Direct Simulations of Wind-Driven Breaking Ocean Waves with Data Assimilation
一个配方是开发同化海浪数据到数值流分析（NFA）代码。NFA是一种基于笛卡尔的隐式大涡模拟（LES）程序，具有VOF界面捕捉功能。连续同化的数据到NFA允许更高的带宽比可能使用其他配方，如高阶谱（HOS）的方法，或现场测量的海浪物理学的详细分析。提供了一个框架，用于吸收流动的波浪和旋涡部分。轻推用于同化低波数的波浪数据，而高波数的波浪数据通过非线性相互作用、波浪破碎和风强迫自然形成。同样地，风中的平均涡流和风吹流的垂直廓线被轻推，并且湍流波动被允许自然形成。作为示范，一个JONSWAP波谱的HOS的结果同化研究短峰海风平衡。对数剖面同化为平均风和平均风吹流。资料同化的结果是：（1）碎波作用下形成的风列和旋转急流，（2）风和横向漂移的弯曲，（3）海洋边界层上部的旋转急流被组织成朗缪尔池，（4）大气边界层下部的旋转急流被组织成风条，（5）海洋边界层上部的旋转急流被组织成风条，（6）海洋边界层下部的旋转急流被组织成风条，（7）海洋边界层下部的旋转急流被组织成风条，（8）海洋边界层下部的旋转急流被组织成风条，（9）海洋边界层下部的旋转急流被组织成风条，（10）海洋边界层下部的旋转急流被组织成风条，（10）海洋边界层下部的旋转急流被组织成风条，（10）海洋边界层下部的旋转急流被组织成风条，（10）海洋边界层下部的旋转急流被组织成风条。（5）朗缪尔胞和风纹的长度和时间尺度随着远离自由表面而增大…
2014-10-01 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Wave energy converters as offshore wind farm guardians: a pathway to resilient ocean systems
波浪能转换器可有效减少近海风电场涡轮机疲劳损伤，降低整体系统成本，促进可持续海洋系统发展。
2025-12-12 physics.ao-ph physics.flu-dyn
On the modeling of nonlinear wind-induced ice-drift ocean currents at the North Pole
本文基于地球物理流动控制方程，通过薄壳与切平面近似推导北极中心区域非线性冰漂流方程，并在拉格朗日形式下得到含振荡叠加、埃克曼流及地转流的精确解，为北极冰漂流建模提供方法与解。
2025-08-22 math.AP math.DS physics.ao-ph
On the Upper Ocean Turbulent Dissipation Rate due to Very Short Breaking Wind-Waves
Sutherland和Melville（2015年a）研究了从大尺度白浪到微型碎浪的不同碎浪尺度对海洋表面波边界层总耗散率的相对贡献。根据他们对各种波龄的破碎波的几何/运动学特性的测量，他们推断出破碎的耗散率是尺度的函数。这些结果进行了比较，其补充测量的总耗散率在底层波边界层。他们报告说，总的深度集成的水柱耗散率符合从破碎波的年轻到非常古老的风海耗散率。他们还报告说，在非常靠近海面的地方，观测到的消散率很高。他们的结论是，这表明总耗散率的很大一部分是由于非空气夹带的微型破碎机和非常小的白浪。由于其基本的重要性，无论是物理和精确的海气相互作用建模，我们评估这些结论的有效性。我们的数据分析表明，微型破碎机和小白浪不作出显着的贡献，在波边界层的总湍流耗散率。
2016-02-22 physics.ao-ph physics.flu-dyn
How winds and ocean currents influence the drift of floating objects
北极冰山、不受约束的海冰、浮油、红树林漂流物、丢失的货物集装箱和其他漂浮物已知以相对于水的盛行风速度的2-4%移动，尽管物体的材料性质、形状和大小存在巨大差异。在这里，我们将重新讨论密度、纵横比、蒙皮和形阻力在确定风和水流如何驱动物体方面的作用。理想化的理论考虑表明，虽然参数空间的端部成员（非常薄或厚，非常轻或密集的物体）存在很大的差异，但漂浮物体的最现实情况是以自由流风速（在物体表面边界层外测量）的$\approx$ 3%漂移。这种关系被称为各种类型漂浮物漂移的长期经验法则，源于空气密度与水密度之比的平方根。我们支持我们的理论研究结果与水槽实验使用浮动物体的密度和形状的范围。
2022-01-30 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Sea Surface Roughness Dependence on Ocean Wave Parameters through Large Eddy Simulation with Local Subfilter Wave Drag
Princeton University（普林斯顿大学）
开发局部尺度不变的子滤波波浪阻力模型，通过大涡模拟研究波浪参数（有效波高、谱峰频率）对动量通量的非单调影响，揭示海气动量交换需同时考虑风和波浪效应。
2026-06-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A dynamic wall modeling approach for Large Eddy Simulation of offshore wind farms in realistic oceanic conditions
本研究为大涡模拟开发了一种动态波阻模型，通过动态评估亚滤波粗糙度来量化多尺度动态粗糙表面对大气边界层的影响，并准确预测了海上风电场的平均速度剖面与功率产生。
2023-05-19 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Energy spectra of the ocean's internal wave field: theory and observations
加勒特和蒙克频谱的海洋内波的高频限制和观察到的偏差，它形成一个模式与波动湍流理论的预测一致。特别地，Garrett和Munk谱的高频极限构成相应动力学方程的{ \it精确}稳态解。
2003-12-30 math-ph math.MP physics.ao-ph
Effects of microplastics and surfactants on surface roughness of water waves
在本文中，我们研究了最近开发的遥感检测海洋微塑料的能力，这是基于可测量的表面粗糙度减少微塑料在海洋表面上的存在引起的流动物理。特别是，我们感兴趣的是这种粗糙度的降低是由作为漂浮颗粒的微塑料引起的，还是由遵循与微塑料相似的传输路径的表面活性剂引起的。为此，我们实验测试的影响，浮动颗粒和表面活性剂对表面粗糙度，量化的均方斜率（MSS），与波产生的机械波制造商或风。对于微塑料，我们发现它们对波能和MSS的影响主要取决于覆盖的表面积分数，而与测试范围内的颗粒尺寸无关。仅在高于$O(5-10\%)$的分数下观察到颗粒阻尼，这比实际海洋条件高得多。对于表面活性剂，其对机械产生的不规则波的阻尼效果一般随表面活性剂的浓度而增加，但没有观察到对应于最大阻尼的最佳浓度，与以前基于单色波的研究相反。在风浪实验中，表面活性剂的存在抑制了波浪的产生，这是由于减小的风切应力和增加的波浪阻尼的综合效应。对于相同风速，风应力与表面活性剂浓度呈幂律关系。这些研究结果的影响，遥感进行了讨论。
2021-11-13 physics.flu-dyn
Gyre Turbulence
本文通过二维风生海洋模型发现一种能量耗散与粘性无关的湍流渐近状态，并用普朗特边界层标度分析证明边界不稳定性足以将风能排出大尺度环流。
2024-05-02 physics.flu-dyn
Phase-resolved ocean wave forecast with simultaneous current estimation through data assimilation
在Wang & Pan（J. Fluid Mech.，vol.918，A19，2021），作者开发了第一个基于集合的数据同化（DA）能力，用于海洋表面波的重建和预报，即耦合集合卡尔曼滤波（EnKF）和高阶谱（HOS）方法的EnKF-HOS方法。在这项工作中，我们继续丰富的方法，允许它同时估计的洋流场，这是在一般情况下不知道的先验，可以（缓慢）在空间和时间上的变化。为了实现这一目标，我们将海流（作为未知参数）对波浪的影响，建立HOS-C方法作为前向预测模型，并通过迭代EnKF（IEnKF）方法获得（海流）参数和（波浪）状态的同时估计，这是处理DA问题的复杂性所必需的。新的算法，命名为IEnKF-HOS-C方法，首先在各种形式（稳态/非稳态，均匀/非均匀）的电流合成问题进行了测试。结果表明，IEnKF-HOS-C方法不仅能够准确地估计流场，而且相对于最先进的EnKF-HOS方法，还能够提高波场的预测精度（甚至）。最后，使用来自船载雷达的真实数据，我们表明，IEnKF-HOS-C方法成功地恢复了与浮式浮标的现场测量相匹配的当前速度。
2022-04-06 physics.flu-dyn
Modern aerodynamics models do not capture important unsteady forces--the failure of the quasi-steady approximation
Princeton University（普林斯顿大学）
本研究发现准稳态近似法在宽频率范围内失效，传统模型会显著低估现代大型风力涡轮机叶片的载荷，尤其是失速工况附近。
2026-08-14 physics.flu-dyn
Time-varying wind-turbine wakes at high Reynolds numbers
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；Queen’s University（女王大学）
研究高雷诺数下风力发电机尾流的时变特性，探讨时变扰动对尾流动力学的影响，发现尾流扰动以尾流速度非线性传播，需通过拉格朗日变换考虑尾流运动以实现准稳态描述。
2026-03-20 physics.flu-dyn
Transitions of zonal flows in a two-layer quasi-geostrophic ocean model
我们考虑一个2层的准地转的海洋模式，其中上层是被迫由一个稳定的Kolmogorov风应力在一个周期性的通道域，这使得数学研究的非线性发展所产生的流动。该模型支持稳定的平行切变流作为对风应力的响应。当切变流的最大速度（相当于风强迫的最大振幅）超过一个临界阈值时，纬向急流由于斜压不穩定而不稳定，我们数值模拟了第一次转变的发生。我们得到约化方程的系统使用的形式主义的动态过渡理论，并建立两个方案，完全描述了这第一个过渡。一般的情况是，两个模式成为关键和霍普夫分岔发生的结果。根据一组适当的参数描述中纬度海洋流，我们表明，这第一个过渡是连续的：超临界Hopf分叉发生和稳定的时间周期解分叉。我们还研究了双Hopf分叉的情况下发生的线性稳定性问题的四种模式同时不稳定的纬向射流。在这种情况下，我们证明，在相关的参数制度，流动表现出一个连续的过渡伴随着一个分叉的吸引同胚$S^3$。该吸引子的拓扑结构进行了详细分析，并示出依赖于系统参数。特别是，这个吸引子包含（稳定或不稳定）的时间周期解和一个拟周期解。
2022-05-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
On large-scale wind-drift ocean currents: An asymptotic approach in spherical coordinates
University of Vienna（维也纳大学）；Leibniz Universität Hannover（汉诺威莱布尼茨大学）；TU Graz（格拉茨工业大学）
从旋转球坐标系下的Navier-Stokes方程出发，通过双渐近展开推导非赤道风生漂流的大尺度模型，保留经典埃克曼螺旋结构，并计算表面偏转角与观测一致。
2026-09-04 math-ph math.AP math.MP
Overlapping boundary layers in coastal oceans
由于海底相互作用的存在，近岸区域的边界层湍流不同于深海区域。本文采用大涡模拟方法，通过数值求解波浪平均方程，研究了有限水深近岸海洋中表层和底层边界层的合并问题。海洋流体是由风应力、表面波和存在稳定垂直层结的恒定电流的联合作用驱动的。产生的流动由两个重叠的边界层组成，即表面和底部边界层，由内部分层分离。重叠边界层的发展经历了快速加深、振荡平衡和迅速合并三个阶段，其间有两个转捩。合并前，在分层层中观察到内波，内波主要由表面边界层中的朗缪尔湍流激发。这些波对底部产生的湍流产生明显的调制，促进表面和底部边界层之间的相互作用。合并后，原本局限于表层的朗缪尔环流被发现在尺寸上增长并向下延伸到海底（即使表面波感觉不到底部），让人想起组织良好的朗缪尔超级单体。这些全深度的朗缪尔环流促进了垂直混合并增强了底部剪切，导致垂直柱中湍流水平的显著增强。
2021-03-26 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Linear and nonlinear filtering for a two-layer quasi-geostrophic ocean model
针对两层准地转海洋模型高分辨率计算昂贵的问题，本文引入线性或非线性微分低通滤波，使极粗网格仍能准确模拟双涡基准，非线性滤波实现30至300倍加速。
2024-04-17 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
The Role of Wind Waves in Dynamics of the Air-Sea Interface
风浪被认为是海气界面上的一种中等尺度的小尺度动力过程，它从根本上调制着水和空气中边界层的中尺度动力过程。结果表明，为了定量描述这种影响，可以采用加入动力大气边界层（DABL）和动力水上层（DWUL）的数值风浪模式。本文在风浪谱演化机理的数学表示的基础上，给出了风向上层海洋传递能量和动量问题的数学形式。通过引入特殊的系统参数：相对波浪能输入率IRE和相对波浪能耗散率DRE，定量地解决了这个问题。对于两种简单的波源情况，给出了IRE和DRE值的某些估计，并给出了风海对大气边界层和水上层特性影响的计算实例。结果表明，加入DABL和DWUL两个模块的新一代（第五代）风浪模式，可以成为描述海气环流的通用模式的一个重要环节。
2010-06-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Wave-wave interactions and deep ocean acoustics
在没有航运和野生动物的情况下，深层海洋声学是由表面过程驱动的。最好理解的是由非线性表面波相互作用产生的信号，Longuet-Higgins机制，其在0.1至10 Hz之间占主导地位，并且对于另一个倍频程可能是重要的。对于这个源，压力和矢量速度的频谱矩阵推导出的点附近的底部的深海休息的弹性半空间。在没有底的情况下，矩阵元素的比值是普适常数。底部效应破坏了通常的“驻波近似”，但一个较弱形式的近似被证明是成立的，这是用于数值计算。在弱驻波近似下，矩阵元的比值与表面波谱无关，而与频率和传播环境有关。来自夏威夷2号天文台的数据在0.1到1赫兹之间的频率与理论非常一致，在更高的频率上则不太一致。在数据中确实观察到谱比对风和可能的波浪不敏感。
2013-03-29 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Interacting internal waves explain global patterns of interior ocean mixing
本文利用波-波相互作用理论并结合局地与全球观测，首次从第一性原理解释了全球海洋内部内波破碎驱动的湍流混合模式，为海洋环流模式提供了完全基于物理的波驱动混合参数化基础。
2024-08-12 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
DiuSST: A conceptual model of diurnal warm layers for idealized atmospheric simulations with interactive SST
针对现有平板海洋模型无法捕捉日海表增温风依赖性的问题，提出显式深度分辨的上层海洋温度动力学模型DiuSST，经贝叶斯校准后性能与精细参数化模型相当，可作为理想化大气模拟的交互式边界条件。
2024-06-18 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
A note on the lower boundary condition for Ekman flows
University of Vienna（维也纳大学）；Leibniz Universität Hannover（汉诺威莱布尼茨大学）
该研究指出风驱动海洋流分析中中深度无应力边界条件会产生非物理流剖面，结合WKB近似论证深海无滑移条件仍可使埃克曼输送与风应力近似正交，纠正了相关边界条件的错误假设。
2026-09-16 math-ph math.AP math.MP
Role of Surface Gravity Waves in Aquaplanet Ocean Climates
我们提出了一套理想化的数值实验的冬至水行星海洋和研究的热力学和动力学的影响表面重力波（SGW）后，其平均状态。水行星的海洋环流主要由赤道纬向急流和四个埃克曼驱动的纬向翻转环流（MOC）细胞与西风大气急流和东风信风在两个半球对齐。包括SGW参数化（代表海气动量通量，朗缪尔环流和斯托克斯-科里奥利力的调制）增加混合层垂直动量扩散约。40%，并抑制表面动量通量约。百分之四相应减弱的MOC通过减少热量和盐的大尺度平流输送，使赤道纬度变清（蒸发量减去降水量[E-P]为负），并使副热带盐度增加（E-P为正），从而影响1公里深度的海洋密度结构。百分之一中纬度密度跃层在两个半球加深纳入SGW。将SGW纳入水行星海洋模型可使混合层深度增加约100%。10%（中纬度地区冬季高达20%），减少200米以上的垂直切变，改变当地中纬度浮力频率。一般来说，SGWs对水行星海洋的影响在较冷和较暖的气候中是一致的。我们认为，这些模拟的影响可能是相关的了解未来的预测SGW气候，系外海洋，南大洋混合层的动态。
2021-06-09 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
