表面層

表面層是流體中的層，其中湍流渦流的規模受到渦流與界面的接近程度的限制。上面以白色突出顯示的對象是湍流渦流，其大小受每個渦流中心與表面的接近程度的限制。

表面層是受與固體表面或分離氣體和液體的表面相互作用影響最大的湍流流體層，其中湍流的特性取決於與界面的距離。表面層的特點是切向速度的法向梯度和輸送到界面或從界面輸送的任何物質（溫度、水分、沉積物等）的濃度梯度都較大。

邊界層一詞用於氣象學和物理海洋學。大氣表層是大氣邊界層的最低部分（通常是對數風廓線有效的底部 10%）。海洋有兩個表層：位於海床上的底棲生物和位於海氣界面的海洋表層。

數學公式

可以通過首先檢查通過表面的湍流動量通量來導出表面層的簡單模型。 可以用雷諾分解，將水平流拆分為緩慢變化分量 ${\overline {u}}$ 和一個湍流分量 $u'$ 的和：

$u={\overline {u}}+u'$

類似地，豎直流動分量 $w$ 可以拆分為

$w={\overline {w}}+w'$

我們可以表達通過表面的湍流動量， $u_{*}$ ，作為水平湍流動量的垂直湍流傳輸的時間平均幅度， $u'w'$ ：

$u_{*}^{2}=\left|{\overline {(u'w')_{s}}}\right|$ .

如果區域內流動是均勻的，我們可以設置平均水平流動的垂直梯度和渦粘係數的乘積$K_{m}$等於$u_{*}^{2}$ ：

$K_{m}{\frac {\partial {\overline {u}}}{\partial z}}=u_{*}^{2}$ ,

其中$K_{m}$是根據普朗特的混合長理論定義的：

$K_{m}={\overline {\xi '^{2}}}\left|{\frac {\partial {\overline {u}}}{\partial z}}\right|$

其中$\xi '$是混合長度。

然後可得

${\frac {\partial {\overline {u}}}{\partial z}}={\frac {u_{*}}{\overline {\xi '}}}$ .

關於混合長度的假設

從上圖我們可以看出，近地表的湍流渦流的大小受其與地表的接近程度的限制；以靠近表面為中心的湍流渦不能與中心遠離表面的湍流一樣大。考慮到這一點，在中性條件下，可以合理地假設混合長度， $\xi '$與表面中的渦流深度成正比：

$\xi '=kz$ ,

$z$是深度，$k$稱為馮卡門常數。因此可以對梯度進行積分以求解${\overline {u}}$ ：

${\overline {u}}={\frac {u_{*}}{k}}\ln {\frac {z}{z_{o}}}$ .

因此，我們看到地表層的平均流量與深度呈對數關係。在非中性條件下，混合長度也受到浮力的影響，並且需要莫寧-奧布霍夫相似理論來描述水平風廓線。

海洋學中的表層

表層是在海洋學中研究的， 因為風應力和表面波的作用都會導致形成表層所必需的湍流混合。

世界海洋由許多不同的水團組成。由於它們形成的位置，每個都具有特定的溫度和鹽度特徵。一旦在特定來源形成，水團將通過大規模的海洋環流傳播一段距離。通常，海洋中的水流被描述為湍流（即它不遵循直線）。水團可以作為湍流渦流或水塊穿過海洋，通常沿著能量消耗最小的恆定密度（等密度）表面。當這些不同水團的湍流渦流相互作用時，它們會混合在一起。通過充分混合，達到某種穩定的平衡並形成混合層。 海洋大氣中的風應力也可能產生湍流渦流。這種在海洋表面通過浮力的相互作用和混合，也對表面混合層的形成起作用。

與傳統理論的差異

長期以來，人們一直在海洋中觀察到對數流動剖面，但最近的高靈敏度測量揭示了表層內的一個子層，在該子層中，湍流渦流因表面波的作用而增強。 目前海洋表層建模非常簡陋，僅僅考慮了海氣相互作用。 安大略湖湍流的觀測表明，在破波條件下，傳統理論大大低估了表層內湍流動能的產生。

晝夜循環

地表混合層的深度受日照影響，因此與晝夜循環有關。在海洋上空的夜間對流之後，發現湍流表層完全衰減並重新分層。衰減是由太陽日照減少、湍流發散和橫向梯度鬆弛引起的。 在夜間，由於每天太陽落山的熱量變化導致大氣環流減少，因此表層海洋變冷。較冷的水浮力較小，會下沉。這種浮力效應導致水團被輸送到更低的深度，甚至低於白天到達的深度。在接下來的白天，由於海面變暖和推動變暖的水向上的浮力，深層水被重新分層或未混合。整個循環將重複，水將在接下來的夜間混合。

一般來說，表層混合層只占據海洋的前100米，但到了冬末可以達到150米。相對於季節循環，日循環不會顯著改變混合層的深度，而季節循環會產生更大的海面溫度和浮力變化。通過多個垂直剖面，可以通過在表層和深海觀測之間分配設定的水溫或密度差異來估計混合層的深度——這被稱為「閾值法」。

然而，這種晝夜循環在中緯度地區的影響與在熱帶緯度地區不同。與中緯度地區相比，熱帶地區不太可能具有依賴於晝夜溫度變化的混合層。一項研究探討了西赤道太平洋混合層深度的日變化。結果表明，隨著時間的推移，混合層深度沒有明顯變化。該熱帶地區的大量降水將導致混合層進一步分層。 另一項專注於中赤道太平洋的研究發現，夜間混合層的深度有增加的趨勢。 一項研究表明，溫帶或中緯度混合層比兩項熱帶海洋研究的結果更受晝夜變化的影響。在澳大利亞為期 15 天的研究期間，晝夜混合層循環以一致的方式重複，全天都在衰減湍流。

另見

• 邊界層
• 混合層
• 密度
• 鹽度
• 海面微層