里到小于100米不等；分层湍流，尺度约为10至1米；以及小尺度（三维各向同性）湍流，尺度为0.1米及以下。理解这些尺度有助于选择合适的观测方法，并确定模拟网格的分辨率，以便能够捕捉或解析波罗的海中的SMS过程。如果模拟网格无法解析SMS过程，则必须通过参数化子网格过程来考虑其影响。

通过分析动能和势能或示踪剂方差的波数谱，可以了解SMS过程在能量传输和示踪剂混合中的作用。许多研究（例如Capet等人，2008年）表明，在SMS范围内，动能的波数谱斜率趋于-2（对应于-2幂律）（参见Jing等人2021年图1中上层海洋典型水平波数谱的示意图）。这与内部准地转（QG）理论预测的-3斜率不一致（Charney，1971年；Callies和Ferrari，2013年）。表面准地转（SQG）理论（Blumen，1978年）预测在恒定分层的海洋中波数谱斜率为-5/3。由于SQG湍流预计会随深度迅速减弱，因此在次表层小尺度上应以内部QG为主（Callies和Ferrari，2013年），这意味着在表面以下的SMS范围内波数谱斜率应趋于-3。

另一种揭示SMS过程作用的方法是计算等密度面上的空间示踪剂方差谱，即温度和/或盐度的等密度面方差（Ferrari和Rudnick，2000年）。动能的陡峭谱线（即斜率为-3）可能导致示踪剂方差谱的斜率为-1（Balwada等人，2024年）。然而，大多数结果显示表面和次表层斜率接近-2（Callies和Ferrari，2013年；Cole和Rudnick，2012年；Balwada等人，2024年）。这可以解释为局部SMS过程引起的示踪剂混合（Balwada等人，2024年）。在波罗的海，只有少数分析利用观测数据来揭示波数谱的形状，以了解SMS过程在能量传输和混合中的作用（Lips等人，2016a；Salm等人，2023年）。这一主题将在第4.3.3节中进一步讨论。

3.1 现场观测
早期的船载CTD探测器调查发现了海洋中的中尺度涡旋（MODE小组，1978年）和波罗的海中的涡旋（Aitsam等人，1984年），以及可以归类为SMS特征的小尺度结构（Hayes等人，1975年）。然而，由于CTD投放之间的相对距离较长，无法获取这些小尺度结构的水平范围信息（大西洋地中海透镜体下方的阶梯状分层除外，例如Lips和Laanemets，1991年）。当CTD测量的站间距小于内部罗斯贝半径（Sellschopp等人，2006年；Lips等人，2009年；Lips等人，2010年），并且使用移动速度较慢的船只进行测量时（K?uts等人，1990年；Piechura等人，1997年；Zurbas和Paka，1999年；Rak和Wieczorek，2012年），才得以绘制出例如盐度跃层内的透镜体和下层浮游植物的分布图。尽管这些测量的分辨率足以研究SMS现象，但这些早期研究的主要焦点是中尺度变化和垂直精细结构。

在波罗的海，拖曳式波动装置被用于绘制中尺度背景和与垂直湍流混合相关的小尺度变化（Lass等人，2003年）、博恩霍尔姆盆地中的北海水传播（Mohrholz等人，2006年）以及浮游植物动态（Pavelson等人，1999年；Kononen等人，2003年）。Scanfish数据提供了足够细的水平分辨率，范围从300米（Lips等人，2016a）到1300米（Meyer等人，2018年），具体取决于船只速度和扫描层厚度，从而能够研究中尺度至次中尺度范围内的变化。在芬兰湾进行的针对性调查（见图2b中的位置）揭示了SMS侵入、上升流丝状物以及水柱中高叶绿素-a的区域，同时温度的波数谱斜率接近-2，横向尺度范围为10至1公里（Lips等人，2016a）。

固定式剖面仪能够收集非常高的时间分辨率（约1-6小时，取决于技术和水深）和垂直分辨率的数据，从而能够研究小尺度变化（Lips等人，2011年；Liblik和Lips，2012年；Prien和Schulz-Bull，2016年；Liblik等人，2017年；Stoicescu等人，2019年）。类似的剖面仪也被用于研究其他沿海环境中的SMS变化。例如，2010年在日本海部署的Aqualog剖面仪能够记录SMS涡旋通过锚定点的过程（Fayman等人，2019年），类似于波罗的海中部穿透里加湾次层水域的SMS斑块（Liblik等人，2017年）。使用一组协调测量多个参数的剖面仪可以进一步深入了解SMS动态（Lilover等人，2025年）。

Argo浮标首次在波罗的海进行测试是在2011年（Purokoski等人，2013年）。作为国际项目的一部分，它们提供了高分辨率的CTD和生物地球化学数据，适用于多种应用（Haavisto等人，2018年；Roiha等人，2018年；Siiri?等人，2018年；Walczowski等人，2020年），尽管单个浮标之间的数据采集时间间隔通常相对较长（2-7天），不利于研究SMS变化。最近，Argo浮标已在波罗的海以虚拟锚定模式（Merchel等人，2024年）和固定系统（Merchel等人，2025年）成功应用。原则上，如果增加剖面采集频率，这些方法可以适用于记录SMS变化。

海洋滑翔机能够有效解析SMS过程（Rudnick和Cole，2011年；Balwada等人，2024年）。这也适用于相对较浅的波罗的海（Alenius等人，2014年），收集的数据水平分辨率在150至700米之间，具体取决于任务设计（Meyer等人，2018年；Carpenter等人，2020年；Salm等人，2023年；见图2b中的位置）。定期进行的滑翔机飞行已被证明是研究多尺度海洋动力学的有效方法，提供了足够的覆盖范围和分辨率（Rudnick等人，2017年）。波罗的海的The Voice of the Ocean基金会（VOTO）也开始了类似的滑翔机观测（位置见图2b）。这些数据集已被用于多种应用（Liblik等人，2022年；Mohrmann等人，2025年），对推进SMS动态的理解具有巨大潜力。

长期和高分辨率测量的结合有助于检测SMS过程，并提供了分析多个变量（包括温度、盐度、氧气和生物光学参数（叶绿素-a、藻蓝蛋白、后向散射、浊度、CDOM等）的季节性和年度变化的机会。此外，滑翔机可以配备微结构剪切传感器和声学流速剖面仪，例如2016年在东哥特兰盆地部署的滑翔机（Carpenter等人，2020年）。滑翔机的持续存在有助于捕捉难以预测的极端事件，如风暴（Carpenter等人，2020年）、次表层藻华、上升流事件（Karstensen等人，2014年；Salm等人，2025年）、波罗的海流入或工业事故（Mohrmann等人，2025年）。自2016年以来，芬兰气象研究所定期收集的滑翔机数据（见其官方网站http://nnodc.fmi.fi/glider/mission_map4.html）已被用于分析波的尼亚海中的氧气条件（Polyakov等人，2022年），但尚未用于研究SMS变化和过程。

原则上，海洋动物可以作为收集垂直CTD剖面的平台（McMahon等人，2021年），Siegelman等人（2020年）在南极绕极流中展示了这一点。他们分析了 Elephant Seal 的数据（每天最多潜水80次），以估计与深层SMS锋面相关的向上热通量。海洋哺乳动物也可用于从难以到达的环境中收集SMS过程的观测数据，例如海冰下方（Biddle和Swart，2020年）。在波罗的海，使用GPS设备追踪环斑海豹（Oksanen等人，2015年）；然而，尚未广泛采用其他传感器。

Ferrybox测量已被证明是一种有效的方法，可以定期从表层收集空间分辨率高的数据（Rantaj?rvi，2003年；Lips等人，2014年；Groetsch等人，2014年）。根据采样频率和船只速度，数据的空间分辨率约为150-500米（Kikas和Lips，2016年）。这些数据集已被用于多种目的，包括蓝藻藻华动态（Lips和Lips，2008年；Karlson等人，2022年）、碳通量（Schneider等人，2014年）以及上升流及其对生物地球化学的影响（Kikas和Lips，2016年；Jacobs等人，2021年）。

尽管波罗的海的Ferrybox数据在SMS变化研究中的利用较少，但它们的空间分辨率和规律性使其非常适合这一目的（Lips等人，2016a）。例如，它们已被用于验证高分辨率数值模型（Chrysagi等人，2022年），尤其是在卫星观测不可用时特别有价值。对沿SML航线收集的数据应用适当的统计方法可以揭示多尺度变化及其区域和季节性模式之间的联系（Ferrari和Rudnick，2000年；Kolodziejczyk等人，2015年）。研究船也经常配备类似于Ferrybox的流动系统，从SML收集高空间分辨率的数据，例如在研究船Salme上（Lainela等人，2024年）。这些数据集已被用于多种应用（Liblik等人，2017年；Lainela等人，2024年），尽管在专注于SMS动态的研究中尚未得到广泛利用。

拉格朗日漂流器在波罗的海尚未得到系统性的应用。然而，它们在其他地区的应用已显示出关于表层SMS动态的宝贵结果（例如，d’Asaro等人，2018年；Dr?ger-Dietel等人，2018年）。Delpeche-Ellmann等人（2021年）和P?rt等人（2023年）描述了芬兰湾受风和表面波影响的表面漂流。Kjellsson和D??s（2012年）表明，漂流器在海中的扩散范围远大于粗分辨率环流模型（网格间距为2纳米，接近斜压罗斯贝半径）的预测。这些数据集未用于与高分辨率数值模型的结果进行比较。总体而言，拉格朗日漂流器可以提供现场数据，用于验证允许和解析SMS的模型。

研究船上的标准宽带回声测深仪具有从SMS到微结构尺度的桥梁作用（Muchowski等人，2022年），能够直接提供水柱中微尺度热盐结构的证据，具有高（米级）的垂直和水平分辨率。这些调查可以在足够大的横向速度下进行，以避免时间和空间变化的耦合。基于微结构剖面的湍流动能耗散率估计与宽带回声测深仪数据的比较，在北部奥兰群岛南部Quark sill区域显示出良好的结果，尤其是当与补充的CTD剖面结合使用时，尽管该方法对水柱中的鱼类敏感（Muchowski等人，2022年）。

总之，波罗的海周围的研究团队配备了研究SMS动态所需的基础设施。继续在航线上的表层和固定站点的柱层进行定期观测，以及在选定区域和剖面进行定期滑翔机飞行至关重要。需要更多具有足够分辨率和覆盖范围的数据，以支持新兴的数据分析方法（Yao等人，2025年）并验证高分辨率数值模型（Salm等人，2025年）。未来的发展方向将是结合不同的平台（Lips等人，2016a）并组织专门针对SMS过程的国际测量活动（Liblik等人，2022年）。当中尺度变化成为主要研究焦点时，也曾进行了类似的努力，例如1986年在波罗的海中部组织的Patchiness实验（Kahru等人，1990年）。我们强调，上述大多数观测活动并非专门为研究海表面混合层（SMS）过程而设计的。因此，尽管具备必要能力的科研基础设施已经存在，但针对SMS过程及其影响的专门研究仍然较少，需要在未来得到优先考虑。3.2. 遥感技术可用于观测海表面的中尺度和SMS结构，包括合成孔径雷达（SAR）图像、真彩色和红外（IR）光谱辐射测量以及卫星测高技术，特别是新近推出的宽幅测高技术（SWOT）。雷达测高仪提供的海表面高度（SSH）数据可以用来观测中尺度涡旋，但由于其时空分辨率有限以及两次测量之间的时间间隔较长（10-30天），无法观测到波罗的海中的SMS特征（SWOT除外）。海表面盐度（SSS）也可以通过遥感获取；然而，云层污染和数据分辨率较低使得这种方法目前还不适用于研究波罗的海中的SMS动态。需要注意的是，虽然遥感图像可以同时提供大面积区域的快照，但图像之间的时间间隔相对较长（约一天），并且只能检测到海表面的结构。早期关于海表面温度（SST）梯度的研究揭示了波罗的海中热锋的普遍存在（Kahru等人，1995年）。SST还用于区分气旋和反气旋以及检测上升流事件。Uiboupin和Laanemets（2009年）研究了芬兰湾的上升流特征以及从上升流区域延伸到开阔海域的细丝状结构。Karimova等人（2012年）利用多个遥感数据集识别了波罗的海南部的SMS涡旋，而Gurova和Chubarenko（2012年）则结合了海岸雷达测量和卫星遥感数据来研究SMS涡旋的发展。Karimova和Gade（2016年）发现，SMS涡旋的出现依赖于风况，且气旋涡旋通常比反气旋涡旋小（使用了2009至2011年的ASAR图像）。在最近的一项研究中，Zi等人（2024年）在270张20米空间分辨率的SAR图像中检测到了具有螺旋结构的SMS涡旋。海洋颜色可以作为示踪剂来揭示亚中尺度下的复杂表面结构。Zhurbas等人（2019b）将Landsat-8的真彩色图像与模型结果进行比较，以研究沿海SMS的动态。Marmorino和Chen（2019年）证明，使用非常高分辨率的卫星图像可以追踪单个SMS特征的发展。Cahill等人（2024年）利用Sentinel-3的海洋颜色观测数据、耦合的生物光学模型和粒子追踪技术研究了Arkona盆地中同时发生的海洋热浪和浮游植物爆发事件，发现这些事件主要与涡旋状相干结构和SMS特征有关。2022年12月发射的SWOT卫星使得直接基于空间的SMS海表面地形观测成为可能（Fu等人，2024年）。与所有合并测高数据相比，SWOT的空间分辨率提高了十倍以上。已经在波罗的海（包括哥特兰盆地和丹麦海峡）开始了验证活动，应进一步扩大这一数据源的应用，以加深我们对波罗的海动态的理解。3.3. 数值建模数值建模是研究SMS过程及其在海洋动力学中作用的一种广泛使用的方法。实验既在理想化条件下进行（Brannigan等人，2015年），也在实际强迫条件下进行（Capet等人，2008年）。在波罗的海进行的真实模拟旨在展示网格间距的影响（Gr?ger等人，2022年）、再现观测到的过程或情况（V?li等人，2017年，Chrysagi等人，2021年）、将观测结果外推到更大海域（Salm等人，2025年），或描述SMS过程强度的时间和空间变化（V?li等人，2024年）。由于波罗的海的Rossby半径较小（1-7公里，Fennel等人，1991年），因此与开阔海域模型相比，需要更细的水平（和垂直）网格以及更高的时间分辨率来解析SMS过程。最近的一些研究采用了250至600米的水平网格间距。这些模拟基于通用河口运输模型（GETM；Burchard和Bolding，2002年，例如Chrysagi等人，2021年和V?li等人，2024年）或普林斯顿海洋模型（POM；Blumberg和Mellor，1987年，例如V?li等人，2017年）。其他研究还使用了欧洲海洋建模核心（NEMO；Madec，2015年，例如Vankevich等人，2016年和Westerlund等人，2019年）或区域海洋建模系统（ROMS；Haidvogel等人，2000年，例如Onken等人，2020年）。所有这些模型都在矩形网格上使用球坐标系，大多数设置中的子网格侧向混合基于Smagorinsky参数化（Smagorinsky，1963年）。数值实验中的垂直混合通过额外的湍流动能（及其耗散率）方程来实现，这些方程可能来自GETM（通用海洋湍流模型；Burchard等人，1999年）、直接来自K剖面（Large等人，1994年）或Mellor-Yamada湍流模型（Mellor和Yamada，1982年）。Burchard和Rennau（2008年）引入了量化海洋模型中示踪剂数值混合的框架，Klingbeil等人（2014年）对其进行了修订，并应用于评估东哥特兰盆地中强SMS特征存在时的物理和数值混合情况（Chrysagi，2020年）。其他数值模型也采用了类似或不同的方法（例如Ralston等人，2017年，Broatch和MacCready，2022年，Schlichting等人，2023年）。一般来说，减小数值模拟中的网格间距可以减少数值扩散。然而，Henell等人（2023年）通过聚焦波罗的海的研究估计，数值混合可能占总混合量的大约50%，导致模型中的混合层深度（SML）过深（Bulczak等人，2024年）。另一方面，在低分辨率的环流模型模拟中，SML深度经常被低估，这逐渐促使了更复杂的混合机制的发展（Meier，2001年）。Schlichting等人（2024年）的一项理想化研究表明，在高分辨率数值模型中，尤其是在有明显侧向浮力梯度的锋面处，数值混合可能超过物理混合。因此，未来在波罗的海使用能够解析SMS的网格进行建模研究时，可以通过不同分辨率的交叉比较实验来探讨数值和物理扩散的变化。由于离散网格导致的垂直混合与模型垂直坐标上的垂直平流以及倾斜等密度面情况下的侧向平流有关（Fox-Kemper等人，2019年，Gibson等人，2017年）。关于垂直和水平网格步长的物理最适比例仍存在不确定性，特别是在低分辨率（子网格水平混合可以近似为QG湍流）和高分辨率（子网格过程高度非斜压）的数值模型之间。此外，尚不清楚在允许和解析SMS的网格间距下，是否可以应用分离的水平和垂直混合参数化。我们建议，除了进一步的数值实验外，还需要利用不断增长的高分辨率观测数据集对模型运行进行广泛验证。由于内部变异性显著，需要高分辨率数据集来进行统计模型与数据的比较（Placke等人，2018年）。在数值模型中使用高时间和空间网格分辨率计算成本较高。因此，大多数关于波罗的海的数值研究，尤其是那些关注气候变化的研究，通常使用较粗的网格设置，在这些设置中无法解析SMS过程（Gr?ger等人，2022年，Meier等人，2022年）。考虑到SMS特征可以显著改变混合层的深度（Thompson等人，2016年），需要参数化方法来减少SML中的偏差，特别是在气候模型中（Huang等人，2014年，Calvert等人，2020年）。例如，Fox-Kemper等人（2011年）提出并实现了一种参数化方案，通过混合层SMS涡旋来近似全球海洋模型中的密度和其他示踪剂的通量。Bodner等人（2023年）最近对该参数化进行了修订，以考虑边界层湍流对锋面形成的影响。Bachman等人（2017年）提出的另一种参数化方法似乎可以改善SML内的分层和垂直混合。这些参数化方法尚未在波罗的海模型中进行测试。一个问题是目前对大气湍流动能通量的了解不足（例如Meier等人，2011年）。我们拥有不同的波罗的海设置模型代码，可用于模拟SMS的变异性以及大尺度模式和长期变化。前者（允许或解析SMS的模型）需要更广泛的验证。较粗的数值模型可以通过测试考虑SMS过程影响的子网格参数化来受益。此外，长期解析SMS的模型模拟计算要求较高，其分析部分受到数据存储限制的制约。开发实时分析方法对于充分利用未来的高分辨率模拟至关重要。3.4. 综合方法由于所有描述的方法都有各自的优缺点，结合多种方法将是研究SMS过程及其影响的最有益策略。例如，通过数值模型可以模拟观测到的SMS特征和变化（Carpenter等人，2020年，Salm等人，2023年），从而识别其发展机制（Chrysagi等人，2021年），并将观测结果外推到更大范围和更长的时间跨度（Salm等人，2025年）。用于研究大范围海域和时间段内SMS过程统计特性的解析SMS模拟（例如V?li等人，2024年）需要适当的现场测量来验证结果（即得到的统计特征）。例如，来自波罗的海不同地区的渡轮箱测量数据为高分辨率模拟的空间变异性提供了大量信息，并用于直接验证表面梯度或示踪剂（如温度和盐度）（Chrysagi等人，2022年）。VOTO在一些波罗的海地区启动的系统滑翔机任务的价值将随着时间的推移而增加，因为它们可以用于验证允许和解析SMS的模型等应用。此外，遥感产品可以与真实建模实验结合使用。Zhurbas等人（2019b）将不同日期的一系列图像与波罗的海南部的模型结果进行了定性比较。除了监测站的垂直剖面数据外，Chrysagi等人（2021年）还使用了波罗的海中部的卫星图像来评估他们的模型如何再现SST的变化和空间结构。此外，遥感提供了良好的海表面覆盖范围的快照，而现场观测和数值模拟可以揭示次表层中的动态，突显了同时应用这些方法的必要性。模型、EO观测和现场测量的整合可以用来重建物理和生化参数的4D场。这正是最近启动的“通过4D建模和综合地球观测研究波罗的海动态”项目（https://4dbaltdyn.albavalor.es/）的主要目标。类似于多传感器（例如Carpenter等人，2020年使用的带有多种传感器的滑翔机）和多平台观测计划（Lips等人，2016a使用的研究船、渡轮箱、scanfish等平台），以及利用多模型集合进行操作和气候相关应用，必须结合建模、现场观测和遥感实验来研究波罗的海的SMS过程。这需要来自不同波罗的海国家的多个研究小组的参与，每个小组都带来他们的专业知识和资源，共同实现对SMS动态的全面覆盖。4. 最新技术和知识空白4.1. 表层和温跃层中的SMS过程4.1.1. 波罗的海环境和SMS动态的例子由于其河口性质，波罗的海具有强烈的侧向浮力梯度——这对亚中尺度的发展至关重要——这是其特征，因为这里有大量的淡水排放和普遍的水平盐度梯度（图2b）。由于相对狭窄的盆地，频繁的上升流事件由变化的局部风强迫产生（例如Lehmann等人，2012年，Kikas和Lips，2016年）。强烈的上升流事件的特点是存在明显的浮力梯度（Lips等人，2009年）以及沿岸的斜压流（Suursaar和Aps，2007年；Salm等人，2025年）。浮力层（温跃层和盐跃层）的倾斜度受风力作用的影响，在芬兰湾是一个普遍现象（Liblik和Lips，2017年），即使海表面的温度和盐度梯度较弱也是如此。此外，浅水沿海区域和离岸区域的差异性加热和冷却会导致表层出现水平温度和密度梯度（例如Lips等人，2014年；Lips等人，2016a年）。因此，波罗的海的大尺度和中尺度浮力梯度为生成SMS过程创造了有利条件，这些过程可以改变垂直分层，促进沿海与离岸区域之间以及表层与次表层之间的物质交换，并影响更大尺度的海洋动力学（Carpenter等人，2020年；Chrysagi等人，2021年；Salm等人，2023年；Salm等人，2025年）。这些水文条件自然支持了SMS活动在波罗的海的普遍存在。通过遥感观测首次发现了SMS特征的早期迹象，这些特征在亚中尺度上具有明显的模式（例如Karimova，2012年；Karimova和Gade，2016年；McWilliams，2016年；参见图1）。自1997年以来在塔林和赫尔辛基之间进行的Ferrybox观测（见图2中的位置）也提供了表层小尺度变异性的例子。Kikas和Lips（2016年）指出，除了具有单一尖锐密度前沿的事件外，还经常出现浮力上升流事件，在这些事件中，表层温度的空间分布主要由小于5公里尺度的变化所主导。这可以通过上升流丝状结构的形成（Uiboupin和Laanemets，2009年）或上升流前沿的SMS不稳定性来解释，尤其是在产生上升流的风力减弱或变化时（Kikas和Lips，2016年）。在夏季条件下，对东哥特兰盆地的高分辨率数值模拟显示，在上升流事件之前SMS活动较弱，而在上升流事件之后则会出现强烈的SMS运动（Chrysagi等人，2022年）。除了表层现象外，早期观测还揭示了波罗的海次表层的小尺度变异性，尽管这些特征最初并未被归入SMS框架。垂直细结构和侵入/交错现象（Zhurbas和Paka，1999年；Holtermann等人，2012年）被认为对重新分配水团属性和混合过程很重要，但尚未与SMS动力学联系起来。长期以来，次表层和深层的高叶绿素-a峰值一直被认为是夏季浮游植物群落的特征（Kahru等人，1982年；Pavelson等人，1999年）。Lips等人（2011年）提出，这些次表层的高叶绿素-a区域可能与SMS过程有关。利用自2009年起在芬兰湾应用的垂直剖面仪和有针对性的船载测量，他们发现了次表层叶绿素-a峰值，其浓度可高达每升250万个细胞，以及位于季节性温跃层内和其下方的较高温度区域。Liblik和Lips（2012年）对自主剖面仪数据的详细分析表明，在河口环流逆转期间，不同温度和盐度的水体沿等密度面侵入是主要的温盐特征，随后在河口环流恢复正常模式时这些现象会消失。Lips等人（2016a）基于自主和拖曳仪器的数据，提供了一系列芬兰湾表层和次表层SMS发生的例子。他们注意到在上升流事件期间及之后，季节性温跃层中SMS盐度侵入现象更为明显；然而，生成机制和SMS特征在定量形式上的作用尚未得到分析。Scanfish调查显示，不同温度和盐度的水体侵入通常沿着倾斜的浮力层发生（Lips等人，2016a）。受东哥特兰盆地观测数据的启发（详见Burchard等人，2017年），Chrysagi等人（2022年）模拟了夏季条件下温跃层中盐度反转（最小值）的出现。这些反转主要归因于侧向表面盐度梯度与风诱导的差异性平流之间的相互作用。然而，也有研究表明，在风诱导的上升流事件期间，当上升流区域内形成强烈的SMS丝状结构时，这些反转也可能由这些丝状结构内的前沿俯冲触发。如第4.1.4节所讨论的，靠近浮力层的不同温度和盐度水体的这种侧向扩散也可以用活跃的SMS过程来解释。

为了评估这些机制和SMS结构是否在个别案例研究之外也具有普遍性，人们使用了高分辨率的区域建模来推广和扩展观测证据。V?li等人（2017年）的数值模拟（网格步长250米）显示了芬兰湾表层存在众多SMS特征。具有高Rossby数（Ro > 1）的SMS结构具有以下空间尺度：丝状结构的特征宽度为2-3公里，长度为10-50公里；气旋涡旋的特征直径为3-6公里；螺旋涡旋的特征直径为10-15公里。V?li等人（2017年）认为，高势涡度丝状结构可能形成于上升流的发育阶段，而气旋涡旋和螺旋涡旋则形成于上升流的松弛阶段。表层的高Rossby数丝状结构延伸至10米深度，而高Rossby数的气旋涡旋延伸至20米深度。这些模型识别的特征需要通过高分辨率的现场观测进行验证，特别是那些能够解析垂直温盐结构的观测，如滑翔机测量。在哥特兰盆地（Carpenter等人，2020年）和芬兰湾（Salm等人，2023年）进行了滑翔机观测和SMS动力学分析（包括相关不稳定性和作用）。在分析SMS过程的强度时，可以将其定义为沿等密度面的“spice”，即温度（ΔT）和盐度（ΔS）波动的总和，它们对密度的贡献相互抵消（Salm等人，2025年）：
(8) spice = ρ(αΔT + βΔS)
其中α是热膨胀系数，β是盐度收缩系数。图3展示了2018年5月通过滑翔机任务在芬兰湾斜压前沿发现的SMS特征示例（见图2b中的位置）。用于计算“spice”的温度和盐度波动是根据滑翔机轨迹上4公里基线处估计的平均沿等密度面温度和盐度值定义的。“spice”突出了作为正（负）异常斑块的SMS变异性，表明相对于等密度面平均值，这些区域的盐度和温度较高（较低）。因此，如果存在大尺度的沿等密度面温度和盐度梯度，并且SMS流动作用于这些梯度上，“spice”最为明显。图3中的斜压前沿是在盛行东风（有利于上升流）条件下形成的（Salm等人，2023年）。然而，在绘制这一前沿之前，风向发生了变化（减弱并转向）。次级前沿的出现（等密度面的倾斜方向相反）以及表明较冷次表层水体向上运动和较暖表层水体向下运动的SMS特征，可以解释为斜压前沿在风速变化条件下的不稳定性结果。在温度和盐度分布中注意到的SMS特征在“spice”的垂直剖面中清晰可见。

波罗的海的部分区域季节性被海冰覆盖，但海冰覆盖对中尺度和SMS动力学的影响在该区域仍知之甚少。北极海洋的研究表明，季节性海冰强烈抑制了SML中中尺度涡旋活动的传播，而深层的水体涡旋活动则可能全年持续存在（Meneghello等人，2020年）。然而，海冰边缘也可以成为涡旋形成的来源，这一点通过北极地区的卫星高度计观测得到证实（Bulczak等人，2015年）。使用标记的南极象海豹数据进行的观测显示了相反的趋势，即冬季SMS参数值增加，这可能与海冰中的裂缝有关（Biddle和Swart，2020年）。在北极和南极，海冰边缘的融水前沿的促进作用对SMS流动和海洋与大气及海冰之间的热交换非常重要（例如Manucharyan和Thompson，2017年；Prend等人，2025年）。由于波罗的海SML的盐度较低，这种融水引起的浮力梯度可能较弱，目前尚不清楚波罗的海是否存在这种海冰融水与SMS的耦合。

4.1.2 SMS过程对沿海-离岸交换的影响
将示踪剂和营养物质输送到海外的河流羽流受到可变风力的影响，其形状和位置可能会随时间发生剧烈变化（Fofonova等人，2021年；Chegini等人，2020年；Hetland和Hsu，2013年）。Cushman-Roisin等人（2007年）和Kobashi与Hetland（2020年）展示了由于浮力沿海羽流的斜压不稳定性而形成的涡旋发展。在波罗的海，Lips等人（2016c）模拟了来自道加瓦河羽流的斜压沿海流的类似中尺度涡旋。然而，与河流羽流相关的SMS涡旋尚未通过观测或模型得到捕捉，可能是因为它们在波罗的海中的尺度非常小。在风力较弱的情况下，河流排放的淡水可能只占据相对较薄的表层，例如Soosaar等人（2016年）所建议的几米深度。因此，这种羽流前沿的不稳定性尺度可能比其他地区的SML要小。由于这些尺度很小（水平尺度约为100米），可以预期SMS动力学与湍流混合之间的强烈耦合会驱动与河流羽流相关的侧向扩散和垂直通量。为了揭示波罗的海中何时何地会发生强烈的沿海-离岸交换，V?li等人（2024年）进行了长期高分辨率模拟。该模拟覆盖了9年时间，水平网格分辨率为约250米。除了高垂直相对涡度的概率图（图4），显示了活跃的SMS动力学外，我们还估计了相对涡度和应变率的联合概率分布函数（JPDFs），其中应变率计算如下：
(9) Strain = ?u/?x - ?v/?y2 + ?v/?x + ?u/?y2
根据Shcherbina等人（2013年）的方法。在JPDF图中，以99.9%的概率区域表示（图5），活跃的SMS区域通过Strain > |ζ| 和 |Ro| > 0.5来识别（Picard等人，2024年）。

图4显示了2010-2018年平均年份表层不同Rossby数范围的出现概率空间分布（来自V?li等人，2024年）。图5展示了夏季（JJA）和冬季（DJF）波罗的海五个子区域内99.9%概率对应的相对涡度和应变率的联合概率分布函数（JPDFs）。虚线表示通过Strain > |ζ| 和 |Ro| > 0.5识别的SMS域边界（Picard等人，2026年）。图4中相对不均匀的涡度分布表明，SMS过程在波罗的海的狭窄海峡和几个沿海区域更频繁发生（V?li等人，2024年）。通过比较波罗的海的五个子区域（使用Strain-Ro图，图5），发现芬兰湾和北部波罗的海的SMS过程发生频率更高，而中部和南部波罗的海以及里加湾的发生频率较低。图5还表明，冬季的SMS过程比夏季更频繁，这与其他研究结果一致（Callies等人，2015年；Schubert等人，2020年）。此外，Ro > 1的概率明显高于Ro < -1（图4），并且在图5中，当应变|ζ|和|Ro| > 0.5时，JPDFs的概率区域在Ro为正的一侧更大，这表明强烈的气旋涡旋比反气旋涡旋更为常见。这与早期研究结果一致（例如，Shcherbina等人，2013年；V?li等人，2017年），可以通过强气旋涡旋的稳定特性和强反气旋涡旋的不稳定特性来解释（Hoskins和Bretherton，1972年）。芬兰湾中Ro > 0.5的高概率（图4，图5）表明，海洋表面交换（SMS）过程可能积极促进了沿海水域（包括涅瓦河水域）在这个相对狭窄的流域内的扩散。在波罗的海北部，咸水从波的尼亚海和芬兰湾流入这一海域，由于斜压不稳定性，导致强烈的涡旋形成，从而引起强烈的SMS变化（V?li等人，2024年）。波罗的海中部和南部的离岸区域通常经历较低的SMS活动（图4），而强烈的SMS特征则出现在沿海地区（Zhurbas等人，2019a，2019b，2022年；Chrysagi等人，2022年）。Zhurbas等人（2019a）表明，重新分配沿海-离岸梯度的气旋SMS涡旋比反气旋SMS涡旋具有更高的角速度（意味着气旋涡旋对垂直交换的贡献更大），而反气旋涡旋可能导致表层颗粒的更快侧向传输。此外，Zhurbas等人（2022年）提出，SMS过程不仅在表层（SML）中，也在次表层中促进沿海-离岸交换，影响斜坡区域与盆地内部之间的交换。

高分辨率模拟的结果（V?li等人，2024年）与低分辨率模拟的结果进行了比较，后者的水平网格分辨率分别为926米（Hariri等人，2024年，2025年）和1,852米（V?li等人，2025年），从而可以分析考虑和不考虑SMS情况下的流动和示踪剂场的统计特性。这些分析显示，包含SMS过程会阻碍沿海水域和示踪剂向盆地中心的快速传输，但在离岸区域增强了示踪剂向次表层的传输。这些研究的结果在第4.4小节中进行了更详细的讨论，其中探讨了SMS过程的大规模影响。我们指出，需要进一步了解涉及SMS过程的沿海-离岸交换的知识和特性。这需要使用现场观测对模型结果进行广泛的验证，包括在选定区域进行有针对性的定期调查。此外，一个重要的知识空白是与河水扩散相关的SMS过程及其在沿海-离岸交换中的作用。

4.1.3 表层中的SMS过程
基于配备湍流微结构包和高分辨率ADCP的海洋滑翔机的数据，Carpenter等人（2020年）对风暴条件下的SMS前沿进行了少数详细的研究之一，这些条件通常无法通过船舶观测获得（图6）。他们来自波罗的海中部的数据表明，小尺度前沿可能以不同的方式影响SML：风暴引起的混合后的地转调整与SML的再分层（前沿倾斜）相关，这有效地通过屏蔽SML的深层部分免受表面强迫而抑制了湍流。然而，他们还表明，在调整过程中产生的近惯性振荡可能与足以触发剪切不稳定的非地转剪切有关。这一过程被证明是SMS能量的重要吸收源。

4.1.4 SMS在季节性分层发展中的作用
许多例子表明，粗尺度模型无法准确预测海洋中的混合层深度（Damerell等人，2020年）以及波罗的海（例如，Tuomi等人，2012年；Bulczak等人，2024年）。一个关于浮力通量和分层发展的通用框架包括海气热通量、蒸发-降水、由于风和洋流（如潮汐和涌浪）引起的垂直混合，以及上层海洋中的分层流动结构导致的水平浮力通量。然而，如果没有适当参数化SMS过程和由于表面波破碎及朗缪尔环流引起的混合，模拟表层季节性分层的发展是具有挑战性的。V?li等人（2024年）的长期高分辨率模拟表明，波罗的海的涡旋活动表现出明显的季节性周期，冬季涡旋活动较高，夏季较低。因此，SMS过程在冬季可能对垂直分层的发展影响更大，因为此时垂直混合达到最大。然而，V?li等人（2024年）检测到SML中的涡旋活动在六月达到季节性最低点，而风强迫和动能的季节性最低点则在四月（早两个月）。他们认为这种时间滞后可以通过较大较强涡旋分解为较小较弱涡旋的过程来解释，这一过程比单个涡旋的生命周期要长。这也表明，由于冬季强烈的垂直混合以及中尺度涡旋的进一步增强，横向浮力梯度可能导致SML在季节性分层发展阶段出现SMS不稳定性。

Salm等人（2025年）通过计算等密度线间距分析了芬兰湾表层和次表层（包括温跃层）中的SMS变化。他们报告说，滑翔机调查和高分辨率建模都显示，在正浮力通量条件下，SML底部的SMS变化达到垂直最大值。作者认为这种间距最大值反映了SMS过程在重新分层SML深层部分的作用（Salm等人，2025年）。这表明SMS过程在SML较低部分活跃，这部分不受大气强迫（对流或风诱导的混合）的直接影响。这与SI（见第2.2节）的条件相符，特别是在存在水平浮力梯度的情况下（例如，由倾斜的等密度线引起的情况，Buckingham等人，2019年）。这一发现为解释温跃层附近盐度和温度逆温现象的发展提供了另一种解释。除了Chrysagi等人（2022年）提出的风驱动的差异性平流和显著表面变暖下的离岸艾克曼输运外，SMS流动的等密度线混合也可能在温度分层和盐度分层的区域产生这种温度（当主要盐度定义垂直浮力梯度时）和盐度（当主要温度定义垂直浮力梯度时）的分布。SMS流动可能是由局部增强的水平浮力梯度附近的SI产生的，背景是温跃层的大尺度倾斜。这一建议与Johnston和Rudnick（2009年）关于SML和温跃层之间SMS变化方差最大的过渡层的观点一致。值得注意的是，当风强迫（混合）到达温跃层时，最高的SMS变化出现在最强垂直浮力梯度附近或略下方（Salm等人，2025年）。

这些结果，连同前一小节的例子，强调了在负浮力通量消失（风暴后）、正浮力通量存在和/或风混合未能完全阻止整个SML时，SMS过程在重新分层SML中的重要性。在SML中存在大的水平浮力梯度的情况下，MLI可以发生以重新分层SML。SML底部的高变化表明那里有活跃的SMS流动，很可能是由于SI。然而，目前尚不清楚这些SMS流动是否负责创建观察到的温度和/或盐度垂直分布的逆温现象，或者差异性平流是否是更主要的驱动过程。关于SML中的混合和波罗的海分层发展的进一步知识空白涉及SMS过程与朗缪尔环流以及SMS过程与表面波之间的相互作用。例如，Hamlington等人（2014年）提出，朗缪尔湍流可以抵消SMS涡旋在SML中的重新分层效应，表明这两种机制之间可能存在重要的相互作用，但这种相互作用仍不完全清楚。

4.1.5 俯冲和垂直通量
波罗的海水柱的最显著垂直混合和各种物质的垂直通量发生在秋季-冬季的对流和风诱导混合期间（Reissmann等人，2009年）。这也是V?li等人（2024年）对波罗的海进行的高分辨率模拟以及其他几个关注其他海洋盆地的研究（例如，Brannigan等人，2015年；Mensa等人，2013年）发现亚中尺度最丰富的时期。当季节性热分层形成时，沿海上升流事件是导致次温跃层水面上升、表层和次表层水混合以及中尺度斜压前沿和急流形成的主要过程（Lehmann和Myrberg，2008年），这些过程可能容易受到SMS不稳定性的影响。据估计，在2006年8月芬兰湾的上升流高峰期，新的表层水中含有85%的次表层水和15%的表层水（Lips等人，2009年）。然而，除了非常简单的近似方法（Reissmann等人，2009年）和一些案例研究（Laanemets等人，2011年；Lass等人，2010年）之外，目前还没有关于波罗的海或其流域中上升流对垂直混合和通量贡献的更普遍的估计。波罗的海的离岸区域也充满了锋面，这些锋面可以通过海表温度（SST）（Kahru等人，1995年）或盐度差异（例如，Pavelson等人，1999年；参见Suursaar等人，2021年的综述）来检测到。这样的锋面为垂直混合过程（SMS）及其相关现象的发展提供了有利条件，包括SMS的俯冲和相关的垂直通量。Siegelman等人（2020年）提出，由于存在的深层SMS锋面，向上的热传输得到了增强。最近，Zhang等人（2025年）引入了另一种不稳定性机制——混合过渡层不稳定性（MTI），它可以解释亚热带海洋温跃层以下SMS的变化。在波罗的海的几项研究中还表明，SMS特征不仅出现在SML（表面混合层）中，也出现在温跃层及其下方（Lips等人，2016a；Salm等人，2023年）。基于高分辨率模拟，Zhurbas等人（2022年）发现，在夏季，SML和内部地区都常见长度为10-20公里、宽度为1公里的SMS不均匀性或条纹，而内部地区并不直接受到大气强迫的影响。他们认为，SI（剪切诱导）和应变诱导的锋面形成可能是这些SMS条纹结构的原因。由于SI条件仅在SML和近底层满足，因此内部的SMS条纹很可能是由应变诱导的锋面形成造成的（Zhurbas等人，2022年）。在等密度面上存在大尺度温度和盐度梯度的情况下，由于涡旋场对大尺度梯度的搅动，温度和盐度分布中也可能形成SMS特征。Salm等人（2025年）进一步提供了SMS驱动的垂直交换的证据。他们将高盐度（作为强烈SMS变化的标志）的发生与侧向浮力梯度和相对垂直涡度进行了比较，使用了芬兰湾的高分辨率、真实模拟结果。他们发现高盐度可能与高涡度相关，但并非总是如此。在温跃层中盐度最高的时期（对应于选定的代表温跃层的密度范围），同一海域的表层Ro值并未升高。相反，这种在近海底层高盐度的情况表现为靠近海岸的地形特征附近Ro值为O(1)（图7）。Salm等人（2025年）认为，盐度与Ro模式之间的空间解耦可能反映了SMS特征在其生成点之外的下游平流和转变。这些结果支持了一种由持续锋面倾斜和垂直剪切驱动的俯冲机制（见图7中的表面和20米深度的电流场），以及由增强的垂直速度驱动的机制。在其他地区也描述了类似的锋面SMS活动（例如，Hosegood等人，2013年）。

尽管下沉流锋面及其相关电流也可能为SMS的出现创造有利条件，但Salm等人（2025年）并未观察到与分析中的下沉流情况相关的类似地下SMS变化增强。SMS模式可能位于分析区域之外，或者因为倾斜的等密度面到达了靠近海岸的近底层，在那里可能发生强烈的微尺度混合。上升流和下沉流情况之间的一个主要区别在于等密度面的暴露情况：上升流时等密度面会暴露出来，而下沉流时则不会。因此，风强迫（湍流混合或下风处的风）的直接影响可能导致上升流情况下锋面的SMS不稳定性，并导致表层水体沿着倾斜的等密度面俯冲。此外，Salm等人（2025年）提出，斜压流的SMS不稳定性可能是由流速与地形特征的相互作用引起的。与这一结果类似，Capó等人（2023年）提出，流速-地形相互作用会产生垂直涡度，这些涡度会被平流带到地下层。在南大洋的几项研究中也展示了地形对SMS变异性和影响SML及内部过程动态的影响（参见Swart等人，2023年的综述）。

表层水及其沿着暴露的锋面等密度面的俯冲，加上从密度跃层上升的水（这可能发生在更大的空间区域内；Verma等人，2019年），可能是分层环境中垂直交换的重要机制（Thomas等人，2008年；Hosegood等人，2013年；Brannigan等人，2017年；Taylor，2018年）。SMS的俯冲过程也可以解释河口盆地（如波罗的海的次级盆地，例如芬兰湾）中的一部分地下混合。然而，目前还没有关于SMS驱动的俯冲在波罗的海影响的定量估计。此外，不稳定性的主要来源——无论是斜压流与地形的相互作用、SI（剪切诱导）还是锋面的其他SMS不稳定性（可能由局部变化的强迫增强），或者Zhurbas等人（2022年）提出的应变诱导的锋面形成——尚未完全理解。这些问题可以作为未来研究波罗的海SMS动态的基础。

4.2. 流速-地形相互作用
尽管表层SMS已经被广泛研究，但海洋内部的对应现象仍然很大程度上未被探索。然而，最近主要关注能量密集型流系统的研究（如墨西哥湾流（Gula等人，2015年；Gula等人，2019年）、加利福尼亚潜流（Molemaker等人，2015年；Dewar等人，2015年）和南极绕极流（Naveira Garabato等人，2019年；Siegelman，2020年）表明，SMS在海洋内部普遍存在。这些过程主要源于沿倾斜底部的流速-地形相互作用。因此，强烈的沿坡流和陡峭的海底坡度似乎促进了海洋深层SMS的发展（Dewar等人，2015年；Wenegrat和Thomas，2020年）。上述SML中的许多不稳定性在BBL（边界层）中也有对应现象，其中底部摩擦和混合产生了它们发展所需的侧向浮力梯度（Gula等人，2015年）。在倾斜的BBL中，另一个过程是摩擦产生的垂直涡度，如果边界层分离，这些涡度可能会被带到外部，根据流速相对于底部的方向，会产生气旋或反气旋涡旋（Gula等人，2015年）。有一些迹象表明，尽管波罗的海缺乏强烈的永久性水流或能量密集的潮汐流，但后者过程对波罗的海深层水可能很重要。

4.2.1. 地形驱动的SMS生成
来自高分辨率、真实模拟的初步结果显示，在波罗的海主体内部，尤其是在主密度跃层下方（位于约80米深度，Chrysagi等人，2021年），在秋季条件下，丝状结构、锋面和螺旋状涡旋非常普遍，如图8中的东哥特兰盆地所示。这些内部结构的特点是O(1) Ro动力学，表明它们属于SMS范畴。它们主要来源于侧边界，在那里，沿坡流的底部摩擦产生的垂直涡度导致了Ro值的增强，如图8b所示。这与早期研究结果一致，即当内部水流沿着倾斜地形移动时，底部摩擦会产生水平剪切，从而产生垂直相对涡度（增强的Ro值）。这些Ro值增强且潜在涡度较小的区域（未显示）在边界层分离的情况下可能会被带到BBL之外。一个典型的例子可以在图8a中看到，大约位于20.4°E和57.2°N的位置，那里的剪切流卷曲形成了一个反气旋涡旋。

为了进一步突出这一过程，在80米深度的BBL内释放了一种被动示踪剂（图8b）。示踪剂显示出与Ro异常紧密对齐的明显结构（图8a），表明非地转特征通过最初捕获示踪剂然后将其从边界带进入分层内部来控制侧向扩散。因此，SMS似乎促进了边界层与内部之间的交换，这与早期研究结果一致（Naveira Garabato等人，2019年）。这种由SMS动态介导的内部-BBL交换过程在波罗的海和类似的海洋及湖泊系统中可能特别重要，因为在这些系统中，生物地球化学的深层水特性在很大程度上受到底部通量的控制。

最近的一项观测研究（Muchowski等人，2023b）强调了小尺度地形起伏对等密度面和层间混合的重要性，这是基于奥兰海西部的数据。该地区的地形在水平尺度上非常崎岖，大约为100-200米，而在接近波罗的海主体盐度跃层深度的地方，垂直地形变化约为20米。使用微结构和宽带回声测深仪剖面研究了这种具有小尺度海底特征的区域（Muchowski等人，2023b），发现盐度跃层中的湍流动能和层间混合的耗散率显著增强。解释这种强烈混合的主要假设之一是由流速绕过海底特征及其背后的边界层分离产生的地形尾流涡旋。另一个假设是内部背风波的破碎。这两种过程都将能量直接从大尺度平均流转移到SMS波数范围内，这种波数范围受到侧向地形尺度的影响。波罗的海北部大部分地区的崎岖海底表明，类似的过程可能普遍存在。

在陡峭地形上的分层流动为大尺度正压流和斜压流提供了直接途径，使其转化为SMS和小尺度特征及湍流，尽管并非所有过程都严格符合SMS的定义。在北部奥兰海的Quark sill上，使用微结构观测、系泊的ADCP和宽带回声测深仪研究了斜压流（Muchowski等人，2022年；Muchowski等人，2023a；见图2b中的位置）。非潮汐流显示出类似于峡湾 sill上的潮汐流的特性，包括最深水域的部分阻塞，有时会出现超临界溢流和下游的水力跳跃，大型翻转涡旋的垂直尺度约为100米，背风波的侧向尺度与sill相似（约500米）在盐度跃层中破碎，以及盐度跃层中明显的Kelvin-Helmholz波动，其水平尺度较小（约50米）。这些小尺度动态在现有的波罗的海模型中可能没有得到很好的描述，但对波罗的海主体与波的尼亚湾之间的水交换以及由于混合导致的水体修改非常重要（Muchowski等人，2023b）。关于背风波和垂直翻转涡旋的2D解释可能也过于简化了（例如，Klymak和Gregg，2001年），这意味着存在一个包括SMS尺度的大型垂直涡旋在内的3D连续体。

4.2.2. 底部重力流和入侵
来自北海的咸水流入，包括主要的波罗的海流入（MBIs），强烈影响了深盆地的水文条件和波罗的海的整体环境条件（例如，V?li等人，2013年；Eilola等人，2014年；Carstensen等人，2014年；Meier等人，2018年；Mohrholz，2018年；Naumov等人，2023a；Naumov等人，2023b；Barghorn等人，2023年；Barghorn等人，2025年）。许多研究都集中在这些盐水的流入过程本身，以及它们如何带动周围水体，因为盐水被输送到波罗的海中央的深层盆地（例如，Meier等人，2004年；Meier等人，2006年；Arneborg等人，2007年；Burchard等人，2009年；Rak，2016年；Bulczak等人，2016年）。在这些早期研究的基础上，最近的高分辨率建模提供了更定量的视角。Henell等人（2025年）利用高分辨率数值模型和新的分析框架，量化了MBI期间的水团转换，并估计了MBI路径及其向东传播到波罗的海中央的可预测性。同时，也有补充的观测进展。虽然大多数关于MBI的观测都是基于间接证据（例如，水团性质的变化），但自主采样系统的发展（Prien和Schulz-Bull，2016年）使得首次能够直接观测到MBI过程中的入侵水团和混合参数（Holtermann等人，2017年）。密集的盐水流入可能会导致快速的底部重力流，并在下游盆地形成密集盐水水的循环池，这两者都可能容易受到SMS不稳定性的影响。然而，在Kriegers Flak以北的波罗的海进行的最详细的研究中，并未发现这种不稳定性的明显迹象（Umlauf等人，2007年；Umlauf和Arneborg，2009a年；Umlauf和Arneborg，2009b年）。该研究分析了一条宽度约为10公里、密度接近1的密集重力流，它流入了Arkona盆地，使用了观测数据（Umlauf等人，2007年；Umlauf和Arneborg，2009a年；Umlauf和Arneborg，2009b年）和理想化模型（Umlauf等人，2010年）。研究揭示了重力流内部相对较强的横向密度梯度，这是由界面流体向地转和摩擦平衡重力流的浅侧移动所维持的。有人推测，由于界面流在深层的分流作用，界面的挤压有助于生成界面水，从而减少了界面梯度Richardson数，从而降低了不稳定性的发生。有趣的是，尽管横向密度梯度达到10^-5 s^-2，即比表层SMS前沿典型的横跨浮力梯度高出一个到两个数量级，但仍未观察到对称不稳定性的迹象。我们将这种缺乏SMS不稳定性的现象归因于重力流通过地形构造的通过时间相对较短（与惯性周期相比），没有足够的时间让SI增长。

新型的自主剖面平台使得能够详细研究MBI期间波罗的海中央深层水体的时间演变（Holtermann等人，2017年），并强调了频繁发生的小规模入侵事件的重要性，这些事件将含氧水带入盐度跃层及其以下区域。后来，Holtermann等人（2020年）表明，这些入侵事件构成了全年波罗的海深层水动力学的组成部分，独立于MBI活动。它们影响（甚至决定了）停滞期间的氧化还原跃层深度，并且与普遍认为MBI是深层水最重要氧气来源的观点相反，研究表明它们的贡献是MBI的10倍。通过在波罗的海盐度分层的深层引起小规模温度反转，小规模侧向入侵也可能创造有利于双重扩散的条件。基于线性稳定性分析，Kuzmina等人（2005年）提供了波罗的海中央双重扩散的间接证据（基于稳定性参数），并认为这是驱动热盐交错的关键因素。Umlauf等人（2018年）从Bornholm盆地提供了波罗的海双重扩散阶梯的第一个直接观测证据。他们的微结构数据来自滑翔机和自主剖面系统，显示在米级入侵边缘形成了快速的（厘米级）温度阶跃，约为1K。根据他们的高分辨率温度数据，计算出的双重扩散热通量约为10-100 W m^-2，这是海洋中观测到的最大值之一。波罗的海其他地区的类似研究仍然不足。

盐水流入会影响盐度跃层以下的波罗的海氧气状况：它们通过直接输送氧气在短期内改善氧气条件，但同时也加强了垂直分层并减少了垂直氧气通量，导致长期氧气不足。在芬兰湾，MBI最初可能会恶化近底氧气条件（Laine等人，1997年；Lessin等人，2014年）。2014年12月的盐水流入对芬兰湾的影响比在Gotland Deep的影响晚了九个月（Liblik等人，2018年）。研究表明，Gotland Deep与东北部盆地之间的屏障上的密集水溢流受到大气强迫的影响（Liblik等人，2022年）。芬兰湾的氧气和营养动态与北部波罗的海的状况以及风强迫有关（Lehtoranta等人，2017年）。然而，简单地将物理过程对次表层氧气动态的影响分为水平平流和垂直混合（后者通过局部垂直分层参数化），而不考虑沿倾斜等密度面的（SMS）混合，可能会导致这种影响的估计偏差（Stoicescu等人，2019年；Stoicescu等人，2024年）。类似的溢流也发生在Irbe海峡，从Gotland Deep向芬兰湾和?land Sea的方向，在分层季节，Gotland Deep的季节性温跃层和盐度跃层之间的水会流向里加湾（Lilover等人，1998年）。这些流入的水团进一步通过整个盆地的环流传输，在夏季月份这种环流是反气旋的（Lips等人，2016b年）。它们经历斜压不稳定性（Lips等人，2016c年），并在次表层形成SMS斑块（Liblik等人，2017年）。这些流入通过带来更多氧气来影响里加湾的近底氧气条件，但同时加强了深层的分层（Stoicescu等人，2022年）。观察到的短期变化表明动态受到多尺度控制（Liblik等人，2023年），由于局部消耗量大，因此难以量化与流入相关的改善（Liblik等人，2023年；Stoicescu等人，2022年）。因此，需要高分辨率观测和模型运行来区分河流输入、局部沉积和消耗以及物理过程对里加湾近底氧气动态的影响。

驱动盐度跃层及其以下垂直混合的过程仍然缺乏量化（Reissmann等人，2009年），但有证据表明SMS和SMS尺度过程可能起着重要作用。在Gotland Deep进行的示踪剂释放实验（BATRE实验）结合微结构测量清楚地表明，当示踪剂接近倾斜的BBL时，主要发生的是垂直混合（Holtermann等人，2012年；Holtermann等人，2022年），这也在其他地球物理环境中得到证实，例如深海、湖泊和峡湾。底部增强的混合主要归因于盆地尺度的地形波、深层边缘流和近惯性波（Holtermann和Umlauf，2012年），但SMS过程的潜在贡献尚未被研究。为了进一步理解，需要结合观测和高分辨率模型研究。正如第3.3节和第3.4节所强调的，这些努力应该（1）验证高分辨率模型是否正确表示了在平滑倾斜底部以及较粗糙地形上的SMS过程和其他类似长度尺度的过程，特别是在水团转换、垂直混合以及底边界层与内部之间的水交换方面；（2）开发参数化方法，以便在较粗糙的模型中也正确包括这些过程，从而改进这些模型中的垂直和侧向混合，以及耦合的物理-生物地球化学模型中底边界层和内部生物地球化学过程的耦合。

4.3 多尺度相互作用、能量传递

根据2009-2012年夏季的ferrybox观测，在相对较大尺度上存在较高水平浮力变化的时期，5米深度的温度波数谱的斜率为-2或更平缓（图9；Lips等人，2016a）。这表明方差与SQG预期（谱斜率为-5/3）大体一致，涡流生成主要由SML中的斜压不稳定性主导（MLI；Balwada等人，2024年）。根据scanfish观测，在表层和温跃层中，固定深度的温度波数谱的斜率也约为-2（图9；Lips等人，2016a）。这种在次表层（不仅限于SML）的斜率与理论不符（理论要求表面附近为-5/3，内部为-3），表明这些尺度上存在非地转流动（Callies和Ferrari，2013年）。这些观测表明，SMS动力学在波罗的海表层和温跃层中是活跃的，改变了经典的能量级联。

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图9. 温度方差波数谱的示例：(a) 基于2010年7月22日芬兰湾scanfish数据的温跃层（细曲线显示以15和25 dbar为中心的10米层的平均值，粗曲线显示3.5-32米层的整体平均值）；(b) 基于塔林-赫尔辛基ferrybox数据的表层（细曲线显示不同时间的平均值，粗线显示2011年6月29日至8月31日整个分析期间的平均值）；(c) 基于2018年5-6月滑翔机数据的温跃层和深层（粗曲线对应于所选等密度范围内的平均值；来自Salm等人，2023年）。

分析等密度面上温度和盐度的波数谱有助于区分由SMS驱动的搅动和内波信号，因为内波对沿等密度面的温度和盐度偏差的影响很小（Ferrari和Rudnick，2000年）。Salm等人（2023年）分析了滑翔机测量数据，发现在中尺度斜压锋面存在的情况下，等密度面温度的波数谱在表层和温跃层的斜率接近-2，在最低温度层以下的层中则更平缓（图9）。为了解释这一点，重要的是要记住，等密度面温度的波数谱的-2（-1）斜率分别对应于动能（势能）波数谱的-2（-3）斜率。这种相对较陡的波数谱斜率（k^-2）与SQG理论不符，该理论预测在这些次表层尺度上谱方差更平缓，例如由于内部QG湍流或大尺度流动的非局部搅动（Callies和Ferrari，2013年）。Balwada等人（2024年）基于南极环流附近的滑翔机测量，报告了在中尺度-亚中尺度过渡处等密度面温度变化的类似-2斜率。他们得出结论，这种谱形状表明SMS变异性主要由SMS流动引起的局部非地转搅动驱动。然而，Salm等人（2023年）在5.7-6.0 kg m^-3等密度面（最低温度以下）的温度波数谱显示了更平缓的斜率（图9c），表明SMS的影响减弱，这些深度的动力学更多地由内部过程主导。

Lilover等人（2025年）分析了芬兰湾同时测量的温度、盐度和电流的垂直剖面（位置在图2b中用红色圆圈标记）。他们发现等密度面上的温度谱斜率为-2，这是活跃SMS过程的特征。需要注意的是，他们在频率域分析了这些谱，如果假设流动场是冻结的，可以与波数域的谱进行比较（Balwada等人，2024年）。在温跃层中，高频温度波动加剧的时期与速度场的显著变化相吻合，这表明温度和流动变化之间存在动态联系。研究者推测，大约50%的高频温度变化（特别是周期小于36小时的高强度波动）可以由表面混合（SMS）过程解释，剩余的50%则由等密度面的垂直运动（内波）引起。这一估计是通过比较高温波动期间恒定深度处的高频温度变化与相邻深度范围内等密度面处的温度变化得出的。通过计算等密度面温度变化的谱密度来验证等密度面时间变化的是否可归因于SMS过程，结果发现谱密度在任何频率上都没有峰值，包括惯性振荡的频率（Lilover等人，2025年）。谱密度的缺失支持了这些变化是由宽带SMS搅动而非相干波动产生的观点。研究结果表明，SMS过程与内波共同为能量从大尺度传递到微尺度提供了途径。然而，需要注意的是，如果沿等密度面的示踪剂梯度较弱，SMS的特征可能无法通过示踪剂在等密度面上的变化来检测到。因此，当某一深度（压力）层上的温度变化主要由内波引起时，SMS过程是否活跃仍不清楚。

在上述分析中，我们主要关注SMS过程作为能量从大尺度过程传递到微尺度耗散的途径。然而，SMS过程也可以将能量从小尺度传递到大尺度运动，从而影响整体环流和密度（温度和盐度）的分布。例如，SMS斜压不稳定性可以从SML中的水平浮力梯度所蕴含的势能中获取能量，这种动能可以在亚中尺度上向上级传递并驱动更大尺度的流动（Taylor和Thompson，2023年）。这种多尺度联系越来越被认为是双向的，而不仅仅是单向的。波罗的海的例子表明不同尺度过程之间存在类似的联系。在强风作用减弱后，MLI（混合层内波）可能会出现，并将储存在水平浮力梯度中的势能转化为动能（Carpenter等人，2020年；Chrysagi等人，2021年）。此外，当大气强迫无法到达这些深度时，SML底部产生的SMS流动可能是导致高示踪剂浓度（沿等密度面的SMS变化）以及示踪剂在大范围内横向扩散的原因（Salm等人，2025年）。此外，有人提出SMS俯冲过程可以连接小尺度边界层湍流和环流尺度（Wenegrat等人，2018年）。类似地，波罗的海中的一般密度（温度和盐度）分布和环流的形成也可以归因于SMS不稳定性以及SML和BBL（浅海层）中的混合过程。

图10展示了不同空间尺度过程之间的相互联系（图中显示了波罗的海的情况），突出了有无SMS过程时概念上的差异。如果假设内重力波是能量从中尺度传递到微尺度的主要途径（图10a），那么由波浪破碎或边界层过程引起的湍流混合及其伴随的耗散会被更大尺度上的能量输入所平衡。相反，如果SMS过程起作用，则存在额外的能量传递循环（图10b）。这引入了一个更复杂且双向的多尺度级联机制，其中从大尺度过程传递到微尺度耗散的能量部分通过这些途径转化为SMS流动。

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图10. 从盆地尺度到微尺度过程的简化示意图，其中（a）内重力波（IGW）作为能量传递的主要途径，（b）SMS过程引入了额外的途径。能量传递由实心箭头表示，虚线箭头表示混合对势能（PE）及其转化为动能（KE）的影响。在这两种情况下，大尺度上的能量输入最终都通过微尺度上的混合和耗散得到平衡。然而，（a）包括了中尺度上的潜在反馈，而（b）由于MLI和SI/TTW（表面-内部-垂直波）的存在，引入了额外的反馈循环。例如，MLI利用储存在侧向浮力梯度中的势能生成SMS流动并重新分层水柱。同样，局部混合（加上SML中的迎风流动）会在倾斜的等密度面上产生SI（表面-内部波）和俯冲现象。因此，部分可用能量首先用于重塑密度结构并重新分配示踪剂沿等密度面的分布（这有助于内部混合），然后再向下级传递以进行耗散。所有这些流动都可能引起二次混合。此外，TTW（浅海-深层波）中的锋面平衡创造了到达SI的额外途径，提供了另一种由SMS驱动的垂直和横向交换途径。

这些不同尺度之间的能量传递循环与没有SMS过程时预期的势能波数谱较平缓的斜率相符，因为更多的能量在SMS区域内被保留和转化。此外，这也与SMS区域内示踪剂变异性衰减更快相符（即示踪剂波数谱的斜率更陡），因为活跃的SMS过程会沿等密度面重新分配示踪剂。综上所述，这些论点和例子表明，能量输入与耗散之间的平衡可能导致不同盆地尺度上的温度、盐度、密度和其他示踪剂的分布不同，这取决于假设的能量传递途径以及是否考虑了SMS过程。

4.4. 大尺度和长期影响
基于早期测量（Palmén，1930年）和数值模拟（Lehmann和Hinrichsen，2000年；Andrejev等人，2004年；Meier，2007年），人们认为波罗的海及其子盆地（如芬兰湾和里加湾）具有典型的气旋环流模式（Elken和Matth?us，2008年）。然而，对于芬兰湾，高分辨率模型的结果对此提出了质疑，尤其是在考虑不同季节和时期时（Westerlund等人，2019年；Maljutenko和Raudsepp，2019年）。模型预测的表层环流和盐度分布与观测结果之间的差异被归因于南部海岸附近的垂直混合更强（Maljutenko和Raudsepp，2019年）。SMS过程是否起作用仍是一个未解决的问题（高分辨率模型应考虑其贡献），网格参数化是否对定义残余环流至关重要（因为更细的网格需要调整参数化），或者数值混合是否影响结果（目前仍不清楚哪些模型更准确地模拟了动力学和环流）。

波罗的海是一个强分层的、类似峡湾的盆地，这一分类基于淡水弗劳德数和混合数（Geyer和MacCready，2014年）。Lips等人（2017年）认为芬兰湾属于分层河口，除非大气强迫产生了能量自振荡（潮汐波）。Burchard（2020年）提出了一种普遍的河口混合定律，结合了盐度坐标（Walin，1977年）、克努森关系（Knudsen，1900年）、总交换流（MacCready，2011年）、混合定义为盐度方差损失（Burchard等人，2009年；Burchard和Rennau，2008年）以及混合-交换流关系（MacCready等人，2018年）的方法。这种方法估计河口混合具有前景，因为在Ro为O(1)的尺度和条件下，传统的垂直（3D各向同性）和水平（QG）混合划分并不直观。

为了全面理解波罗的海的整体温盐结构和环流形成，需要结合建模和观测研究来关注小尺度变化（Lehmann等人，2022年）。正如Henell等人（2023年）所展示的，应用Burchard（2020年）提出的、Klingbeil和Henell（2023年）进一步发展的河口混合框架可以识别出对形成翻转环流至关重要的混合热点。关于海洋经向翻转环流（Ferrari等人，2016年）和波罗的海翻转环流（Henell等人，2023年；Lehmann等人，2022年；D??s等人，2004年；Placke等人，2021年）中向上混合的途径，争论仍在继续。利用观测到的温度和盐度数据以及假设的垂直浮力通量和扩散率剖面，Hieronymus等人（2025年）表明波罗的海也支持一种翻转环流，其特征是BBL（浅海层）中的上升流和分层内部中的下沉流。此外，还必须考虑混合和SMS强度的季节性变化（V?li等人，2024年）。

最近的模型比较显示，分辨率和SMS过程的表示强烈影响示踪剂的传输和环流。高分辨率和低分辨率模拟的比较表明，低分辨率模型（没有SMS过程）中的表层传输通常更大，示踪剂更快地从河口和沿海区域移开，因为低分辨率设置中的表层电流更为持久（V?li等人，2025年）。这导致例如芬兰湾和里加湾北部海岸的示踪剂浓度更高（V?li等人，2025年）。然而，计算出的模式更为复杂。更高的空间分辨率一方面意味着沿海电流的水平速度更高，另一方面也意味着垂直速度更高，从而导致示踪剂的扩散率增加和表层传输量减少。尽管使用的方法不同（拉格朗日粒子与欧拉示踪剂），Hariri等人（2024年；Hariri等人，2025年）发现高分辨率和低分辨率模拟中哥特兰盆地的粒子扩散情况相似。Hariri等人（2024年）估计，根据是否包含SMS过程，粒子在沿海区域和盆地中心之间的传输时间相差15-43%，这取决于所应用的水平分辨率。这种差异反映了由于源位置不同而导致的传输时间差异。因此，使用最先进的环流模型进行多年模拟时，可能无法准确描述大尺度粒子扩散和不同沿海区域之间以及沿海区域与近海区域之间的连通性。

例如，由于斜压不稳定性和相关的SMS过程，哥特兰盆地西北部以涡旋形成增加为特征，这促进了粒子的水平和垂直扩散，尤其是在没有强沿海电流的区域尤为明显（Hariri等人，2025年）。在粗分辨率模型中，这种SMS活动被低估了。有趣的是，当考虑SMS过程时，模拟出的盐度变化更大，而温度变化基本不变，表明垂直SMS结构的时间尺度相对较短（V?li等人，2025年）。然而，在子盆地中心，有无SMS过程的模拟之间的差异较小，表明沿海-近海交换总体上处于准稳态平衡。

我们不知道所研究的高分辨率模型是否准确描述了SMS过程，因为由于缺乏高分辨率观测数据，系统验证仍然有限。此外，可靠的SMS动力学参数化也尚未建立。

4.5. 对水柱生物地球化学和通量的影响
如果不了解内部动力学（即负责物理混合的过程），就很难量化物理过程在营养盐浓度和氧气浓度变化中的作用（Fennel和Testa，2019年；Stoicescu等人，2019年；Stoicescu等人，2022年；Naumov等人，2023a；Naumov等人，2023b）。由于波罗的海中水平浮力梯度普遍存在，与SMS过程相关的侧向和垂直通量也塑造了营养盐层、氧化还原层以及次表层叶绿素-a（浮游植物）的最大值分布（Lips等人，2016a）。在其他海域，已经证明在1到10公里的尺度上，涡旋驱动的俯冲可以导致SML中的水体间歇性注入，并将颗粒有机碳（POC）输送到深层（Omand等人，2015年）。另一方面，在夏季后半段，SMS诱导的传输和变化对于维持表层背景营养盐浓度较低时的次级生产力最大值至关重要（Zeng等人，2022年）。

次表层叶绿素-a和浮游植物的最大值（图4）是波罗的海夏季浮游植物分布的常见特征（Kononen等人，1998年；Lips等人，2010年）。Lips等人（2011年）估计，甲藻物种Heterocapsa triquetra（Ehrenberg）Stein在芬兰湾的次表层形成生物量最大值时，能够以高达1.6米/小时的速度进行垂直迁移。Lips和Lips（2014年）讨论了夜间向下迁移、不同步的向上运动（需要更多时间）以及分层流（SMS）在形成H.triquetra及其生物量在表层附近的双峰分布中的潜在作用。然而，这种模式与生物体的垂直迁移（Lips等人，2011年，Lips和Lips，2017年）或物理中尺度和SMS过程（Berdalet等人，2014年，Lips和Lips，2014年）之间的关联程度仍然是一个未解之谜。因此，SMS过程可能会影响生产力，但这种影响可能因生物体而异（Hernández-Hernández等人，2020年）。此外，正如对波罗的海南部类似涡旋的连贯结构内生物地球化学过程的简化模拟所显示的那样，SMS动态可以促进特定浮游植物群的生长（Vortmeyer-Kley等人，2025年）。总体而言，人们认为活跃的SMS过程会增加生产力（Lévy等人，2012年）。另一方面，研究表明，在上升流前沿和细丝的明显侧向密度梯度处，富含有机物的上升流水体会发生下沉（Nagai等人，2015年）。Kessouri等人（2020年）提出，SMS流会降低生产性沿海地区的生产力，同时增强营养物质的向上输送，并在离岸区域促进新的生产。来自重复滑翔机测量的数据表明，由于斜压流的不稳定性，可能会发生SMS下沉（Salm等人，2023年，Salm等人，2025年），这些数据可以用来揭示芬兰湾次表层叶绿素-a最大值的发展及其对浮游植物动态的影响。

Norman等人（2013年）、Jacobs等人（2021年）和Lainela等人（2024年）研究了物理过程对波罗的海海气交换中二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）的影响。Norman等人（2013年）调查了波罗的海哥特兰岛东海岸的四次上升流事件（七月两次，十月两次），而Jacobs等人（2021年）分析了从吕贝克-特拉维明德到赫尔辛基的渡轮线八年间的机会观测数据（SOOP数据）。两项研究都发现了上升流区域pCO2（和cCH4）与海表温度（SST）之间的关系。上升流事件使表层水从碳汇转变为碳源，从而加剧了CH4的释放（Jacobs等人，2021年）。十月和七月的pCO2-SST相关性有所不同，这可能是由于水柱中热分层和总无机碳的季节性差异所致（Norman等人，2013年）。Lainela等人（2024年）将芬兰湾和里加湾表层pCO2和cCH4的局部最大值与河流涌出、沿海上升流事件以及浅水区达到海底的垂直混合过程联系起来。可以认为，上升流事件对整个波罗的海碳预算有重大影响。然而，由于表层缺乏高分辨率观测数据以及水柱中的同时测量数据，加上沿海地区CO2的高变异性，使得准确估计通量变得复杂。例如，Lainela等人（2024年）得出结论，尽管季节性平均表明波罗的海盆地的大气CO2汇较弱，但仍需要更多数据来证实这一点。此外，SMS过程对海气通量的影响在波罗的海尚未得到研究。同时，Resplandy等人（2009年）指出，由于采样不足，从观测到的pCO2得出的海气通量可能存在15%到30%的误差。K?hn等人（2017年）观察到秘鲁上升流区域亚中尺度CO2的高变异性。

海气通量也对波罗的海的微生物生活产生影响（Ploug，2008年）。在平静天气下，在海气界面积累的蓝细菌层中，光合作用非常活跃。海气界面的净氧气通量平均是下层聚集体-水界面的2.7倍。在黑暗中，光合作用停止，导致氧气浓度因消耗和扩散而下降。pH值对光线的响应也类似：微环境的pH值在7.4到9.0之间变化，取决于从黑暗到饱和光的过渡。

总之，关于SMS过程对海气通量影响的研究在波罗的海几乎不存在。然而，已经存在高分辨率的滑翔机和扫描鱼数据集，可以用来分析温度和盐度的等密度面变化及其作为被动示踪剂的统计特性，这些特性可能受到物理过程和生物行为的影响。这样的分析可以帮助我们验证浮游植物（和纤毛虫）是否可以利用中尺度和亚中尺度的物理过程来增强其生长和分布。

本文概述了过去几十年的研究结果，展示了SMS过程的存在及其与波罗的海分层结构中相邻尺度过程的相互联系。在表层，由淡水输入和咸水输入引起的空间浮力梯度，以及中尺度搅动和拉伸，为SMS不稳定性创造了有利条件。当大气强迫加深表层混合层（SML）时，可能会出现大的空间浮力梯度，导致斜压不稳定性并重新建立垂直分层。此外，如果对流和风诱导的混合没有占据SML的整个深度，SML下部的空间浮力梯度会产生SMS流。因此，SMS过程在海表层分层的形成和维持中起着重要作用。垂直分层的发展不能简单地用一维过程来近似；相反，SMS过程抵消了对流和风诱导的垂直混合，维持分层强度，这不仅取决于大气强迫，还取决于空间浮力梯度。在SML下部、温跃层（或冬季和早春维持的盐度跃层）上方，有利于SMS不稳定性的发展，这可能导致SMS流重新分配水体属性。当温度或盐度在垂直分层中占主导地位时（早春的盐度，夏季的温度），这种效应尤为明显。可以假设即使在温度或盐度逆温不明显的情况下，这种机制也会起作用。在从大气获得正浮力通量的条件下，检测到的盐度最大值位于SML底部最强的浮力梯度附近，为这一过程提供了证据。

波罗的海中的斜压锋面和电流，由背景盐度和温度梯度驱动，其中尺度搅动以及沿海上升流和下降流事件，有利于SMS流和下沉的发展。SMS下沉似乎是延长流域（包括其离岸区域）垂直混合的重要贡献者。由于锋面动态和上升流事件，次表层水体会直接受到大气强迫并与表层水混合。在锋面处发展的SMS不稳定性导致这些混合水下沉到温跃层以下，特别是在陡峭的等密度面达到海面或SML底部时。这种机制为次表层中的混合提供了一种不同于由内波破裂引起的混合的方式。然而，导致SMS不稳定性的具体机制可能不同，包括斜压（地转）电流与地形的相互作用，以及各种类型的不稳定性，如SI。SMS流可能由于重力（由浮力通量或前向风强迫提供的能量）、惯性或剪切诱导的不稳定性而产生。类似的内部混合机制也可以用于近底流，其中混合发生在倾斜的海底和粗糙的地形附近。然后，SMS流在流域中扩散这种影响，特别是在等密度面倾斜的情况下。

因此，SMS过程在塑造河口盐度和其他物质的空间分布中起着重要作用。它们阻碍了表层淡水向盆地中心的快速输送，但更有效地将其输送到离岸区域的次表层。通过比较低分辨率模型和能够解析SMS的模型（或允许SMS的模型）的结果，已经证明了SMS过程对沿海-离岸交换的影响。然而，这些高分辨率模型仍需要更广泛的验证。尽管如此，结果表明，当明确解析SMS过程时，模型结果与使用QG参数化子网格水平混合的低分辨率模型得到的结果有显著差异。

SMS过程对波罗的海生物地球化学的影响仍不完全清楚，特别是它们对碳系统及其相关通量的影响。夏季，次表层中常见的浮游植物SMS斑块表明，由于浮游生物不是被动示踪剂（甲藻和纤毛虫能够进行垂直迁移），SMS流在形成这些斑块中的作用尚不清楚。然而，可以假设，类似于浮游动物利用河口环流的方式，浮游植物也可能利用SMS流进行垂直移动，以获取深层营养并在光合作用层进行光合作用。通过比较被动示踪剂和沿等密度面叶绿素-a变化的统计数据，可以对此问题有所了解。因此，由于背景侧向浮力梯度和活跃的中尺度过程，波罗的海是一个独特的自然实验室。我们得出结论，波罗的海盆地具备进行SMS分析所需的专业知识和研究基础设施。然而，适合的高分辨率数据集以及结合这些数据的潜在协同作用尚未得到充分利用。以下主题和活动可以作为未来几年合作或由个别研究小组或整个社区针对SMS过程开展项目和实验的基础：
- SMS下沉：应沿沿海-离岸剖面进行滑翔机任务，并进行现实的高分辨率模拟，以展示和量化SMS下沉的效果。目标是描述下沉过程及其与背景中尺度动态和大气强迫变化的关系。将进行微结构测量，以描述与SMS特征相关的湍流混合。
- SML中空间变异性的多尺度分析：将分析由研究船上的流式系统收集的数据，以揭示SML中不同尺度过程之间的联系。将生成潜在能量的波数谱和空间分箱的示踪剂变化统计数据，并对其进行解释。将SML的数据与水柱的数据（同时滑翔机测量、扫描鱼拖网和CTD投掷）结合起来，以研究水平梯度和垂直分层之间的潜在联系。除了其他结果外，这项分析还将描述季节性（或区域）中热盐（SMS）变化情况，包括温度主导的分层（Su等人，2018年）和盐度主导的分层（Hilditch等人，2025年）。模型实验应补充这一分析。
- 高分辨率映射和建模河流羽流，以改善对波罗的海系统中河水混合和命运的了解。在淡水来源附近的即时混合可能对海洋水和陆地水之间的总混合预算做出重大贡献。最近出现的微型AUVs是在河口进行原位实验的有希望的平台，当与使用非结构化网格的数值模型结合时，可以增进对这些具有强梯度的系统的了解。这些知识对于理解波罗的海系统和一般河口系统至关重要。
- 近底层和内部混合——SMS过程的作用：来自波罗的海不同位置的重复滑翔机测量的数据越来越多（例如，VOTO观测站，图2b）。可以检查这些数据中的SMS结构，以及靠近倾斜地形和粗糙地形的情况。在SMS活动高的位置，应进行结合微结构观测和高分辨率模型研究，以量化SMS过程在垂直混合和等密度面混合中的作用，以及将底栖通量与内部水体连接起来。
- 模型实验：目前仅有针对波罗的海的一项多年高分辨率模型模拟结果，其水平网格步长为250米。该模拟结果尚未经过校准，因此需要利用现有观测数据对其进行评估和重新校准。通过使用不同水平分辨率的示踪实验，可以研究海洋表面交换（SMS）对颗粒物扩散、连通性及停留时间等参数的影响。

• 海洋表面交换（SMS）过程与海底叶绿素-a分布：通过分析重复飞行器观测数据得到的等密度面上被动示踪剂和叶绿素-a的分布变化，可以揭示海底叶绿素-a的斑块状分布中有多少是由物理过程（包括SMS作用）所导致的。
• 海洋表面交换（SMS）过程与海冰：在整个冰季期间在表层开展高分辨率观测，以探测冰缘对海洋表面交换动态的影响，以及融化水产生的浮力梯度对海流形成的作用，并评估这些海流是否通过改变与大气的热交换对波罗的海产生影响。

**作者贡献声明：**
Urmas Lips：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化设计、概念构思。
Kai Salm：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化设计。
Germo V?li：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化设计。
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**资金支持：**
Urmas Lips、Kai Salm、Germo V?li和Taavi Liblik获得了爱沙尼亚研究委员会（项目编号PRG602）的资助；Anna I. Bulczak获得了欧洲航天局（ESA）的资助（项目编号4000143924/24/I-DT）；Evridiki Chrysagi获得了德国研究基金会（DFG）的资助（项目编号274762653，合作研究中心TRR 181“大气与海洋中的能量传输”，子项目T2）；Jaromir Jakacki获得了由波兰教育与科学部资助的Argo-Poland项目（项目编号2022/WK/04）的资助。