这篇文档属于类型a，即报告了一项单一原创研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：

作者及研究机构
本研究的作者包括William G. Large、Edward G. Patton、Alice K. Duvivier、Peter P. Sullivan（来自美国国家大气研究中心，位于科罗拉多州博尔德）以及Leonel Romero（来自加州大学圣巴巴拉分校）。该研究于2019年8月22日收到初稿，并于2019年6月13日完成最终版本，发表在《Journal of Physical Oceanography》期刊上。

学术背景
本研究的主要科学领域是海洋物理学，特别是南大洋表面层的湍流混合机制。南大洋在全球气候系统中扮演着重要角色，吸收了超过40%的全球海洋人为碳，并对深层暖水的通风有显著贡献。然而，现有的海洋环流模型（OGCMs）在模拟南大洋时存在显著偏差，尤其是在冬季混合层深度（MLD）的模拟中，偏差可达400米以上。这些偏差可能与垂直物理过程的模拟不足有关，尤其是风、波浪和浮力强迫对表面层湍流的影响。
本研究的主要目标是扩展Monin–Obukhov相似性理论（Monin–Obukhov similarity theory）以解释南大洋表面层中的风、波浪和浮力强迫对湍流混合的影响。通过大涡模拟（LES, Large-Eddy Simulation）和南大洋通量站（SOFS, Southern Ocean Flux Station）的观测数据，研究团队试图量化波浪诱导的Stokes漂移（Stokes drift）对湍流混合的贡献，并开发一种实用的参数化方法。

研究流程
研究流程包括以下几个主要步骤：
1. 理论基础与模型构建
研究基于Monin–Obukhov相似性理论，该理论描述了大气表面层中的湍流结构。研究团队将这一理论扩展到海洋表面层，特别是考虑到Stokes漂移的影响。研究使用了大涡模拟（LES）模型，该模型已被广泛应用于海洋边界层的模拟。LES模型通过求解Craik–Leibovich方程组（Craik–Leibovich equation set）来模拟波浪诱导的湍流。
2. 模拟设置与数据来源
研究团队使用了南大洋通量站（SOFS）的观测数据作为模拟的输入条件，包括风、浮力和波浪强迫。此外，研究还使用了ARGO浮标程序（ARGO float program）提供的高分辨率温度和盐度数据。模拟分为两种类型：无Stokes漂移的LES（no-Stokes LES）和包含Stokes漂移的LES（Stokes-forced LES）。
3. Stokes漂移的计算
Stokes漂移的垂直剖面通过WaveWatch III波浪预测模型生成。该模型结合了局部风场和ECMWF ERA-Interim全球再分析数据，生成了方向波谱（directional wave spectra），并通过积分计算了Stokes漂移的垂直分布。
4. 边界层深度与湍流结构的分析
研究团队通过LES模拟分析了南大洋边界层的深度和湍流结构。边界层深度（h）通过浮力通量剖面计算，定义为表面强迫湍流能够穿透的深度。研究还计算了湍流动能（TKE, Turbulent Kinetic Energy）的生成项，包括由垂直剪切、Stokes剪切和浮力强迫引起的TKE生成。
5. 相似性函数的推导
研究团队推导了Stokes相似性函数（Stokes similarity functions），包括动量相似性函数（xm）和浮力相似性函数（xs）。这些函数描述了Stokes漂移对湍流混合的影响，并通过LES模拟数据进行了验证。
6. 参数化方法的开发与评估
基于推导的相似性函数，研究团队开发了一种实用的参数化方法，用于计算湍流粘度（viscosity）和扩散率（diffusivity）的湍流速度尺度（turbulent velocity scales）。该方法通过LES模拟数据进行了评估，结果显示其与模拟数据的相关性高达0.97。

主要结果
1. Stokes漂移对湍流混合的影响
研究结果表明，Stokes漂移显著减少了垂直剪切，并增强了湍流粘度和扩散率，增强因子分别可达5.8和4.0。这使得Prandtl数（Prandtl number）可以超过1，表明Stokes漂移对湍流混合的影响不可忽视。
2. 相似性函数的验证
推导的Stokes相似性函数（xm和xs）能够很好地描述LES模拟数据中的湍流结构。这些函数通过Stokes参数（j）进行参数化，j表示Stokes剪切对总TKE生成的贡献比例。
3. 参数化方法的评估
开发的参数化方法在模拟数据中表现出色，湍流速度尺度的计算值与LES模拟值的相关性接近0.97。这表明该方法能够有效地捕捉Stokes漂移对湍流混合的影响。

结论与意义
本研究通过扩展Monin–Obukhov相似性理论，首次系统地量化了Stokes漂移对南大洋表面层湍流混合的影响。研究结果表明，Stokes漂移是影响海洋湍流混合的重要因素，尤其是在南大洋这种波浪强迫强烈的区域。开发的参数化方法为海洋环流模型（OGCMs）提供了重要的改进方向，有助于更准确地模拟南大洋的混合层深度和碳吸收过程。
本研究的科学价值在于揭示了波浪诱导的湍流混合机制，并为未来的海洋模拟研究提供了新的理论框架和实用工具。其应用价值体现在改进气候模型的预测能力，特别是在全球碳循环和海洋通风过程的模拟中。

研究亮点
1. 理论创新：首次将Monin–Obukhov相似性理论扩展到包含Stokes漂移的海洋表面层。
2. 方法创新：开发了一种基于LES模拟的Stokes相似性函数，并提出了实用的参数化方法。
3. 应用价值：为改进海洋环流模型（OGCMs）的湍流混合参数化提供了重要依据。
4. 数据支持：研究结合了南大洋通量站（SOFS）的观测数据和ARGO浮标数据，确保了研究结果的可靠性。

其他有价值的内容
研究还探讨了不同Stokes漂移剖面计算方法对参数化结果的影响，证明了基于方向波谱的计算方法优于简化的单色波假设。这一发现为未来的波浪强迫研究提供了重要参考。

以上是对该研究的全面学术报告，涵盖了研究背景、流程、结果、结论及其科学和应用价值。