Covariant Lyapunov Vectors of a Quasi-geostrophic Baroclinic Model: Analysis of Instabilities and Feedbacks
研究大气变率的经典方法是定义一个背景状态，并研究围绕这种状态的小波动的线性稳定性。弱非线性理论可以使用高阶展开项来构造。虽然这些方法无疑对阐明有关的物理过程有很大的价值，但它们无法跟踪湍流大气的动力学。我们提供了第一个例子的经典的稳定性分析扩展到非线性发展的准地转流。所谓的协变李雅普诺夫向量（CLVs）提供了一个协变的基础上描述的方向的指数扩张和衰减的扰动的非线性轨迹的流动。我们利用这种形式重新研究了在强迫纬向温度梯度$ΔT$驱动的周期通道中准地转β平面两层模式下大气的基本正压和斜压过程。我们探讨了三种设置的$ΔT$，代表相对较弱的湍流，发展良好的湍流，和中间条件。我们为每个CLV构造了洛伦兹能量循环，描述了与背景态的能量交换。正斜压转换率是不稳定的必要条件，但不是充分条件。正压不稳定只存在于$ΔT$值大的极不稳定CLV中。缓慢增长和衰减的流体动力学李雅普诺夫模式密切反映了背景流的特性。根据正压/斜压不穩定的经典必要条件，我们发现了CLV涡动通量的性质与其不稳定性之间的明确关系。具有正斜压转换的CLV似乎形成了一组模态，用于构造大气动力学的简化模式。
2015-08-17 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.ao-ph
Zonal jets in equilibrating baroclinic instability on the polar beta-plane: experiments with altimetry
本文介绍了在具有地形β效应的旋转水槽中产生的斜压不稳定流的实验室实验结果。我们研究了在这些流动中发生的交替方向的带状射流。我们模拟的主要系统包括南部较轻的流体和北部较重的流体，导致缓慢的经向环流和快速的平均纬向运动。在两层系统中，各层之间的速度切变导致随时间平衡的斜压不穩定，并且由于与β效应的相互作用而产生纬向急流。该系统是各种地球物理系统的原型，包括地球大气中的大气环流和急流、南极绕极流或观测到斜压不穩定和多个纬向急流的西边界流附近地区。实验中分别采用高度成像测速技术和光学厚度测速技术测量了表面高程梯度和上层厚度。正压和斜压的速度场，然后从测量的量推导出来。结果表明，纬向急流是由连续产生的斜压扰动引起的涡动强迫驱动的。气流在很大程度上是斜压的，急流是表面增强的。急流的波长与斜压变形半径呈线性关系，与修正的莱茵尺度也很好地吻合。这表明在平衡斜压不稳定流中扰动速度与β参数呈线性关系。
2015-06-26 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Fast and slow resonant triads in the two layer rotating shallow water equations
在本文中，我们研究三重共振旋转浅水系统时，有两个自由界面。这允许在一个相对简单的模式，斜压和正压动力学之间的相互作用的上下文中，也有一个地转模式的检查。与人们研究较多的单层旋转浅水系统相比，我们发现，除了通常的慢地转模态外，现在还有两种快波，一种是正压模态，一种是斜压模态。这一特征允许三重共振发生在三个快波之间，正压和斜压模式的混合，这方面不能发生在一层系统。现在也有两个分支的慢地转模与重复分支的色散关系。的后果进行了探讨，在一个完整的三元组相互作用方程的推导，使用多尺度渐近展开的基础上的一个小振幅参数。推导出的非线性相互作用系数确认使用能量和涡度拟能守恒。这些三元组相互作用方程进行了探讨，重点是小Rossby和弗劳德数的参数制度。
2018-03-05 physics.flu-dyn
Latitudinal storm track shift in a reduced two-level model of the atmosphere
本研究基于经典Phillips两层模型构建极小动力系统，通过改变涡动水平形状发现三种动力学状态，揭示了外部斜压强迫下涡动结构变化对急流和风暴轴纬向偏移的影响机制。
2023-09-19 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
The available-enthalpy (flow-exergy) cycle. Part-II: applications to idealized baroclinic waves
本文第一部分提出的局部有效焓循环被应用于三个数值模拟的能量学文件，代表了理想斜压波的生命周期。在这项研究中使用了一个改进的时间数值方案中定义的第一部分，连同使用T42三角形截断的Arpege-IFS模型。构造了一个45°N、200 hPa的干不稳定急流，其最不稳定模态为纬向波数8。分别确定了水平扩散和垂直扩散方案的能量影响。非地转风内的埃克曼层的作用进行了研究，导致大观测值的耗散项的解释和新的制定的势能转换。这些新的转换项的大小与通常的正压和斜压转换。提出了一种新的有焓循环。它适用于开放系统，它明确地包括势能分量作为过渡水库。最后，将锋面第15期加强观测和大西洋风暴轴试验（FASTEX）的一些结果与理想化的非绝热试验结果进行了比较。
2014-03-25 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
A conservative low-order model for Boussinesq baroclinic fronts
Tel Aviv University（特拉维夫大学）
本文提出一种低阶模型，用于研究伯斯尼兹方程热力锋的内部动力学，通过保守能量和非哈密顿动力学机制，追踪锋面调整的连续动态相互作用。
2026-04-29 physics.ao-ph physics.flu-dyn
On the Effect of Surface Friction and Upward Radiation of Energy on Equatorial Waves
在热带动力学的理论模式中，表面摩擦和通过与平流层相互作用的向上波辐射的影响常常被忽略，因为它们使数学分析变得非常复杂。在这项研究中，我们放松了刚性盖假设，并施加表面阻力，这使得正压模式被激发在赤道波。特别是，以前开发的一组线性，严格的准平衡对流层方程与干燥，被动平流层，表面阻力被添加到对流层动量方程。在平流层耦合的无粘表面以及刚性盖下的摩擦表面的限制下，对模型进行了理论和数值模式分析。这项研究证实了先前的研究，即平流层的存在强烈地将快速传播的赤道波的增长率转移到更大的尺度，使赤道功率谱变红。增长率的模式，传播缓慢，高度互动的云辐射被证明是可以忽略不计的平流层的存在下的影响。在这个模式框架中，表面摩擦作为纯粹的阻尼机制，通过正压涡度的产生增加赤道波的向极范围。考虑表面摩擦的对流层-平流层耦合模式的数值解也表明，当受到表面摩擦的激发时，在平流层高度层结的情况下，正压模态可以被对流层捕获。相移正压和第一斜压模态的叠加也导致了类开尔文波模态动力场的垂直东移。
2021-09-22 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A surface-aware projection basis for quasigeostrophic flow
最近的研究表明，海洋中尺度涡动场的高度观测反映了表面浮力和内部位渦异常的综合影响。前者有一个表面陷阱的结构，而后者有一个更严重的形式。为了评估每种对信号的贡献的相对重要性，将观察到的场投影到一组模式上是有用的，这些模式以自然的方式分离它们的影响。然而，表面捕获的动力学是不能很好地代表标准的斜压模态，而且，它们是依赖于水平尺度。在这里，我们推导出一个模态分解，结果从同时对角化的能量和概括的潜在拟能，包括从表面浮力场的贡献。这种方法产生了一个家庭的正交基，取决于两个参数：标准斜压模式恢复在一个限制的情况下，而其他选择提供的模式，代表表面和内部动力学在一个有效的方式。对于恒定分层，这些模式包括对称和反对称指数模式，捕捉表面动态，和一系列的振荡模式，代表内部动态。出于海洋，剪切集中在上表面附近，我们还考虑了一个静止的下表面的特殊情况。在这种情况下，内部模态与波数无关，并且有一个单一的指数表面模态代替正压模态。我们证明了这些模式的使用和有效性，通过投影的能量在一组模拟斜压湍流。
2012-06-20 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Global well-posedness of strong solutions to a tropical climate model
本文研究了Frierson-Majda-Pauluis在[Comm. Math. Sci，Vol.2（2004）]中建立的热带气候模式的Cauchy问题，该模式是一个由正压和斜压第一模态速度和典型对流层中层温度组成的耦合系统。本文所考虑的系统在动量方程中有粘性，而在温度方程中没有扩散系数。我们建立了该模型的强解的整体适定性。在证明强解的整体存在性时，为了克服温度方程中缺少扩散系数所带来的困难，我们引入了一个新的速度$w$（称为伪斜压速度），它比原来的斜压速度模具有更大的稳定性.引入一个类似于可压缩斯托克斯方程有效粘性通量的辅助函数$ϕ$，得到了温度的$L^\infty$界。关于唯一性，我们使用的想法，执行适当的能量估计在一级低于自然的基本能量估计系统。
2015-04-21 math.AP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Investigations of non-hydrostatic, stably stratified and rapidly rotating flows
我们提出了一个调查的快速旋转（小Rossby数$Ro\ll 1$）和分层湍流的分层强度从弱（大弗劳德数$Fr\gg1$）到强（$Fr\ll1$）。调查设置的背景下，从Boussinesq方程，有效地保留各向异性惯性重力波与一阶频率，并突出了一个政权的波涡相互作用的减少模型。简化模型的数值模拟进行能量注入的随机强迫垂直速度，这迫使波模式。模拟揭示了两个制度，其特征在于存在良好的形成，持久性和薄湍流层的局部削弱的分层在小弗劳德数，并在大弗劳德数层的情况下。这两个制度的特点是一个大规模的正压偶极子封闭的小尺度湍流。当雷诺数不太大时，观察到正压动能的直接级联，导致总能量平衡。我们研究净能量交换，发生通过涡拉伸和垂直浮力通量和诊断活跃在这些交换的水平尺度。我们发现斜压运动直接向正压模态的最大尺度注入能量，这意味着大尺度正压偶极子不是正压模态内逆级联的最终结果。
2016-02-13 physics.flu-dyn
Disentangling discrete and continuous spectra of tidally forced internal waves in shear flow
Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University（九州大学应用力学研究所）；CNRS, ENS de Lyon, Laboratoire de Physique（法国国家科学研究中心、里昂高等师范学校、物理实验室）
本文研究了剪切流中潮汐强迫内波的能量转换机制，通过分析发现离散谱和连续谱在能量转换中的不同作用，提出了新的能量转换率公式。
2026-03-02 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Conservation laws and evolution schemes in geodesic, hydrodynamic and magnetohydrodynamic flows
Carter和Lichnerowicz已经建立了正压流体流动是共形测地线并且服从Hamilton原理。这种变分方法可以适应中性或带电且导电性差的流体。我们表明，与以前认为的不同，这种方法也可以容纳完美的导电磁流体，通过理想的磁流体动力学的贝肯斯坦-奥隆描述。当与Killing矢量或张量相关的Noether对称性存在于测地线流中时，它们导致动量中的运动多项式常数。我们将这些概念推广到流体动力学流动。此外，理想磁流体力学的哈密顿描述允许一个铸造的演变方程成一个双曲线的形式，用于演变旋转或二进制紧凑的物体与磁场在数值广义相对论。守恒环流定律，如开尔文、阿尔文和贝肯斯坦-奥隆的守恒环流定律，只是哈密顿系统的庞加莱-嘉当积分不变量的特例。我们使用这种方法来获得扩展的开尔文定理斜压（非等熵）流体，温度依赖的时间参数的基础上。我们进一步扩展这一结果完美或不良的斜压磁流。最后，在正压的情况下，这种磁流也被证明是测地线，虽然在芬斯勒（而不是黎曼）空间。
2016-12-29 astro-ph.HE gr-qc math-ph
Probabilistic Dynamics of Two-Layer Geophysical Flows
两层准地转流模式是介于单层二维正压流模式和连续层结三维斜压流模式之间的中间系统。该模式被广泛用于研究地球物理流动的基本机制，如斜压效应，墨西哥湾流和副热带环流。风的强迫作用只作用在最上层。本文考虑随机风强迫下的两层准地转模式。我们首先将这个系统转化为一个耦合系统的随机偏微分方程，然后表明，该系统的渐近概率动力学只依赖于顶部流体层。即在概率意义下，两层准地转流体系统的动力学渐近地由上层流体决定，或底层流体受上层流体的控制。当维纳过程和流体参数满足一定条件时，这一结论成立。特别地，当Wiener过程的协方差算子的迹由某个上界控制且Ekman常数$r$足够大时，满足后一条件。注意维纳过程的广义时间导数模拟了顶部流体层上风应力强迫的波动部分，埃克曼常数$r$测量了由于底部埃克曼层中的摩擦引起的涡度衰减速率。
2001-04-12 cond-mat.stat-mech math-ph math.AP
Rapidly Rotating Wall-Mode Convection
本文推导了快速旋转极限下控制一般容器内部对流壁模不稳定性强非线性发展的简化方程组，揭示其多尺度特性，推导Ekman通量修正公式并通过模拟展示非线性动力学，为相关研究提供新途径。
2025-07-02 math.DS nlin.PS physics.flu-dyn
