The energy- and flux budget theory for surface layers in atmospheric convective and stably stratified turbulence
本研究基于布辛涅斯克近似建立大气对流与稳定分层近地面层的EFB湍流闭合理论，揭示近地面层上下部湍流产生机制的差异，推导了可用于建模的多类湍流特征量垂直廓线的理论关系。
2022-06-13 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Transition phenomena in unstably stratified turbulent flows
我们研究实验和理论上的过渡现象所造成的外部强迫从Rayleigh-Benard对流与大尺度环流（LSC）的限制制度的不稳定分层湍流没有LSC的温度场的行为像一个被动标量。在实验中，我们使用的瑞利-贝纳德装置与两个振荡网格位于附近的侧壁室产生的额外的湍流源。当网格振荡频率大于2 Hz时，湍流对流中的大尺度环流被破坏，大尺度环流的破坏伴随着平均温度分布的强烈变化。然而，在不稳定分层湍流的所有状态下，比率$\big[(\ell_x \nabla_x T)^2 + (\ell_y \nabla_y T)^2 + (\ell_z \nabla_z T)^2\big] / < θ^2 >$略有变化（即使在温度场的行为与被动标量的行为不同的参数范围内）。其中$\ell_i$是湍流沿x、y、z方向的积分尺度，T和θ是流体温度的平均和波动部分。在所有频率的网格振荡，我们已经检测到的长期非线性振荡的平均温度。基于湍流动能、湍流温度脉动和湍流热通量收支方程的理论预测与实验结果一致。
2011-01-22 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Extreme vertical drafts as drivers of Lagrangian dispersion in stably stratified turbulent flows
本研究利用数值模拟探讨了极端垂直气流对稳定分层湍流中拉格朗日粒子对相对扩散的加速作用，并量化了其与经典Richardson标度的偏差，对大气海洋混合及污染物输运具有重要意义。
2025-09-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Enhancements in cloud condensation nuclei concentrations from turbulent fluctuations in supersaturation
气溶胶排放对云的性质和分布的影响是天气和气候预测中不确定性的一个很大来源。这些气溶胶-云的相互作用主要取决于气溶胶粒子激活成云凝结核（CCN）的能力。模拟云凝结核激活和云滴形成的一个关键挑战是湍流和云微物理之间相互作用的表示。湍流混合会导致水蒸气和温度的小尺度波动，这在大尺度大气模式中无法解决。我们使用拉格朗日包裹模拟驱动的高分辨率大涡模拟的对流云室量化这些小尺度波动对云凝结核激活的影响。我们发现，小规模的波动环境属性强烈增强CCN激活，这表明，传统的大涡模拟和地球系统模型，忽略这些波动低估了云滴的形成。
2022-10-27 physics.ao-ph
Turbulent Prandtl number and characteristic length scales in stably stratified flows: steady-state analytical solutions
在这项研究中，湍流普朗特数（$Pr_t$）的稳定性依赖的量化通过一个新的和简单的分析方法。基于方差和通量收支方程，首先提出了一种混合长度尺度公式，并建立了它与已知长度尺度的函数关系。其次，利用这些长度尺度的比值导出$Pr_t$和梯度理查森数之间的显式关系。此外，还对几个关键湍流变量进行了理论预测（例如，耗散率，归一化通量）。从我们提出的方法的结果进行比较，对其他竞争的配方，以及公布的数据集。总的来说，不同的方法之间的协议是相当不错的，尽管他们不同的理论基础和假设。
2021-09-13 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Characterization of local energy transfer in large-scale intermittent stratified turbulent flows via coarse graining
该研究针对大气海洋中分层湍流的大规模间歇性问题，改进空间滤波程序分析极端垂直气流的影响，发现其能触发跨尺度能量传递并加强特定尺度下动能与势能的耦合。
2025-04-15 physics.ao-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Similarity theory and calculation of turbulent fluxes at the surface for the stably stratified atmospheric boundary layers
在本文中，我们修改了相似理论的稳定分层大气边界层（ABL），制定了解析近似的风速和位温廓线在整个ABL，验证他们对大涡模拟和观测资料，并开发了一个改进的表面通量计算技术，用于业务模式。
2006-12-21 physics.ao-ph
Evolution of a Stratified Turbulent Cloud under Rotation
本文结合线性解析、数值模拟与 Lagrangian 粒子追踪，研究旋转分层流体中湍流云的演化，揭示惯性-重力波对柱状结构倾斜、云扩张及能量转移的控制作用。
2023-11-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
On the energetics of stratified turbulent mixing, irreversible thermodynamics, Boussinesq models, and the ocean heat engine controversy
分层湍流理论中的一个关键问题是关于D（APE）（可用势能的耗散率APE）和W_{r,turbulent}（背景重力势能的湍流变化率GPE_r）之间联系的性质，它们都受分子扩散控制。对于具有线性状态方程的Boussinesq流体，这种联系简单地为W_{r,turbulent} =D（APE），广泛地解释为暗示GPE_r以APE为代价增加，与层流情况相反，GPE_r以内能（IE）为代价增加。这个想法在这里被重新考虑，把IE看作是三个不同的子成分的总和：可用内能（AIE），有效能（IE_{exergy}），和死内能（IE_0）。在这个新的观点中，D（APE）是APE到IE_0的耗散率，而W_{r,laminar}和W_{r,turbulent}都将IE_{exergy}转换为GPE_r。因此，等式W_{r,turbulent} =D（APE）表明，IE_{exergy}以与APE耗散到IE_0相同的速率转换到GPE_r。对于非Boussinesq流体，等式D（APE）= W_{r,turbulent}充其量是一个很好的近似，因为W_{r,turbulent}通常小于D（APE），有时甚至对于强非线性状态方程为负。在第二步中，搅拌和混合之间的联系检查风和浮力驱动的热分层海洋，以确定这些是否限制搅拌的机械源，最近提倡。它是建立搅拌和混合之间的耦合不能反驳传统的浮力驱动的所谓的赤道翻转环流的观…
2009-07-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Energy and flux budget closure theory for passive scalar in stably stratified turbulence
针对稳定分层湍流，发展了被动标量（非浮力和非惯性粒子或气体混合物）的能量和通量收支（EFB）封闭理论。EFB湍流闭合的物理背景是基于湍流动能和势能以及动量和浮力的湍流通量以及颗粒的湍流通量的收支方程。EFB湍流闭合是为从中性到非常稳定的分层地球物理流而设计的，它意味着在任何分层处，湍流都是由速度切变维持的。在定常状态下，导出了被动标量的湍流通量和各向异性非对称湍流扩散张量的表达式，并得到了该张量各分量的普适通量理查森数依赖关系。湍流扩散张量在垂直方向上的对角分量被强分层抑制，而在水平方向上的对角分量没有被抑制，并且它们与湍流扩散张量的其他分量相比是占主导地位的。这意味着，任何最初创建的强烈不均匀的粒子云演变成一个薄煎饼在水平面上的垂直方向上的厚度非常缓慢的增加。湍流Schmidt数随梯度理查森数线性增加。考虑到这些结果的应用程序的大气边界层湍流，理论关系推导出允许确定的湍流扩散张量作为一个函数的垂直坐标测量的单位的地方Obukhov长度尺度。所得到的关系式在模拟大气边界层湍流和自由大气湍流中的颗粒弥散方面具有潜在的应用价值。
2021-06-02 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Energy- and flux-budget (EFB) turbulence closure model for the stably stratified flows. Part I: Steady-state, homogeneous regimes
我们提出了一个新的湍流闭合模型的基础上预算方程的关键二阶矩：湍流动能和位能：TKE和TPE（包括湍流总能量：TTE = TKE + TPE）和垂直湍流通量的动量和浮力（成比例的位温）。除了TTE的概念，我们考虑到传统的浮力通量公式的非梯度校正。所提出的模型允许在任何梯度理查森数，Ri的湍流的存在。与通常假设的分离湍流和层流状态的临界值不同，它揭示了一个过渡区间，0.1< Ri <1，它分离了两个本质不同但都是湍流的状态：Ri<<1时的强湍流; Ri>1时的弱湍流，能够传输动量，但传输热量的效率要低得多。该模式的预报结果与大气和实验室试验、直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES）的资料相一致。
2007-02-19 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Experimental study of the initial growth of a localized turbulent patch in a stably stratified fluid
我们提出了一个实验室实验中的稳定分层流体中的湍流补丁的增长，由于本地化的湍流源，产生的振荡网格。同步和重叠的粒子图像测速仪和平面激光诱导荧光测量已经进行捕获补丁的演变，通过其初始生长，直到它达到最大尺寸，其次是它的崩溃。密度和速度场的同时测量允许直接量化补丁内的混合程度，湍流/非湍流界面的传播速度及其厚度。速度测量表明，显着的非平衡效应内的补丁，这是不符合经典的网格行动模型。湍流/非湍流界面的局部分析提供了卷吸速度$w_{e}$的直接测量，与界面附近的局部垂直速度和湍流强度相比。发现夹带率$E$被限制在$0÷0.1$的范围内，并且在界面处的局部梯度理查森数为$\mathcal{O} (100)$。最后，我们表明，平均流是负责斑块崩溃。
2016-03-24 physics.ao-ph
On the Power-law Scaling of Turbulence Cospectra Part 1: Stably Stratified Atmospheric Boundary Layer
大气表层中的湍流通量是天气、水文和二氧化碳浓度预测的关键输入。在湍流通量的数值模拟中，通常假设在高波数时湍流共谱中存在-7/3幂律标度。在湍流通量的涡动协方差（EC）测量中，通常需要一个假定的湍流共谱形状来进行高频谱校正，通常假定为-7/3幂律。-7/3幂律标度的推导主要基于量纲分析，并且还观察到其他共谱标度。在这里，我们研究的形状湍流cospectrum在高波数从广泛的实地测量风速，温度，水蒸气和CO2浓度在各种稳定分层的大气条件。在稳定大气边界层的高波数平衡区，我们提出了一种符合-2次方律而不是-7/3律的湍流共谱形状。这一发现有助于改善估计湍流通量的建模和观测。
2018-11-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Detection of turbulent thermal diffusion of particles in numerical simulations
利用直接数值模拟（DNS）发现了温度分层湍流中的湍流热扩散现象，在湍流热通量的方向上引起惯性和非惯性颗粒的非扩散湍流通量。在有重力和无重力的模拟中，发现这种现象会在斯托克斯数小于1的平均流体温度的最小值附近引起颗粒数密度的峰值，其中斯托克斯数是粘性尺度下颗粒斯托克斯时间与湍流柯尔莫哥洛夫时间的比率。湍流热扩散导致惯性粒子空间分布的大尺度不均匀性的形成。这种效应的强度在斯托克斯数为1时最大，并在较大值时再次减小。惯性粒子的动力学研究使用拉格朗日模型在强迫温度分层湍流，而非惯性粒子和流体描述使用DNS在欧拉框架。
2011-11-21 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Turbulent Fluxes in Stably Stratified Boundary Layers
我们提出了一个国际会议“湍流混合及以后”的邀请演讲的扩展版本。本文以稳定大气边界层为例，讨论了稳定分层湍流边界层的动力学和统计学描述。传统的方法来解决这个问题，基于配置文件的平均量，速度二阶相关性，和尺寸估计的湍流热通量运行到一个众所周知的困难，预测抑制湍流在一个小的临界值的Richardson数，在矛盾的意见。现象学试图克服这个问题遭受各种理论上的不一致。在这里，我们提出了一种方法，充分考虑到所有的二阶统计，这使我们能够尊重总机械能的守恒。分析的高潮是所有平均量和所有二阶相关性的轮廓的解析解，消除了以前理论的非物理预测。我们认为，只要Richardson数不超过一阶，这里所采用的方法就足以描述大气边界层的下部。对于更高的Richardson数，物理学可能会发生质的变化，需要仔细考虑潜在的Kelvin-Helmoholtz波及其与涡旋湍流的相互作用。
2008-12-21 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Acceleration of raindrops formation due to tangling-clustering instability in turbulent stratified atmosphere
水蒸气在活跃的云凝结核上凝结产生微米级的水滴。为了形成雨，它们必须迅速成长为至少50-100 $μ$ m的液滴。观察表明，这个过程只需要15-20分钟。这种快速增长的物理机制尚未得到解释，是理解和模拟降雨的关键，被称为“凝结-聚合瓶颈”。我们表明，最近发现的缠结群集不稳定性的小液滴在温度分层的湍流现象（物理流体25，085104，2013）的结果在液滴数密度急剧增加的液滴簇的形成。这种缠结团簇不稳定性的机制比我们以前认为的由湍流涡的离心作用引起的惯性团簇不稳定性要有效得多。这是团簇内部碰撞合并速率增强的原因。本研究发展的水滴生长的平均场论可以用来解释观测到的暖云中云滴的快速生长，从最初的1微米大小的水滴到40-50微米大小的水滴在15-20分钟内。
2015-06-17 astro-ph.EP physics.ao-ph
Spatial and temporal distribution of stratospheric turbulence from global high-resolution radiosonde data
University of Hawai’i at Manoa（夏威夷大学马诺阿分校）
本文利用2014年10月至2025年12月全球370个站点的高分辨率探空数据，基于里奇蒙数方法估算平流层湍流扩散率，发现其广泛分布且受稳定但强剪切条件影响，识别出可能促进平流层气溶胶注入的局部最大值，并发现2015-2025年间扩散率显著增加。
2026-04-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Anisotropic turbulent transport in stably stratified rotating stellar radiation zones
自转是影响恒星演化的重要物理机制之一。日震学和星震学揭示了在整个赫兹-罗素图上恒星辐射带的角动量的强提取。在不同旋转的稳定分层恒星辐射区的湍流输运应仔细模拟和评估其强度。层结和旋转意味着这种湍流输送是各向异性的。只有唯象的处方已提出的运输在水平方向上，但构成了基石，目前的理论形式主义恒星流体动力学的演化代码。我们推导出一个新的理论处方的各向异性的湍流运输辐射区使用的湍流，同时考虑稳定的分层，旋转和径向剪切的光谱形式主义。在此基础上，导出了由径向差动旋转不稳定性维持的三维湍流运动所引起的水平湍流输运。我们实现了这个框架中的恒星演化代码STAREVOL和量化的旋转和结构演化的低质量恒星从前主序星红巨星分支的影响。湍流输运的各向异性标度为$N^4τ^2/\left(2Ω^2\right)$、$N$和$Ω$，分别为浮力和旋转频率，$τ$为表征湍流源的时间。这导致了类似的强度的水平湍流输送的平均值，那些获得与先前提出的处方，即使它可以是局部较大的对流包络线以下。因此，仍然需要一种补充的输运机制，如内部重力波或磁场，来解释观测到的沿恒星演化的角动量强输运。
2018-08-06 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Scaling Behavior of a Turbulent Kinetic Energy Closure Scheme for the Stably Stratified Atmosphere: A Steady-State Analysis
本文提出了一种适用于稳定层结大气的湍流动能（TKE）封闭方案，其中动量和热量的混合长度不以相同的方式参数化。关键的区别在于，在中性分层条件下，热量的混合长度倾向于与动量的稳定性无关的混合长度，而在大稳定性的极限下，它倾向于基于Brunt-Väisälä时间尺度和TKE的平方根的混合长度。这使得一个独特恒定状态解决方案TKE获得，我们证明，否则将是不可能的，如果混合长度相同。尽管该模型的相对简单，它表现出相当不错的观测数据从1999年合作大气-地面交换研究（CASES-99）使用常用的模型常数。分析无量纲速度和位温梯度或稳定性（校正）函数的标度行为揭示，对于大的稳定性，本模型以与Viterbo等人的一阶操作方案相同的方式标度（第四章）。罗伊流星125，2401-2426，1999）。或者，它表现为Baas等人的TKE封闭方案的两种情况的混合。层流星。127，17-36，2008）。重要的是，由于可以获得唯一恒定状态TKE，因此本模型避免了在Baas等人（2008）的一个案例中识别的非物理行为。
2020-12-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Energy- and flux-budget turbulence closure model for stably stratified flows. Part II: the role of internal gravity waves
我们改进了我们先前的能量和通量预算湍流闭合模型（Zilitinkevich等人，2007，2008）的稳定分层的大气流动，并扩展它占额外的垂直通量的动量和额外的生产的湍流动能，湍流位能（TPE）和湍流通量的位温由于大尺度重力内波（IGW）。IGW的主要效应如下：通量理查森数的最大值（在无IGW区为0.2-0.25的普适常数）变得强可变。在垂直均匀层结中，它随波浪能的增加而增加，甚至可以超过1。在非均匀层结中，当IGW向较强层结传播时，最大通量理查森数随波浪能的增大而减小，最大通量趋于零，然后变为负值。也就是说，位温的垂直通量呈反梯度变化。IGW还降低了湍流的各向异性，增加了TPE在湍流总能量中的份额。根据方向（向下或向上），IGW加强或削弱总的垂直动量通量。该模式的预报结果与大气和实验室试验、直接数值模拟和大涡模拟的数据相一致。
2009-08-18 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Estimating Intermittency Exponent in Neutrally Stratified Atmospheric Surface Layer Flows: A Robust Framework based on Magnitude Cumulant and Surrogate Analyses
本研究提出一种新的框架，基于幅度累积量和替代分析，可靠地检测和估计短长度的粗分辨率湍流时间序列的不透明度系数。间歇性系数估计从大量的中性分层的大气近地层湍流系列从各种领域的运动显着同意与著名的实验室实验结果。此外，基于替代的假设检验显著降低了从非间歇性序列中检测到虚假非零重复系数的可能性。所提出的框架的歧视权力是有前途的解决悬而未决的问题，大气稳定性如何影响边界层湍流的湍流度特性。
2007-01-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A hierarchy of energy- and flux-budget (EFB) turbulence closure models for stably stratified geophysical flows
本文从湍流动能、位能、动量通量和浮力通量的收支方程和湍流耗散时间尺度的松弛方程出发，提出了湍流能量和通量收支闭合的物理背景。该闭合是为从中性到非常稳定的分层地球物理流设计的，并考虑了地球自转。根据现代实验证据，封闭性意味着在任何梯度理查森数Ri下，速度切变都能维持湍流，并区分两种主要不同的状态：Ri << 1时的“强湍流”，典型的边界层流，其特征是湍流普朗特数几乎恒定;以及Ri > 1时的“弱湍流”，这是自由大气或深海的典型特征，其中湍流普兰特数随着Ri的增加而渐进线性增加（这意味着与动量传递相比，对热量传送的抑制非常强）。在不同的应用中使用，封闭制定在不同层次的复杂性，从本地代数模型相关的稳定状态的湍流制度的层次结构的非本地封闭，包括更简单的下降梯度模型，提出的涡流粘度和涡流传导率，和一般的非梯度模型的基础上预测方程的湍流，包括湍流通量的所有基本参数。
2015-05-12 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Energy Conservation and Second-Order Statistics in Stably Stratified Turbulent Boundary Layers
我们解决的动力学和统计描述的稳定分层的湍流边界层的重要例子的大气边界层与稳定的温度分层。传统的方法来解决这个问题，基于配置文件的平均量，速度二阶相关性，和尺寸估计的湍流热通量运行到一个众所周知的困难，预测抑制湍流在一个小的临界值的Richardson数，在矛盾的意见。现象学试图克服这个问题遭受各种理论上的不一致。在这里，我们提出了一种方法，充分考虑到所有的二阶统计，这使我们能够尊重总机械能的守恒。分析的高潮是所有平均量和所有二阶相关性的轮廓的解析解，消除了以前理论的非物理预测。我们认为，只要Richardson数不超过一阶，这里所采用的方法就足以描述大气边界层的下部。对于更高的Richardson数，物理学可能会发生质的变化，需要仔细考虑潜在的Kelvin-Helmoholtz波及其与涡旋湍流的相互作用。
2007-05-01 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Two-dimensional Moist Stratified Turbulence and the Emergence of Vertically Sheared Horizontal Flows
本文研究了二维Boussinesq系统中受凝结和蒸发影响的湿分层湍流。该问题被设置在一个周期性的域，并采用简单的蒸发和冷凝计划，其中这两个过程推动包裹饱和。数值模拟表明，从最初的空间不相关的条件下，一个潮湿的湍流状态组成的有序结构与明确的幂律型光谱标度的出现。在快速凝结和强分层的极限渐近分析表明，初始条件下有足够的水物质饱和域，方程支持一个简单的状态，其特征在于由静水，饱和，垂直剪切水平流（VSHF）的湿平衡。在这样的初始条件下，通过长时间的数值模拟，验证了湿平衡的出现。具体而言，从不相关的数据，随后的发展潮湿的湍流状态，该系统经历了一个相当突然的过渡到一个政权，这是接近饱和，并占主导地位的强VSHF。另一方面，初始条件没有足够的水物质饱和域，不达到湿平衡。相反，该系统保持在一个动荡的状态和振荡的湿平衡。即使没有达到平衡，这些一般的初始条件下，振荡的时间尺度的湿平衡是远远大于所施加的时间尺度的凝结和蒸发，从而表明一个明显的主导慢成分的湿分层二维湍流系统。
2011-08-31 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Turbulence energetics in stably stratified geophysical flows: strong and weak mixing regimes
传统上，湍流能量学的特征在于湍流动能（TKE），并单独使用TKE预算方程建模。在稳定分层中，TKE由速度剪切产生，并通过粘性耗散和抵抗浮力而扩展。分层效应的特征在于浮力梯度与剪切力平方之比，称为理查森数，Ri。人们普遍认为，在Ri超过临界值Ric时，局部剪切不能维持湍流，并且流动变成层流。我们通过将能量分析扩展到湍流位能和总能量（TPE和TTE = TKE + TPE）来修正这一概念，考虑它们的预算方程，并得出结论，TTE是由剪切在任何分层中维持的保守参数。因此，不存在“能量Ric”，这与流体动力学不稳定性阈值Ric不稳定性相反，其典型值在0.25到1之间变化。我们证明，这个区间，0.25<Ri<1，分离两个不同的湍流制度：强混合和弱混合，而不是湍流和层流制度，作为经典的概念状态。这解释了Ri>>1时自由大气和深海湍流的持续发生，阐明了湍流边界层与自由流动的主要区别，为改进湍流闭合模式提供了依据。
2008-07-11 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Direct Numerical Simulation of the Moist Stably Stratified Surface Layer: Turbulence and Fog Formation
我们调查的稳定分层的表面层上的冷凝和液态水负荷的影响，着眼于了解雾形成的湍流混合的影响。直接数值模拟（DNS）的干和湿明渠流进行，在这两个恒定的冷却率是在地面上应用，以模仿长波辐射冷却。取决于冷却速率，它可以导致湍流（弱稳定）或层流（非常稳定）。与完全干燥的情况相比，液态水在潮湿情况下的冷凝使得在导致湍流崩溃之前能够实现稍高的冷却速率。在非常稳定的情况下，失控冷却导致接近地面的液态水大量凝结，并在大部分区域产生雾（能见度小于1公里）。在弱稳定的情况下，湍流混合在类似的时间段内仅产生接近地面1公里的湍流。然而，尽管该系统的理想化的性质，目前的结果表明，湍流阻碍，虽然不一定会抑制，雾的形成。一个可能的机制内形成雾的湍流，其中增加的液态水含量的区域内形成的低速条纹的近壁循环。这些条纹在潮湿的情况下，由于减少了耗散的湍流动能相比，干燥的情况下，虽然在这两种情况下的条纹是不那么有活力和持久性比中性分层流。
2020-12-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Internal gravity waves in the energy and flux budget turbulence-closure theory for shear-free stably stratified flows
本文提出了考虑重力重力内波与无剪切稳定层结湍流双向耦合的能量通量平衡湍流闭合理论。该理论基于IGW的总（动能加势能）能量的收支方程、流体湍流的动能和势能的收支方程以及波浪和流体流动的位温的湍流通量。在一定高度处发射的波向上传播，并且波浪能的损失导致湍流能的产生。我们证明，由于非线性效应更强的波浪产生更强的湍流，这反过来又导致IGW的强阻尼。结果表明，较强的波浪的穿透长度比较弱的IGW的穿透长度短。弱IGW产生的湍流各向异性比强IGW产生的湍流各向异性强。低振幅IGW产生的湍流占湍流势能的90%。这类似于所观察到的高空对流层强各向异性（近二维）湍流的性质。
2019-06-24 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Stratified-turbulence observations in the deep Mediterranean
Royal Netherlands Institute for Sea Research (NIOZ)（荷兰皇家海洋研究所）
本研究通过高分辨率传感器观测地中海深处层化湍流，发现其湍流强度高于一般地热加热和开放海洋过程，且对深海生命影响更大，同时揭示了湍流与大气扰动的关系。
2026-01-07 physics.ao-ph
On physical optics approximation of viscous stratified shear flows
针对含湍流粘性涡系数的分层剪切平均流扰动问题，推导了仅考虑水平粘性的修正四阶Taylor-Goldstein方程，用WKB方法给出其缓变条件下的几何与物理光学近似，分析了渐近解在奇异值附近的行为。
2021-03-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Impact of turbulence on the stratified flow around small particles
本文研究了密度分层流体中小平移粒子（被动或自推进）周围的湍流。最近发现的[A]。M. Ardekani和R. Stocker，Phys. Rev. Lett. vol.105，084502（2010）]，在没有湍流的情况下，熟悉的斯托克斯流被分层显著地改变。分层引起的不均匀性“打开”浮力引入一个新的“截止”或“筛选”的长度尺度的流量，产生封闭的流线和更快的（指数状）衰减的速度。然而，这一结果并没有解释背景湍流的潜在作用，而背景湍流本质上存在于许多水生环境中。湍流混合了与效果相反的密度。在这里，我们推导并求解对流扩散方程，描述了湍流混合，扩散的分层剂和浮力的相互作用。我们推导出一个精确的表达式，由于弱背景湍流的波动，并表明，较强的湍流可以完全改变周围的颗粒的流动，取消分层的效果和恢复非分层的斯托克斯流。
2014-11-25 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Turbulent mixing driven by mean-flow shear and internal gravity waves in oceans and atmospheres
本研究从Baumert和Peters（2004，2005）根据Itsweire（1984）和Rohr和Van Atta（1987）在通道和风洞中进行的分层剪切实验结果以及Dickey和Mellor（1980）在静止分层容器中进行的自由衰变实验结果推导出的平衡开始。通过修改Canuto（2002）关于湍流和波浪的观点，这些平衡与Gregg（1989）提出的无平均流切变的公海（内部）重力波能量平衡相结合。后者增加了线性（粘性）摩擦项。格雷格的波能源解释其长波频谱端的内部潮汐，地形，大尺度风，和大气低压的行动。此外，内部本征波，产生的平均流剪切，和老化的波场从一个virginal（线性）到饱和状态被考虑在内。波包和湍流被视为粒子（涡，包）的系综动力学，使损失项在所有三个平衡有二次型。根据Peters（2008）的提议，纯波浪产生的湍流的混合效率被视为普适常数，中性条件下的湍流普朗特数也是如此。结果表明：（i）在风洞中，本征波被关闭;（ii）由于远距离产生的长波或其它非局部能量源，湍流和波的共存平衡即使在高达$10^3$的Richardson数下也是稳定的;（iii）三方程系统与屏蔽设置（如某些分层实验室流）兼容。与大量观察结果的一致性令人惊讶。Gregg（1989）的波动模型分量和a.m.普适常数分开，方程只包含一个额外的无量纲参数，估计为$Y\approx 1.35.$
2012-07-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Turbulence organization and mean profile shapes in the stably stratified boundary layer: zones of uniform momentum and air temperature
本研究在稳定分层边界层中发现涡旋组织呈均匀动量区与温度区的阶梯状结构，其尺度变化解释了对数平均廓线的偏差，并关联了湍流普朗特数趋势。
2022-07-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Statistical State Dynamics of Vertically Sheared Horizontal Flows in Two-Dimensional Stratified Turbulence
强分层湍流的模拟常常表现出相干的大尺度结构，称为垂直剪切水平流（VSHF）。VSHF出现在二维（2D）和三维（3D）分层湍流具有相似的垂直结构。VSHF形成的机制尚未完全了解。本文利用统计状态动力学（SSD）方法研究了二维Boussinesq分层湍流模型中VSHF的形成和平衡。在SSD中，运动方程直接用湍流状态的统计变量表示。限制到2D湍流提供了一个分析和计算上有吸引力的SSD的实现称为S3 T，其中SSD表示耦合方程的水平平均结构方程的集合平均扰动协方差。与完全非线性模拟相比，这种二阶SSD通过二阶产生精确的统计数据。特别是，S3 T捕捉自发出现的VSHF和相关的密度层中看到的模拟湍流保持均匀的大规模随机激励。S3 T系统的一个优点是，VSHF的形成机制，这是新兴的VSHF和随机激发的大尺度重力波之间的波-平均流相互作用，在S3 T系统中被解析地理解。与完全非线性模拟的比较验证了S3 T解决方案准确地预测的规模选择，依赖于随机激励强度，和非线性平衡结构的VSHF。这些结果有助于VSHF理论和地球物理的湍流射流，如海洋的赤道深射流的例子。
2018-07-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Investigation of the Thermal Structure in the Atmospheric Boundary Layer During Evening Transition and the Impact of Aerosols on Radiative Cooling
本研究基于KIAB两个雾季的观测数据与辐射-传导模型模拟，揭示了气溶胶对大气边界层长波冷却及抬升温度极小值结构的调控机制，指出传统辐射模型对气溶胶长波加热率的低估可达一个数量级。
2024-03-11 physics.ao-ph
Convection under internal waves in a mountain lake
湍流混合过程在深高山加尔达湖（I）没有被广泛观察。了解湍流通量的驱动因素对于了解湖泊和一般自然水体中物质、营养物质和污染物的运输非常重要。在本文中，发生内波诱导的湍流对流的解决，而不是更常见的剪切诱导湍流在密度分层的环境。观测分析从一个专用的为期一年的系泊举行100高分辨率温度传感器在1.5米的间隔下，在一个单一的海流计在344米深的湖中心的较深的一半。间歇性地，弱密度分层的水在较低的50米以上的湖底显示光谱斜率和相干性的证据，短期（15至30分钟）对流运动的内波，支持较强的分层水以上。近均匀的条件是不归因于摩擦埃克曼动力学，但大规模的内部波峰。
2021-04-22 physics.ao-ph
Understanding mixing efficiency in the oceans: Do the nonlinearities of the equation of state matter?
湍流分层流体中的湍流混合有两种主要的测量方法，都是由分子扩散引起的：1）可用势能（APE）的耗散率D（APE）; 2）湍流变化率Wr，湍流背景势能GPEr。到目前为止，这两个量通常被认为是相同的能量转换，即APE到GPEr的不可逆转换，由于D（APE）=Wr，具有线性状态方程的Boussinesq流体的湍流保持。然而，最近有人指出，对于热分层的可压缩流体，这个等式不再成立，比值λ =Wr，湍流/D（APE）则低于1，有时甚至是水/海水的负值。本文研究了浮力频率N（z）相同，但浮力系数ρ = αP/（ρC_p）垂直分布不同的不同分层情况下，比值ρ的变化规律，其中α为热膨胀，P为静水压力，ρ为密度，C_p为等压比热容，所考虑的状态方程为不同特定盐度常数的海水状态方程。结果表明，湍流的振幅和Wr，turbulent主要取决于dz/dz的符号和大小，而D（APE）则基本不受dz/dz的影响。这些结果对于如何定义和测量混合效率具有重要意义。
2009-07-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Inverse cascades and resonant triads in rotating and stratified turbulence
Kraichnan关于逆级联的开创性思想产生了研究地球物理湍流中常见现象的新工具。在大气层和海洋中，旋转和分层导致的流动在非常大的尺度上可以近似为二维，但这需要考虑三维效应，以充分描述湍流传输过程和非线性现象。因此，运动可以分为两类：由惯性重力波组成的快模态，以及科里奥利力和水平压力梯度接近平衡的慢准地转模态。在本文中，我们回顾了以前关于旋转流和分层流中逆叶栅强度的结果，然后提出了关于旋转和分层强度变化（用Brunt-Väisäla频率与Coriolis频率之比$N/f$测量）对波振幅和气流准地转行为的影响的新结果。我们发现，逆级联是更有效的范围内的$N/f$共振三和弦不存在，$1/2 \le N/f \le 2$。然后，我们使用的时空频谱，和表征的流的时间和空间尺度，表明在这个范围内，慢模式占主导地位的动态，而波的强度（和它们的相关性在流动动力学）是较弱的。
2018-01-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Energetically consistent localised APE budgets for local and regional studies of stratified flow energetics
针对局地和区域分层流能量分析中 APE 参考态不一致的问题，本文提出精确平均/涡旋分解框架，将局地化 APE 定义为涡旋分量，并建立其与分子耗散及参数化能量传递的严格联系。
2025-06-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
