A posteriori learning of quasi-geostrophic turbulence parametrization: an experiment on integration steps
Univ. Grenoble Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；IMT Atlantique（大西洋矿业电信学校）；Institut Universitaire de France (IUF)（法国大学研究院）；ESIEA（法国高等计算机电子工程与自动化学校）；Sorbonne Université（索邦大学）；Institut Pierre Simon Laplace（皮埃尔-西蒙·拉普拉斯研究所）
简化模型的亚网格尺度动力学建模是一个长期存在的开放性问题，在海洋，大气和气候预测中发现应用直接数值模拟（DNS）是不可能的。虽然神经网络（NN）已经成功地应用于一系列三维流，但二维的流更具挑战性，因为能量从小到大的反向散射。我们表明，学习模型与动力学求解器和一个有意义的\textit{a posteriori}为基础的损失函数，导致稳定和现实的模拟时，应用于准地转湍流。
2021-11-27 cs.LG physics.ao-ph physics.flu-dyn
Non-equilibrium fluctuations of the direct cascade in Surface Quasi Geostrophic turbulence
本文通过高分辨率直接数值模拟研究SQG湍流中表面势能通量的时间涨落，发现能量收支瞬时不平衡会产生谱的次主导修正，并利用多尺度方法与量纲闭合推导出适用于α-湍流的幂律修正理论预测，同时提出可推广的平衡与非平衡贡献分离方法。
2024-06-11 physics.flu-dyn
Experimental observation of the geostrophic turbulence regime of rapidly rotating convection
在行星和恒星内部，湍流对流和全球旋转之间的竞争控制着热量和示踪剂的传输，以及磁场的产生。这些物体在从弱旋转对流到快速旋转对流的“地转湍流”状态的动态状态下运行。然而，后一种状态在实验室中仍然难以捉摸，尽管在过去十年中，全世界都在努力设计更高的旋转对流单体。建立在最近的实验方法，对流是辐射驱动的，我们报告的热传输测量与此标度制度的定量协议，实验标度律进行验证对直接数值模拟（DNS）的理想化设置。实验和DNS的标度指数与地转湍流预报结果吻合较好。标度律的前因子大于先前理想化数值研究中诊断的前因子，指出热传输效率对热源和热汇的精确分布具有意想不到的敏感性，这在行星和恒星之间有很大差异。
2022-03-25 physics.flu-dyn
Impact of domain anisotropy on the inverse cascade in geostrophic turbulent convection
研究了区域各向异性对快速旋转Rayleigh-Bénard对流（RRBC）地转湍流区逆级联的影响。在水平方向具有方形截面的周期性畴中，存在充满畴的偶极态。对于矩形周期域的Kolmogorov流组成的周期性阵列的交替单向射流与嵌入式涡观察，连同一个潜在的弱曲折横向射流。在由外部施加的小振幅噪声驱动的弱耗散二维流中以及在经典流体静力学地转湍流中发生的类似转变是无粘能量守恒和位涡拟能的结果，并且可以使用统计力学考虑来理解。RRBC代表了一个重要的三维系统，只有一个无粘不变量，但表现出大尺度结构驱动的内在产生的波动。
2017-11-06 physics.flu-dyn
Rapidly rotating radiatively driven convection: experimental and numerical validation of the `geostrophic turbulence' scaling predictions
本研究通过实验和直接数值模拟验证了快速旋转辐射驱动热对流在'地转湍流'区域的热传输、温度涨落、流速和流动结构标度预测，证明其是观察地球物理和天体物理扩散无关对流区域的有效实验装置。
2024-10-11 physics.flu-dyn
Inertia-gravity-wave scattering by geostrophic turbulence
在大气和海洋中的旋转分层流中，惯性重力波（IGW）常常与地转平衡的湍流共存。平流和折射由这个流导致波散射，重新分配IGW能量的位置-波数相空间。通过推导IGW相空间能量密度演化的动力学方程，详细描述了这一过程。推导依赖于表征地转流的Rossby数的小，它被视为具有已知统计量的随机场，并且不假设空间尺度分离。动力学方程描述的能量转移，被限制到IGW具有相同的频率，作为一个结果的时间尺度之间的分离波和流。我们制定的动力学方程上的恒定频率的表面-一个双锥波数空间-使用极球坐标，我们研究的两个散射截面的形式，其中量化IGW之间的能量转移，分别相同和相反的垂直传播方向。动力学方程捕获了水平各向同性和散射导致的跨尺度能量级联。我们把注意力集中在后者，以评估直接模拟的三维Boussinesq方程的动力学方程的预测，找到良好的协议。
2020-08-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Scaling and Predictability in Surface Quasi-Geostrophic Turbulence
本文通过高分辨率直接数值模拟研究表面准地转系统，揭示 Lyapunov 指数相对 Reynolds 数的异常标度，并发现大 Reynolds 数下 Cramér 函数的自相似性。
2025-07-25 physics.flu-dyn
On the role of non-uniform stratification and short-wave instabilities in three-layer quasi-geostrophic turbulence
本文在准地转近似下用一个三层简化模式研究了短波不稳定性对地转湍流的作用。线性稳定性分析表明，短波不稳定性是由上层和下层剪切相互作用产生的。如果分层是不均匀的，特别是表面强化，线性增长率是短波不稳定性大于长波不稳定性和层基本上是解耦的，与小尺度独立增长。通过数值试验研究了充分发展的均匀湍流。结果表明，在等层深和地面强化层结的情况下，均观察到动能的逆级联。在小尺度下，由于层结的解耦，在高斜压数时，模态动能谱显示出较高的能量。结果表明，在等层深的情况下，正压不稳定性大，位温梯度大，而地面层结强度增强的特征是从涡度分布不均匀的地面动力学向涡度涡度在位涡距平的概率分布函数中可以看到短波不稳定性的影响，当短波不稳定性的增长率大于长波不稳定性的增长率时，位涡距平的概率分布函数趋于高斯分布。表面强化层结也改变了位涡通量的垂直结构，并显示了假设湍流作为向下梯度扩散的尺度通量的偏差。
2015-10-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Spectral condensation in quasi-geostrophic turbulence above small-scale topography
本文通过数值模拟发现小尺度小振幅地形会增强准地转正压流的升尺度能量通量并导致谱凝聚，且存在两个临界地形幅值对应不同能量传递机制，对海洋模式地形参数化提出新挑战。
2023-11-28 physics.flu-dyn
Interplay between geostrophic vortices and inertial waves in precession-driven turbulence
利用直接数值模拟和傅立叶空间动力学分析方法，研究了旋进驱动的旋转湍流的性质。研究是在局部旋转坐标系中进行的，其中进动产生背景剪切流，该背景剪切流变得线性不稳定并分解成湍流。我们观察到，这种进动驱动的湍流的一般特点是共存的二维（2D）柱涡和三维（3D）惯性波，其相对能量依赖于进动参数$Po$。涡类似于典型的地转湍流凝结物，沿旋转轴排列（在该方向上波数为零，$k_z=0$），并通过非线性能量转移由3D波馈送，而波（具有$k_z\neq0$）又直接由背景流的岁差不稳定性馈送。涡旋本身经历能量的逆级联，并在傅立叶空间中表现出各向异性。对于小的$Po<0.1$和足够高的雷诺数，大多数地质和天体物理应用的典型制度，流动表现出强烈的振荡（突发）的演变，由于涡和小尺度波的交替。另一方面，在较大的$Po>0.1$湍流是准稳定的，只有轻微的波动，在这种状态下共存的柱状涡和波引起分裂（同时反向和正向）的级联。增加的进动幅度导致加强波相对于涡的能量谱接近Kolmogorov标度，因此，进动机制抵消旋转的影响。
2022-10-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Evidence of the Zakharov-Kolmogorov spectrum in numerical simulations of inertial wave turbulence
旋转湍流通常被认为是由地转涡主导的，地转涡沿着旋转轴是不变的，并经历逆级联。然而，它最近被证明可以维持完全三维的状态，并具有降尺度的能量级联。在这封信中，我们调查的三维旋转湍流的统计特性的直接数值模拟的手段，在一个三重周期的盒子，地转涡是专门阻尼。由此产生的湍流是一种惯性波湍流，其验证了Galtier（Phys. Rev. E，68，2003）解析导出的Zakharov-Kolmogorov谱，从而提供了三维各向异性波的波湍流理论的相关性的数值证明。最后，我们表明，相同的强迫导致无论是地转或波湍流取决于初始条件。因此，我们的研究结果带来了进一步的证据，双稳定性旋转湍流。
2020-11-10 physics.flu-dyn
Experimental study of the non-linear saturation of the elliptical instability: inertial wave turbulence versus geostrophic turbulence
本文对旋转流体中惯性波参数共振驱动的湍流饱和进行了实验研究。在我们的装置中，一个半米宽的充满水的椭球体被带到固体旋转，然后经历持续的谐波调制其旋转速率。这触发了一对惯性波的指数增长，通过一种称为振动驱动椭圆不稳定性的机制。一旦达到这种不稳定性的饱和，我们观察到一个湍流状态的能量注入到共振惯性波。根据旋转速率调制的幅度，观察到两种不同的饱和状态。在大强迫振幅下，饱和流主要由稳定的地转反气旋组成。当强迫振幅减小时，它的振幅消失，而保持在椭圆不稳定性的阈值以上。在这种二次跃迁之下，饱和流是惯性波的叠加，惯性波处于弱非线性共振相互作用中，这种状态可能渐近地导致惯性波湍流。除了是不稳定旋转流中波主导饱和的第一次实验观察外，本研究也是Le Reun et al，PRL（2017）模型的实验确认，他介绍了这两种湍流状态的可能性。最后讨论了这两个制度之间的过渡及其与地球物理应用的相关性。
2021-01-25 physics.flu-dyn
Growth of small localized perturbations in Surface Quasi-Geostrophic turbulence
University of Rome “Tor Vergata”（罗马托尔维加塔大学）；INFN “Tor Vergata”（意大利国家核物理研究所“托尔维加塔”分部）；Istituto dei Sistemi Complessi, CNR（复杂系统研究所，意大利国家研究委员会）；Università degli Studi di Torino（都灵大学）；INFN - Università degli Studi di Torino（意大利国家核物理研究所-都灵大学）
研究表面准地转湍流中局部小扰动的增长特性，发现扰动能量在初始阶段会下降，其持续时间取决于扰动初始位置。
2026-09-02 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Score-based stochastic reduced-order models of barotropic quasi-geostrophic turbulence
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
针对湍流粗粒化建模中未解析尺度反馈难以表示的问题，提出基于分数的随机降阶模型，其平稳分布与数据一致，动力学校准可再现波数壳能量相关性，且校准无需前向积分。
2026-09-29 nlin.CD physics.flu-dyn
Guided Unconditional and Conditional Generative Models for Super-Resolution and Inference of Quasi-Geostrophic Turbulence
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院机械工程系）；Center for Computational Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院计算科学与工程中心）
本文提出引导的生成模型用于从稀疏观测中推断准地转湍流，比较了无条件和条件模型在超分辨率和湍流统计中的表现，揭示了模型在实现难度、精度和一致性间的权衡。
2026-06-29 cs.LG physics.ao-ph physics.flu-dyn
Conservation laws, fluxes, and symmetries: lessons from a perturbative approach for self-organized turbulence
Technion Israel Institute of Technology（以色列理工学院）
通过扰动方法研究自组织湍流，揭示守恒量与对称性在大尺度结构形成中的作用，展示两种模型在不同条件下的适用性。
2026-02-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Casimir preserving numerical method for global multilayer geostrophic turbulence
本文将保持能量、拟涡能和位势涡度高阶矩的 Lie-Poisson 离散化推广到全球多层准地转系统，并通过受迫与非受迫地转湍流模拟验证其长期结构保持能力。
2024-09-09 math-ph math.MP physics.flu-dyn
The Geostrophic Turbulence of Boundary Buoyancy Anomalies
非地转流是由内部位涡和边界浮力的空间变化引起的。我们首先发展了位涡为零的流体中边界浮力异常的地转湍流理论。我们发现，垂直层结控制边界浮力异常的相互作用范围和边界捕获Rossby波的频散。浮力异常在递减分层[ $\mathrm{d}N(z)/\mathrm{d}{z} \leq 0$，其中$N(z)$是浮力频率]上比在递增分层[ $\mathrm{d}N(z)/\mathrm{d}{z} \geq 0$ ]上产生更长范围的速度场和更分散的Rossby波。因此，表面动能谱是陡峭的减少（混合层样）分层比在经典的均匀分层模型。我们还发现，Rossby波与湍流的非线性相互作用自发地重组成均匀的表面浮力区浮力间断分离，尖锐的向东射流在间断为中心。喷流动力学则取决于垂直分层。在渐减层结上，我们得到了由向东传播的色散波扰动的直喷流。在增加层结，我们得到蜿蜒射流的形状演变的时间，由于向西传播的弱色散波。最后，我们研究了边界限制回复力存在下的简正模，最终目的是得到一个能量守恒的准地转方程的模态截断。这样的模态截断将推广经典的$N$层模型来考虑非等熵边界。然而，我们发现，损失的一个重要的对称性的模式之间的垂直耦合防止模式截断保存能量，所以没有这样的模式截断是可能的。
2022-07-19 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A posteriori learning for quasi-geostrophic turbulence parametrization
Univ. Grenoble Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；IMT Atlantique（大西洋国立高等矿业电信学校）；INRIA（法国国家信息与自动化研究所）；Institut Pierre Simon Laplace（皮埃尔·西蒙·拉普拉斯研究所）；IRD（法国国家可持续发展研究所）；Sorbonne Université（索邦大学）；Institut Universitaire de France（法兰西大学研究院）
利用机器学习为气候模型建立次网格参数化正受到越来越多的关注。国家的最先进的战略解决这个问题，作为一个监督学习任务和优化算法，预测次网格通量的基础上，从粗分辨率模型的信息。在实践中，训练数据是从更高分辨率的数值模拟转换，以模仿粗分辨率的模拟。从本质上讲，这些策略优化子网格参数化，以满足所谓的$\textit{a priori}$标准。但是子网格参数化的实际目的是在$\textit{a posteriori}$度量方面获得良好的性能，这意味着计算整个模型轨迹。在本文中，我们专注于在二维准地转湍流的能量后向散射的表示和比较参数化获得不同的学习策略在固定的计算复杂度。我们表明，$\textit{a priori}$标准的基础上产生的参数化，往往是不稳定的直接模拟和描述如何子网格参数化可以选择训练端到端，以满足$\textit{a posteriori}$标准的策略。我们说明，端到端的学习策略产生的参数化，优于已知的经验和数据驱动的计划的性能，稳定性和能力，适用于不同的流配置。这些结果支持未来气候模型的可区分编程范式的相关性。
2022-11-24 cs.LG physics.ao-ph physics.flu-dyn
Internal heating in rapidly rotating convection is not a shortcut to geostrophic turbulence
University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
本研究通过渐近约化准地转模型检验发现，快速旋转对流的内部加热并非地转湍流的捷径，其努塞尔数和雷诺数与无扩散预测值的偏离程度未优于边界加热情形，整体输运标度不足以诊断地转湍流。
2026-11-03 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Geostrophic convective turbulence: The effect of boundary layers
Rayleigh-Bénard（RB）对流，从下面加热和从上面冷却的流体层中的流动，被用来分析热对流向地转制度的转变。在地转制度，这是直接相关的大多数地球和天体物理流动，系统强烈旋转，同时保持足够大的热驱动产生湍流。我们直接模拟了两个热强迫值$Ra=10^{10}$和$Ra=5\cdot10^{10}$的Navier-Stokes方程，普朗特数$Pr=1$为常数，Ekman数在$Ek=1.3\cdot10^{-7}$到$Ek=2\cdot10^{-6}$范围内变化，满足了超临界和强旋转的要求。重点讨论了无滑移边界条件与无应力边界条件在水平板上应用的差异。对于两种边界条件，在大致相同的参数值处发现过渡，即对于~ $Ra=1\times 10^{10}$在~ $Ek\approx 9\times 10^{-7}$处，对于~ $Ra=5\times 10^{10}$在~ $Ek\approx 3\times 10^{-7}$处。然而，过渡是渐进的，并且对于不同的流量指示器，其在~ $Ek$中并不完全一致。特别是，我们报告的传热标度律，边界层的厚度，散逸的体积/边界层分布和平均温度梯度在散装的过渡的特性。对于无滑移和无应力的板块，地转区的流动现象演化是不同的。在无应力条件下，一个大尺度正压涡旋的形成和相应的逆能量级联是明显的。对于无滑移板，没有大规模的相干结构的湍流状态被发现，没有大规模的…
2016-02-01 physics.flu-dyn
On the choice of training data for machine learning of geostrophic mesoscale turbulence
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Center for Ocean Research in Hong Kong and Macau（港澳海洋研究中心）
本文研究海洋建模中旋转分层湍流的涡-平均流相互作用问题，发现从滤除旋转分量的涡通量中学习，能提升数据驱动模型的鲁棒性，并有助于发现未知物理过程。
2023-07-03 cs.LG physics.ao-ph physics.flu-dyn
Small scale quasi-geostrophic convective turbulence at large Rayleigh number
本研究通过数值模拟探究大瑞利数下小尺度准地转对流湍流，发现无扩散标度律趋势、粘性控制的长度尺度及非局域CIA力平衡特征，修正了对高瑞利数区对流动力学的传统认知。
2023-08-21 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Statistics of inhomogeneous turbulence in large scale quasi-geostrophic dynamics
本文研究大尺度准地转模型中急流平均流对二维湍流能量级联的影响，结合准线性分析与直接数值模拟，揭示急流区通过阻断直接级联抑制涨落相互作用，从而决定非均匀湍流的二阶统计特性。
2023-10-28 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
From Geostrophic to Magnetically-Damped Turbulence in Liquid Metal Rotating Magnetoconvection
本研究通过液态镓实验首次测量磁地转状态下的旋转磁对流，揭示了洛伦兹力与惯性力相对大小对流动标度律的影响，发现磁阻尼区传热增强，并外推得到地球核对流的参数区间。
2025-09-03 physics.flu-dyn
A non-intrusive reduced order modeling framework for quasi-geostrophic turbulence
在这项研究中，我们提出了一个非侵入性的降阶建模（ROM）的大规模准平稳系统的框架。本文提出的框架利用长短期记忆（LSTM）递归神经网络的时间序列预测能力，使得：（i）在训练阶段，使用适当的正交分解（POD）变换，根据从高分辨率数据中提取的模态系数训练LSTM模型，以及（ii）在测试阶段，训练模型基于初始时间历程递归地预测总时间的模态系数。为了说明所提出的框架的预测性能，平均流场和时间序列响应的字段值重建从预测的模态系数通过使用逆POD变换。作为一个有代表性的基准测试案例，我们考虑一个二维准地转（QG）海洋环流模型，在一般情况下，显示了巨大的波动的空间和时间尺度的范围。我们首先说明，传统的Galerkin投影为基础的ROM这样的系统需要大量的POD模式，以获得一个稳定的流动物理。此外，ROM-GP似乎没有捕捉到前几个最具活力的模式的动态中出现的间歇性爆发。然而，所提出的基于LSTM的非侵入式ROM框架（ROM-LSTM）即使对于少量POD模式也产生稳定的解决方案。我们还观察到，ROM-LSTM模型能够准确地捕获准周期性间歇性突发，并使用几个先前时间状态的时间历史产生稳定且准确的平均流动态，在本文中表示为回望时间窗口。我们的研究结果表明，拟议的ROM框架是能够预测噪声非线性流体流动的一个非常有效的方式相比，传统的投影ROM。
2019-06-24 cs.CE physics.comp-ph physics.flu-dyn
Online learning of subgrid-scale models for quasi-geostrophic turbulence in planetary interiors
Université Paris Cité, Institut du Physique du Globe de Paris, UMR 7154 CNRS（巴黎cité大学，巴黎物理地球研究所，CNRS UMR 7154）
研究行星内部二维准地转湍流，开发可微求解器，通过直接数值模拟的粗粒度数据在线训练SGS模型，该模型能准确再现多种动力学行为，优于经典方案，为长期地球物理流体过程研究提速。
2026-11-05 astro-ph.EP cs.LG physics.flu-dyn
Adjoint-based online learning of two-layer quasi-geostrophic baroclinic turbulence
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Institut de Physique du Globe de Paris（巴黎地球物理研究所）；Université Grenoble-Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；National Oceanography Centre, Southampton（南安普顿国家海洋中心）；Courant Institute of Mathematical Sciences, New York University（纽约大学柯朗数学科学研究所）
本文研究将流体动力学模型纳入训练过程的在线学习方法，用于两层准地转斜压湍流参数化，并提出完全伴随与近似伴随两种在线方案，证明其技巧和数值稳定性优于离线方法。
2024-11-21 cs.LG physics.ao-ph physics.flu-dyn
Ribbon Turbulence
本文研究了在不稳定的纬向平均流作用下，两层准地转流的非线性平衡，特别注意了底摩擦的作用。在低底摩擦条件下，经典的地转湍流理论预测，在水平方向上，动能与区域尺度上的凝结和垂直方向上的正压性成反比。相反，在大的底部摩擦的限制下，流动由上层的高动能带控制。这些带状物对应于分离均匀化位涡区域的曲折射流。我们解释这些结果，利用这个系统所满足的特殊的守恒定律：动力学可以被重铸在这样一种方式，即所施加的平均流出现在上层位涡水平的初始源。初始的斜压不稳定导致一个湍流，它搅动了这个位涡场，同时保持了位涡水平的全球分布。1-1/2层准地转模式的统计力学理论预言了由最小界面分隔的两个均匀化位涡区的形成。我们表明，动态的丝带之间的竞争的结果达到这种平衡态的倾向，斜压不稳定，诱导曲折的接口。这些曲折间歇性地中断并引起位涡混合，但在整个流动演化过程中，界面保持尖锐。我们发现，对于某些参数制度，带状物作为一个混合障碍，防止放松平衡，有利于出现多个带状射流。
2014-09-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Signatures of geostrophic turbulence in power spectra and third-order-structure function of offshore wind speed fluctuation
本研究基于20个月海上风速数据，通过分析功率谱和三阶结构函数，揭示了高频三维湍流与低频地转湍流的交叉特征，并估算了能量与涡度耗散率，发现400 km的交叉尺度与大气高度无关。
2023-10-19 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A Heuristic Framework for Next-Generation Models of Geostrophic Convective Turbulence
许多地球物理和天体物理现象都是由湍流流体动力学驱动的，其中包含数十个数量级的行为。虽然直接模拟在理解地球物理系统方面取得了很大的进步，但这些模型仍然存在很小的控制参数范围，难以外推到行星环境中。旋转瑞利-贝纳德对流的正则问题提供了另一种方法-在简化的设置中隔离基本物理。旋转对流的理论研究和渐近简化模拟已经揭示了各种可能与自然系统相关的流动行为，但仍然无法直接模拟。代替这一点，几个新的大型旋转对流装置已被设计来表征这种行为。预测这种潜在的新数据流入将如何与现有结果相结合是至关重要的。令人惊讶的是，一个连贯的框架预测极端旋转对流尚未阐明。在这项研究中，我们结合渐近预测，实验室和数值计算结果，和实验的限制，建立一个启发式的框架，广泛的旋转对流研究之间的交叉比较。我们分类的不同领域的现有预测的背景下，渐近流制度。然后，我们考虑的物理约束，确定流动行为的预测和实验的可达性之间的交叉点。将这一框架应用于几种即将推出的设备表明，实验室研究可能很快就能够表征物理相关的流态。这些新的数据可能会改变我们对地球物理和天体物理湍流的理解，这里开发的概念框架应该提供有意义的讨论这些结果所需的理论基础设施。
2018-06-19 physics.flu-dyn
Geophysical turbulence and the duality of the energy flow across scales
海洋和大气以及气候在很大程度上受压力梯度、科里奥利力和浮力之间的相互作用的支配。这导致了一种准地转平衡，在这种平衡中，太阳辐射、风或潮汐注入的能量以一种类似二维的方式以所谓的逆级联的方式进入大尺度。然而，除了Ekman摩擦，能量耗散和湍流混合发生在小尺度上，这意味着通过波涡相互作用\cite{ledwell_00, vanneste_13}或锋生\cite{hoskins_72, mcwilliams_10}，在相反的逆级联与打破地转动力学相关的尺度的形成。这两个可以同时？本文利用旋转分层Boussinesq湍流的三维直接数值模拟，揭示了这种能量的双重行为。我们表明，有效的小尺度混合和大尺度的相干性发展同时在这样的地球物理和天体物理的流量，无论是恒定的流量所需的理论论据，从而清楚地解决了上述矛盾。
2013-09-29 nlin.AO physics.ao-ph physics.flu-dyn
Scale-invariance and characteristic length scale for the large-scale vortices in geostrophic convective turbulence with friction
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；Fudan University（复旦大学）；Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）
通过直接数值模拟研究线性摩擦对旋转瑞利-贝纳德对流中大尺度涡旋尺寸的影响，发现涡旋半径遵循R_LSV~α^{-1/2}，并揭示其源于正压模态的k^{-3}能谱及非局域逆能量传递机制。
2026-06-01 physics.flu-dyn
Velocity structure function in a geostrophic coherent vortex under strong rotation
本文研究了在高速旋转流体中相干地转涡旋背景下湍流脉动的双结构函数。湍流脉动的统计特性是由它们的动力学特性决定的，它们是受涡中的差动旋转和弱粘性阻尼影响的惯性波的动力学特性。我们的考虑受到最小尺度的限制，其中速度场保持平滑。我们建立了结构函数的各向异性。湍流脉动的速度梯度在径向上达到最大值，在流向上达到最小值，类似于在没有施加旋转的情况下具有平均剪切分量的湍流中的行为。
2021-12-11 physics.flu-dyn
Large-scale vortices and zonal flows in spherical rotating convection
出于对恒星和行星内部动力学的理解，我们对旋转球中的Boussinesq对流进行了一组直接数值模拟。该域是内部加热与固定的温度和无应力的边界条件，但固定的热流和无滑移的边界条件也被简要考虑。我们特别关注的大尺度相干结构和平均纬向流，可以在系统中发展。在普朗特数的团结，作为热强迫（测量的瑞利数）增加以上的对流发病的值，我们发现一个松弛振荡制度，其次是地转湍流制度。除此之外，我们第一次看到在旋转轴上形成的大尺度相干涡旋的存在。所有制度的边界都很好地描述了对流Rossby数$Ro_c$的临界值，从振荡到地转湍流的过渡，然后到大尺度涡旋制度的值分别为$Ro_c\approx 0.2$和$Ro_c\approx 1.5$。纬向流由对流Rossby数控制，并在流从地转湍流区向大尺度涡旋区过渡时改变其方向。虽然非纬向流速和热传递可以用地转湍流区的惯性尺度来描述，但大尺度涡的形成似乎会降低非纬向流速和对流热传递的效率。
2021-03-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Heat transport in the geostrophic regime of rotating Rayleigh-B{é}nard convection
本文报道了在具有纵横比$Γ= 1/2$的圆柱形对流单体中旋转Rayleigh-B{é}nard对流热输运的实验测量结果。流体是普朗特数Pr = 0.7的氦气。控制参数的范围是瑞利数$4 \times 10^9 < {\rm Ra} < 4 \times 10^{11}$和埃克曼数$2 \times 10^{-7} < {\rm Ek} < 3 \times 10^{-5}$（对应于泰勒数$4 \times 10^9 < {\rm Ta} < 1 \times 10^{14}$和对流Rossby数$0.07 < {\rm Ro} < 5$）。我们确定交叉弱旋转湍流对流旋转为主的地转对流，通过实验测量的归一化热传输Nu。在地转制度中的旋转状态的热输送，归一化的零旋转热输送，是一致的尺度的$({\rm RaEk}^{-7/4})^β$与$β\approx 1$。一个相图，封装旋转热对流的潜在地转湍流制度的测量。
2013-09-25 physics.flu-dyn
Anisotropy and asymmetry in fully developed turbulence
本文利用高雷诺数湍流的纵向和横向速度实验数据，研究了湍流的各向异性和非对称性。这两种现象似乎都与小尺度湍流结构和湍流度有关。我们可以假设，大尺度速度切变对小尺度湍流产生了冲击，导致了非定域性和相关的异常事件。
2007-05-20 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Impact of ageostrophic dynamics on the predictability of Lagrangian trajectories in surface-ocean turbulence
本文利用含非地转过程的海洋精细尺度湍流模型，比较完整流与地转流驱动的拉格朗日轨迹，揭示非地转运动对长期弥散影响较小但会造成分离速率与轨迹偏差，并增强瞬态粒子聚集。
2024-10-25 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Revealing the drivers of turbulence anisotropy over flat and complex terrain: an interpretable machine learning approach
本研究利用可解释机器学习方法探究湍流各向异性驱动因素，提出递归效应消除法解决特征互相关问题，发现无量纲尺度组更具稳健性，明确了昼夜及不同地形下的关键驱动变量，助力广义MOST在数值模式中的应用。
2025-03-19 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Submesoscale and boundary layer turbulence under mesoscale forcing in the upper ocean
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Politecnico di Torino（都灵理工大学）
研究中尺度涡、次中尺度锋和边界层湍流的相互作用，揭示不同中尺度强迫下次中尺度和边界层湍流的结构和强度异质性。
2026-04-18 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
Maintenance of a columnar vortex by inertial waves in rotational turbulence
Landau Institute for Theoretical Physics, Russian Academy of Sciences（朗道理论物理研究所，俄罗斯科学院）；National Research University Higher School of Economics（国立高等经济大学）；Osipyan Institute of Solid State Physics, Russian Academy of Sciences（奥西普扬固体物理研究所，俄罗斯科学院）
本文提出一种理论，通过外围惯性波吸收维持快速旋转湍流中的地转涡旋，确定其平均速度径向分布，并经实验验证模型有效性。
2026-09-09 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Turbulence in a stably stratified fluid: Onset of global anisotropy as a function of the Richardson number
在稳定分层流体中，需要引入一个外力来诱导湍流。在这种情况下，海森堡涡动粘性技术应该足以计算时空平均量，如作为理查森数的函数的全局各向异性参数。我们发现，分析的各向异性线性增加与理查森数，一个小的二次修正。完整的方程的数值模拟显示的线性行为。
2019-08-30 physics.flu-dyn
Stratification, turbulence organization, and pressure-strain effects on surface-layer turbulence anisotropy
研究揭示了大气表面层湍流各向异性的形成机制，强调了压力-应变效应和传输在湍流组织中的关键作用，提出需采用各向异性Rotta模型以准确描述近地面湍流特性。
2025-12-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Quantitatively mapping the Eady model onto a two-layer quasi-geostrophic model
本文通过定量映射Eady模型与双层准地转模型，揭示了在弱底摩擦条件下，利用2LQG模型的扩散率预测Eady模型的涡旋扩散率的方法。
2025-12-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Flux gradient relations and their dependence on turbulence anisotropy
本文研究通量-梯度关系对湍流各向异性的依赖性，通过引入各向异性作为缩放参数，显著提高了风切变和温度梯度的预测精度，并解决了自由对流状态的幂律问题。
2023-10-11 physics.ao-ph physics.flu-dyn
The effects of Ekman pumping on quasi-geostrophic Rayleigh-Benard convection
三维，快速旋转的Rayleigh-Benard对流的数值模拟进行使用的渐近准地转模型，该模型通过（i）参数化的Ekman泵送边界条件，并（ii）热风边界层，正则化的增强热波动引起的泵送的无滑移边界的影响。的保真度的模式，通过渐进减少的纳维-斯托克斯方程，隐含地执行逐点地转平衡，首次探讨了模拟结果的直接数值模拟和实验室实验的比较。从这些方法的结果已经建立Ekman泵的机制，负责显着提高垂直热传输。当与实验结果和DNS结果进行比较时，该渐近模型在Pr ~1的热强迫范围内表现出很好的一致性，并且在它们可达到的旋转速率的最大值处，如通过Ekman数（E ~ 10^{-7}）测量的;当Pr > 1时，实现了很好的定性一致性。与无应力边界的研究类似，存在四种空间上不同的流动形态。尽管在上边界和/或下边界存在摩擦阻力，但正压的强非局部逆级联（即，与深度无关的）动能在地转湍流的最后状态中持续存在，并且在大尺度上占主导地位。对于混合无滑移/无应力和无滑移/无滑移边界，埃克曼摩擦被发现衰减的高档能量传输的效率，与无应力边界的情况下，迅速饱和的正压动能。对于无滑移/无滑移边界，Ekman摩擦足够强以防止相干偶极涡旋凝聚的发展。相反，涡对被发现是间歇性的，在时间和强度上都不同。
2016-08-08 physics.flu-dyn
Dynamic anisotropy in MHD turbulence induced by mean magnetic field
本文通过对直接数值模拟结果的分析，研究了在大尺度磁场B 0作用下强磁流体湍流中各向异性的发展。我们的结果表明，速度和磁场的不同分量之间发展的各向异性是垂直速度分量u？以及并联分量uk的能量的前向级联。逆叶栅发展为强B 0，其中流动通过抑制沿磁场的波动而呈现强旋涡结构。通过研究各向异性能谱、能通量和不同尺度间的壳-壳能量传递，详细研究了逆级联和正级联。
2017-06-06 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Realizability-Informed Machine Learning for Turbulence Anisotropy Mappings
本研究针对RANS湍流建模机器学习封闭映射的物理可实现性问题，提出可实现性感知损失函数与等变数据驱动湍流建模框架，改进张量基神经网络，在三类流动中验证了稳定性、泛化性与可实现性提升，并探索了KAN在湍流建模中的应用潜力。
2025-08-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Linking dissipation, anisotropy and intermittency in rotating stratified turbulence
分析一个大的数据库的高分辨率的三维直接数值模拟的衰减旋转分层流，我们发现，异常混合和耗散，显着的各向异性，和强烈的不连续性都同时观察到在一个中间政权的参数，其中波和涡非线性相互作用。由分层控制的临界行为发生在Richardson数为1阶时，并且流动接近于不稳定状态。这证实了中央动力学的作用，在旋转分层湍流，大规模的不稳定性，这发生在垂直速度和温度波动，作为一种调整机制的能量转移中存在的强波。
2019-10-05 physics.flu-dyn
A Detailed Examination of Anisotropy and Timescales in Three-dimensional Incompressible Magnetohydrodynamic Turbulence
当磁流体动力学湍流在大尺度平均磁场存在下演化时，相对于该优选方向发展各向异性。众所周知的趋势是，相对于沿着磁场的方向，垂直于磁场的梯度会发展得更强。这种频谱的各向异性与动力学过程的估计时间尺度的各向异性密切相关，需要重新考虑尺度局部性和频谱转移等基本问题。在这里分析的高分辨率三维模拟的非受迫磁流体动力学湍流允许定量评估的行为理论上相关的时间尺度在傅立叶波矢量空间。我们讨论的非线性时间，阿尔文时间，估计频谱传输率的分布。注意被称为频谱的特殊区域，如二维极限和“临界平衡”区域的潜在意义。一个公式的估计频谱传输方面的抑制因子支持的结论，准二维波动（其特征在于强非线性）是不是一个奇异的限制，但可能在一般情况下，预计作出重要贡献。
2020-05-19 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.flu-dyn
Anisotropy and intermittency in drift-wave turbulence with zonal flows: a two-dimensional continuous wavelet analysis
Institute of Materials and Systems for Sustainability, Nagoya University（名古屋大学材料系统可持续研究所）；Institut de Mathématiques de Marseille (I2M), Aix-Marseille Université, CNRS（马赛数学研究所（I2M），艾克斯-马赛大学，法国国家科学研究中心）；National Institute for Fusion Science（国立核聚变科学研究所）
研究带状流漂移波湍流中小尺度下的各向异性和空间间歇性，采用二维方向连续小波变换，应用于修正长谷川-若谷模型涡度场，得出二阶矩在垂直带状流方向增强、空间间歇性在沿带状流方向更显著的结论。
2026-07-14 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Strong anisotropy in quasi-static magnetohydrodynamic turbulence for high interaction parameters
我们模拟强迫准静态磁流体动力学湍流和调查的各向异性，能谱和能流，特别是大的相互作用参数（$N$）。我们表明，能量谱的角度依赖性是很好的量化使用勒让德多项式。对于大的$N$，能谱是指数的。我们的直接计算的能量通量揭示了一个逆级联的能量在低波数，类似于在二维湍流。我们观察到中度$N$（$N \sim 20$）的流动为二维（2D），而$N \ge 27$的流动为二维-3C型。在我们的强制模拟中，从2D到2D-3C的转变发生在比Favier等人更高的$N$值处，[“On the two-dimensionalization of quasistatic magnetohydrodynamic turbulence，”Phys. Fluids 22，075104（2010）]，他们采用衰减模拟。
2014-02-14 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Scaling regimes in rapidly rotating thermal convection at extreme Rayleigh numbers
本研究通过极端参数下的旋转Rayleigh–Bénard对流直接数值模拟，验证了地转湍流的无扩散标度律，并发现随超临界参数降低，地转区间会发生传热标度律的转变。
2023-04-28 physics.flu-dyn
