Dual Euler--Poincaré/Lie--Poisson formulation of subinertial stratified thermal ocean flow with identification of Casimirs as Noether quantities
本文提出双欧拉-庞加莱/李-庞松形式，统一描述亚惯性分层热海洋准地转流，识别Casimir为诺特量，并证明其源于变分原理。
2024-12-13 math-ph math.MP physics.ao-ph
Mixing by microorganisms in stratified fluids
我们研究了在稳定分层的海洋中低雷诺数和Péclet数下微生物游泳引起的垂直混合，并表明海洋微泳者对垂直混合的全球贡献可以忽略不计。我们提出了两种方法来估计混合效率，$η$，或势能创造率的总速率的工作在海洋上的微型游泳者的比率。第一个是基于缩放参数和估计$η$之间的比率的典型的生物体的大小，$a$，和一个固有的长度尺度的分层流，$\ell = \left ( νκ/ N^2 \right )^{1/4}$，其中$ν$是运动粘度，$κ$的扩散率，和$N$的浮力频率。特别是，在相关的海洋限制，$a / \ell \ll 1$的小生物，我们预测的缩放$η\sim (a / \ell)^3$。$η$的第二个估计是通过将游泳者建模为正则化的力偶极子来求解完全耦合的流分层问题，并数值计算效率而形成的。我们的计算结果，这是检查所有的比率$a/\ell$，验证的缩放参数的限制$a / \ell \ll 1$和进一步预测$η\approx 1.2 \left ( a / \ell \right )^3$垂直游泳和$η\approx 0.15 \left ( a / \ell \right )^3$水平游泳。这些结果与任何富含生物活性的分层流体有关，意味着海洋中游动微生物的混合效率最多为8%，可能至少小两个数量级。
2014-06-12 physics.flu-dyn
Nonlinear wave-wave interactions in stratified flows: Direct numerical simulations
为了研究海洋内波能谱的形成机制，本文进行了直接数值模拟。模拟是基于简化的旋转分层湍流动力学方程。在简化的动力学方程中，只保留了波模，并排除了涡和水平均匀垂直切变。尽管进行了简化，我们的模拟再现了海洋内波谱的一些关键特征：在近惯性波和现实的频率和水平波数依赖性的能量积累。此外，我们提供的证据表明，在惯性子范围内的能谱的形成占主导地位的尺度分离的相互作用与近惯性波。这些发现支持了海洋学家的直觉，即内波的光谱能量密度主要是波-波相互作用的结果。
2008-04-23 physics.ao-ph physics.flu-dyn
On a new non-Boussinesq instability in stratified lakes and oceans
湖泊和许多其他地球物理流是浅的，密度分层，并包含一个自由表面。传统的层状剪切不稳定性研究采用Boussinesq近似。在这种近似下，由于空气和水之间的大密度变化而产生的自由表面不能考虑在内。因此，自由表面通常是由一个刚性的盖子，并因此具有以下it. In本文中，我们进行了非Boussinesq线性稳定性分析的双循环速度分布普遍存在于两层密度分层湖泊的稳定性影响不大。我们的分析之一是考虑风的存在，而另一个考虑静止的空气。两种分析都显示出相似的增长率和稳定边界。我们比较了我们的non-Boussinesq研究与相应的Boussinesq研究。最大非Boussinesq增长率被发现是一个数量级大于最大Boussinesq增长率。此外，这两项研究中的稳定性曲线非常不同。非Boussinesq不稳定性和Boussinseq不稳定性在体Richardson数的某些子范围内可以变为三维的。为了补充数值稳定性分析，还对代表双循环的简单折线剖面进行了分析研究。分析的增长率是在良好的协议与非Boussinesq数值增长率连续剖面中观察到的。这种非Boussinesq不稳定性背后的物理机制是存在于自由表面（空气-水界面）的表面涡度-重力波与存在于密度跃层（暖水和冷水界面）的界面涡度-重力波之间的共振相互作用。我们预计类似的非Boussinesq不稳定性发生在海洋上层。
2016-10-26 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
Deep learning in the abyss: a stratified Physics Informed Neural Network for data assimilation
CNRS, ENS de Lyon（法国国家科学研究中心，里昂高等师范学校）；Université Grenoble Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）
针对深海数据稀缺导致洋流重构困难的问题，提出分层同化物理信息神经网络StrAssPINN，通过分层网络交互结合动力学先验，在伪观测数据上成功重构海洋流场并解析中尺度特征，为实际应用铺路。
2026-10-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
The dynamics of internal gravity waves in the ocean: theory and applications
在本文中，我们考虑的基本过程中的内部重力波的扰动和传播的海洋模拟为一个垂直分层，水平非均匀，非平稳介质。我们发展了描述波动力学的渐近方法，推广了时空射线追踪方法（一种几何光学方法）。我们提出的分析和数值算法计算的内部重力波场使用实际的海洋参数，如海水的物理特性，地形的底部，等，我们表明，我们的数学模型可以逼真地描述在海洋中的内部重力波动力学。我们的数值和分析结果表明，内重力波有一个显着的影响，在海洋中的水下物体。
2013-08-16 math-ph math.MP physics.ao-ph
Turbulent disruption of density staircases in stratified shear flows
本研究通过降阶模型分析分层剪切湍流中密度阶梯的形成条件，发现菲利普斯机制仅在低湍流普朗特数下有效，海洋中典型高值（Pr_T>0.5-0.7）抑制阶梯形成，解释了海洋内部缺乏密度阶梯的现象。
2023-01-30 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Cluster formation and self-assembly in stratified fluids: a novel mechanism for particulate aggregation
自然界中一个极其广泛和重要的现象类别涉及流体系统中物质在重力作用下的沉降和聚集。一些例子包括：沉积在湖泊和海洋中的海洋雪颗粒（对碳封存至关重要），海洋中的致密微塑料（影响海洋生态和食物链），甚至是水星上的铁雪（作为其磁场源）。这些流体系统都具有稳定的密度分层，已知其通过覆盖下沉颗粒的上部轻质流体来捕获颗粒，从而提供瞬时浮力。目前对这种被困物质聚集的理解涉及碰撞（由于布朗运动、剪切和差异沉降）和粘附。在这里，我们观察和合理化一个新的基本有效的吸引力机制，悬浮在分层的颗粒可以自组装，形成大的聚集体，而不需要短程结合效应。这种现象是通过一个复杂的相互作用，涉及溶质扩散，不可渗透的边界，和聚集体的几何形状，产生环形流。我们表明，这些环形流产生吸引力的颗粒之间的水平力。我们观察到，许多粒子表现出集体运动，揭示了一个自组装的系统，似乎解决了拼图般的拼图，组织成一个圆盘状的形状，随着集体圆盘半径的增加，有效力增加。控制实验与两个对象隔离的个人动态，这是定量预测通过数值积分的基本方程的运动。这一新的机制可能是海洋雪团形成和浮游植物在湖泊和海洋中分布的重要过程。此外，它潜在地提供了一种用于分层材料的一般分选和包装的新机制。
2019-05-18 math.AP physics.flu-dyn
Towards bridging the gap between data-driven and theoretical turbulence closures in stratified flows
New York University（纽约大学）
本文探讨了海洋中尺度涡旋的湍流闭合问题，通过理论分析和数据驱动方法，旨在弥合人工智能与理论流体动力学之间的差距。
2026-06-23 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Interplay of waves and eddies in rotating stratified turbulence and the link with kinetic-potential energy partition
本文采用世界一流的直接数值模拟方法，使用多达$3072^3$网格点，研究了稳定分层旋转流中波与涡的相互作用。引人注目的是，我们发现，从涡波为主的动力学的转变发生在波数$k_R$不依赖于雷诺数，这表明波和涡模式之间的能量分配是不敏感的发展湍流在较小的尺度。我们还表明，$k_R$是可比的波数在动能和潜在的模式之间的交流稳定在接近均分，强调势能的作用，如在大气和海洋中所示。此外，$k_R$变化的弗劳德数的倒数所解释的缩放预测建议，与最近的观测和建模的中间层，低热层和海洋。
2015-11-11 physics.flu-dyn
Deep learning of mixing by two 'atoms' of stratified turbulence
目前的全球海洋模式依赖于特设参数化的diapycnal混合，其中混合的效率是全球性的假设是固定在$20\%$，尽管越来越多的证据表明，这一假设是值得怀疑的。作为小尺度海洋湍流的一种解释，我们可以集中于对Kelvin-Helmholtz（KHI）或Holmboe波（HWI）不稳定性敏感的分层剪切流。最近，通过对这些流动的直接数值模拟（DNS）产生了前所未有的数据量。在本文中，我们描述了深度学习方法的应用，以发现一个通用的参数化的diapycnal混合使用可用的DNS数据集。我们还证明，该模型是更普遍的最近公布的参数化相比。我们表明，一个神经网络适当训练KHI和HWI诱导的湍流是能够预测混合效率与看不见的区域的参数空间远远超出了训练数据的范围。引人注目的是，高层次的模式学习的基础上的KHI和弱分层HWI是“可转移的”预测HWI诱导的混合效率在更强烈的分层条件下，这表明通过适当的网络的应用，密度分层湍流混合的重要的普遍抽象已被确认。
2018-11-03 physics.flu-dyn
Experimental observations of internal wave turbulence transition in a stratified fluid
弱湍流理论应用于内波的最新发展表现出接近海洋Garrett \& Munk谱的动能方程的幂律解，证实弱非线性波相互作用是观测到的海洋谱的可能解释。然而，有限尺寸效应会阻碍有界区域中的波相互作用，观测结果往往与理论预测不同。本文研究了在五角形区域内受内重力波作用的分层流体的动力学特性。我们发现，通过改变形状和增加域的尺寸，有限尺寸效应减小和波湍流观察。在这种情况下，时间谱以与Garrett-Munk谱兼容的斜率衰减。通过改变强迫条件，出现不同的制度，即离散波湍流，弱波湍流，强分层湍流。浮力雷诺数$Re_b$很好地标志着制度之间的过渡，与弱波湍流发生$1\lesssim Re_b\lesssim 3.5$和强烈的非线性分层湍流更高的$Re_b$。
2022-09-08 nlin.CD physics.flu-dyn
From internal waves to turbulence in a stably stratified fluid
本研究在大型 Coriolis 设施中实验模拟了海洋亚中尺度潮汐驱动的分层湍流，发现强非线性内波的破碎触发了小尺度强湍流，且观测到的能谱应归因于强非线性内波而非弱波湍流。
2023-11-22 physics.flu-dyn
Asymptotic Analysis of Subglacial Plumes in Stratified Environments
准确预测冰架上的基础融化速率对于精确预测冰盖的未来行为是必要的。使用海洋模型完全解决空腔环流的计算费用使得这种方法对于多世纪的模拟是不可行的，并且需要熔化速率的参数化。目前，一些最先进的融化速率参数化的基础上出现的冰下羽流理论适用于冰架恒定的底坡和均匀的环境海洋条件下的融化速率的一维近似，在这项工作中，我们提出了一个渐进分析相应的方程中，非恒定的底坡和典型的环境条件。这项分析利用了小的长宽比的冰架基地，相对较弱的热驱动和相对细长的区域分离温暖，咸水在深度和冷，淡水在表面上的环境海洋。我们构建了一个近似的融化率，这是基于这种分析，这表明在各种情况下，与数值解的良好协议，提出了一条改进的预测冰盖模型中的基础融化率的路径。
2022-03-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Global Regularity for an Inviscid Three-dimensional Slow Limiting Ocean Dynamics Model
对于足够光滑的初值，我们建立了三维无粘{ \it慢极限海洋动力学}模型解的整体适定性（解的存在性、唯一性和对初值的连续依赖性）.该模型是由具有周期边界条件的旋转分层Boussinesg方程的强旋转极限导出的。为了建立我们的结果，我们利用开发的工具，调查二维不可压缩欧拉方程和线性输运方程。使用较弱的制定的模型，我们还显示了全球的存在性和唯一性的解决方案，不经常的初始数据。
2013-11-23 math.AP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Resonant Triad Instability in Stratified Fluids
内部重力波有助于流体混合和能量传输，不仅在海洋中，而且在大气和天体中。我们在这里提供了第一个实验测量的增长率的共振三重不稳定性（也称为参数次谐波不稳定性）转移能量到较小的尺度，它是耗散。我们在实验室实验中传播的垂直模式与理论预测进行了仔细和定量的比较。
2012-04-27 physics.class-ph physics.flu-dyn
Shallow water models for stratified equatorial flows
我们的目的是研究一个连续的指定的密度变化对海浪传播的影响。更确切地说，我们推导出KdV型浅水模型方程沿赤道单向流动的完整的控制方程，考虑到一个规定的，但任意的深度依赖的密度分布。在对比的情况下，恒定的密度，我们得到每个固定的水深不同的模型方程的水平分量的速度场。我们推导出这些模型方程的行波解的显式公式，并进行了详细的分析，一个给定的密度分布上的相应的行波的深度结构的效果。
2018-10-25 math.AP physics.flu-dyn
Internal gravity waves in a stratified medium of non-uniform depth
考虑了分层海洋中运动源产生的非简谐内重力波包的重建问题。构造了在光滑变化的地面上运动的源所产生的内重力波场的一致渐近形式。提出的解决方案中的波模式，独立传播的绝热近似，并描述为一个非整数度系列的小参数表征的分层介质。波包的特定形式取决于单个波模的色散曲线的局部行为，该特定形式可以根据模型函数（艾里函数）来参数化。提出了一种改进的时空射线方法，该方法属于几何光学方法。所提出的技术的关键点是可能的一些小参数的非整数度级数的解的渐近表示。
2011-10-27 math-ph math.MP physics.ao-ph
Three-dimensional slow Rossby waves in rotating spherical density stratified convection
本文发展了旋转球形密度分层对流中的三维Rossby慢波理论。Rossby波的频率远小于旋转频率，由基于发展的对流的平衡的非轴对称不稳定性激发。这些波与惯性波和密度分层对流相互作用。对于极低马赫数的流动，采用滞弹性近似来考虑密度分层。我们研究长期行星Rossby波的周期大于两年。我们认为，这些波与南方涛动和厄尔尼诺有关。厄尔尼诺现象是热带太平洋上的风和海面温度的不规则周期性变化，而南方涛动是热带东太平洋和西太平洋之间的表面气压的振荡。南方涛动指数（Southern Oscillation Index，SOI）是南方涛动的一个指数。发展的理论适用于解释的观察周期的SOI。这项研究表明，理论预测和观察之间的良好协议。
2017-07-20 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
On the dynamics of internal waves propagating in stratified media of a variable depth: exact and asymptotic solutions
分层介质（例如海洋或大气）中内波的动力学高度依赖于其底部的地形。只有当配水密度和地板形状用特定函数模拟时，才能导出封闭形式的解析解。在一般情况下，当分层介质的特性和边界条件是任意的，内波的动力学只能用数值方法近似。然而，数值解不能定性地描述波场。同时，在将遥感方法应用于天基雷达应用的研究中，需要对内波远场进行定性分析。在这种情况下，内波的动力学可以用渐近模型来描述。本文导出了描述具有光滑变化底面的分层介质中传播的内重力波远场特性问题的渐近解。
2012-07-06 math-ph math.MP physics.ao-ph
Internal Gravity Waves in a Stratified Fluid with Smoothly Varying Bottom
本文构造了点质量源在缓变底部任意分层流体中运动时内波的远场渐近解。得到的解决方案描述的远场附近的波阵面的每一个单独的模式和远离波阵面和艾里或菲涅耳波的扩展与从相应的程函方程的解决方案确定的参数。波场的振幅由沿射线管的能量守恒定律确定。对于描述陆架典型形态的海底形状和层结的模式分布，得到了射线的精确解析表达式，并分析了波场相结构的性质。
2004-11-01 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
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
Surface reflection of bottom generated oceanic lee waves
由海洋中粗糙海底地形上的分层流产生的背风波从地转流中提取动量和能量，当它们破裂时，在内部海洋中引起阻力并增强湍流和混合。无粘线性理论通常用于预测背风波的产生率，但导致最终能量耗散和不可逆混合的波破碎的位置和机制约束不足。在这项研究中，一个线性模型的粘性，扩散率，和上边界被用来证明潜在的重要性，表面在反射背风波能量回到内部，使情况下作为一个完整的水柱过程治疗背风波。在临界水平的情况下，它表明，背风波可以预期与上层海洋相互作用，导致在表面附近的增强的垂直速度和耗散和混合。增加背景速度和分层与底部以上的高度的典型海洋条件的影响进行了研究，并显示有助于提高上层海洋垂直速度和混合。
2021-03-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn
An inverse technique for reconstructing ocean's density stratification from surface data
在这篇文章中，我们提出了一种逆技术，准确地重建海洋的密度分层配置文件简单地从自由表面高程数据。卫星观测表明，海洋表面含有内潮的特征，内潮是由正压潮汐产生的内重力波。由于内潮包含海洋密度分层的信息，后者原则上可以从自由表面签名重建。我们认为一个简单的理论模型，近似连续分层的海洋作为离散层的恒定浮力频率，这有利于推导出一个封闭形式的色散关系。首先，我们数值模拟玩具海洋场景的内部潮汐生成，随后进行空间-时间傅立叶变换（STFT）的自由表面，从而产生内部潮汐谱与波数对应的潮汐频率。将这些波数代入色散关系，重建密度分布。最后，我们考虑一个更现实的情况，旋转，底部地形，剪切和密度剖面代表直布罗陀海峡。在剪切存在和不存在下的密度重建分别被发现是$90.2\%$和$94.2\%$准确。
2019-06-25 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Bidisperse beds sheared by viscous fluids: Grain segregation and bed hardening
本文通过实验研究了密度比为2.7的粘性流体剪切双分散颗粒床，揭示了分选主要发生在流动初期、床层硬化随时间增强而bedload和creep减弱，并提出了大颗粒分选和床层硬化的特征时间。
2023-10-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
Velocity fields of a bed-load layer under a turbulent liquid flow
在自然界和工业中，沉积物通过流体流动的输送是常见的。在自然界中，它存在于河流，海洋，沙漠和其他环境中。在工业中，它存在于输送谷物的石油管道、下水道系统和疏浚管道中。本研究以实验方式探讨颗粒床中颗粒在紊流剪切下之输送。在我们的实验中，充分发展的湍流水流施加在一个平坦的颗粒床已知的粒度。在试验条件下，颗粒作为推移质运输，即，它们通过彼此滚动和滑动而被夹带，形成移动的颗粒层。目前的实验进行接近起动推移质，颗粒速度的实验数据是稀缺的情况下。与以前的实验不同，入口长度保证了松散床上的水流得到充分发展。在不同的水流量下，使用高速摄像机拍摄运动层，并通过使用本研究过程中开发的数字代码对图像进行后处理来确定颗粒的位移和速度。推移质输沙率估计和相关的水流条件。
2016-08-15 physics.flu-dyn
Dynamics of a buoyant plume in a linearly stratified environment using simultaneous PIV-PLIF measurements
大气和海洋中分层层的存在导致浮力垂直运动，通常称为羽流。为了模拟烟羽的演化和增长，在局部尺度上研究烟羽的混合动力学是很重要的。这种表征需要同时测量混合流体的速度和密度。在这里，我们提出的浮力羽流在线性分层介质中传播的结果，密度差为0.5%，从而产生浮力频率N=0.15 s^{-1}。为了了解羽流行为，测量了沿不同下游位置的中心线和轴向速度、湍流动能、雷诺应力和浮力通量等统计数据。中心线速度随高度的增加而减小。雷诺应力和浮力通量剖面表明存在不稳定层和该层内的混合。
2016-10-24 physics.flu-dyn
Mixing across stable density interfaces in forced stratified turbulence
本文通过受迫分层湍流的直接数值模拟，发现显著标量混合集中在静力稳定的密度界面而非混合层内，且界面处极端通量系数会偏斜总体统计，提示现有海洋混合参数化可能因采样偏差而高估常见混合事件的重要性。
2023-04-19 physics.flu-dyn
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
On the emergence of helicity in rotating stratified turbulence
我们进行数值模拟的衰减旋转分层湍流，并显示，在Boussinesq框架，螺旋度（速度-涡度相关性），观察到的超级单体风暴和飓风，是自发创建的，由于浮力和旋转之间的相互作用共同的大规模大气和海洋流。螺旋度产生于涡旋和惯性重力波（惯性和重力具有各自的相关频率$f$和$N$）的联合作用，并且当波足够强时发生。对于$N/f < 3$的螺旋度产生的量是正确的预测准线性平衡方程。在该区域之外，直到本研究中获得的最高雷诺数，即$Re\approx 10000$，螺旋度的产生被发现是持久的$N/f$大$\approx 17$，和$ReFr^2$和$ReRo^2 $分别大$\approx 100$和$\approx 24000$。
2013-01-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Baroclinic equivalent and nonequivalent barotropic modes for rotating stratified flows
严格地说，地球上的一切自然现象都应放在旋转坐标系下来处理。尽管无旋流体的层流解已经得到了很好的研究，但旋转流体的斜压非等效正压层流解的存在性问题仍然是一个未知数。本文首先探索了所有可能的等效正压层流解，发现了所有可能的斜压非正压椭圆环流和双曲层流模态。斜压EB环流（包括涡列和飓风状涡）具有丰富的结构，这是因为可以使用任意非线性Poison方程的任意解或揭示任意二维流函数。斜压非EB模态的发现推翻了一个已知的猜想。这些结果在大气和海洋动力学、等离子体物理、天体物理等领域有着广泛的应用。
2009-02-15 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Using data assimilation in laboratory experiments of geophysical flows
数据同化用于分层旋转流体中实验室实验的数值模拟。实验是在大型科里奥利转台（法国格勒诺布尔）上进行的，该转台与海洋具有高度的相似性，模拟是用两层浅水模型进行的。由于流量测量的精度和分辨率很高，因此对预报系统进行详细分析是可行的。在海洋一级进行这项工作要困难得多，因为缺乏观测，而且存在准确性和数据取样的问题。这为实用海洋学的实验测试平台开辟了道路。为了说明这一点，给出了两层涡旋斜压不稳定性的一些结果。
2003-02-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Propagating and evanescent internal waves in a deep ocean model
我们提出的实验和计算研究的传播内波在分层流体的指数密度分布模型的深海。浮力频率分布图$N(z)$（与密度梯度的平方根成比例）在流体深度上平滑地变化超过一个数量级，这在深海中是常见的。不均匀分层的特征在于转向深度$z_c$，其中$N(z_c)$等于波频$ω$和$N(z < z_c) < ω$。内波从转向深度反射，并在转向深度以下成为渐逝波。转向深度以下的能量通量呈指数衰减，衰减常数由$ k_c$给出，这是在转向深度的水平波数。转向深度以上入射波和反射波的垂直速度振幅的粘性衰减与先前未经检验的任意分层流体理论在百分之几内一致[Kistovich和Chashechkin，J. App. Mech. Tech. 39，729 - 737（1998）]。
2012-09-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Mixing by squirmers in stratified fluids
本研究通过球形游动体模型量化分层流体中微小游泳者的混合效率，发现近场混合与以往一致，总体混合大于点状游泳者但仍弱；小尺寸游泳者难以显著混合，但提出了若干可促进海洋混合的新途径。
2025-02-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Confronting Grand Challenges in Environmental Fluid Mechanics
环境流体力学是自然界、工业界乃至社会面临的一系列挑战的基础。在未来的几十年里，当我们努力建设一个更可持续的地球时，有一系列需要解决的重大挑战问题，从对分层湍流及其混合的理解和建模的根本性进展，到海洋、大气和城市环境中污染传输的应用研究。2019年1月在法国Les Houches物理学院组织了一次研讨会，目的是聚集该领域的领军人物，为科学界制定路线图。讨论了五个主题领域：多相流、分层流、海洋运输、大气和城市运输以及天气和气候预测。本文总结了会议的讨论和成果，旨在为社区的发展提供资源。
2020-12-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Simultaneous PIV and LIF measurements in stratified flows using pulsed lasers
我们研究的问题，同时进行共面粒子图像测速（PIV）和激光诱导荧光（LIF）测量在分层流体最初在休息。我们的重点是使详细的速度和密度测量在长内波和重力流，通过相对较小的修改典型的现有PIV系统，包括脉冲激光，使用染料浓度作为流体密度的代理。一些问题限制了这种测量。其中包括：（1）激光脉冲之间激光强度和光束结构的变化;（2）PIV粒子优先集中在其中性浮力深度，从而产生不均匀的染料照明;以及（3）需要在大的分层流体体积上保持恒定的折射率。在这里，我们专注于一个实验装置，包括一个分层覆盖深均匀区域。我们使用锁释放装置产生长的内波，以调查包括再循环流体区域（称为“被困核心”）的波的结构，这是目前在海洋学应用中的兴趣。我们保持一个短的光路，并使用速度信息从PIV数据，以尽量减少折射率的问题。我们利用这一事实，即系统最初是在休息，设计一个映射，链接表观和实际的染料浓度，从而回避由于粒子聚类不均匀的照明问题。最后，我们设计了一个程序，以纠正激光功率的变化，沿每一条射线在表中。
2022-07-12 physics.flu-dyn
Nonlinear dynamics at the interface of two-layer stratified flows over pronounced obstacles
本文模拟海洋问题中的有关情况，在简化的二维情况下，对两层分层流体越过陡峭地形障碍物的流动进行了数值和实验研究。实验结果和数值模拟在低弗劳德数在两层分层流和两个突然的障碍物，半圆柱形和棱柱。我们发现四种不同的制度的流动立即过去的障碍：亚临界（I），内部水跃（II），开尔文-亥姆霍兹在接口（III）和脱落的波涛（IV）。利用水力学理论，得到了确定试验边界的临界条件。此外，临界弗劳德数的依赖关系的障碍物的几何形状进行了调查。从制度III到制度IV的过渡解释与理论稳定性分析。稳定性分析的结果与DPIV测量结果一致。在（IV）区，当上游速度足够大时，我们发现射流的Kelvin-Helmhotz不稳定性产生了波涛的脱落。重要的区别与流动，如冯卡门的街道进行了解释。实验结果和数值模拟之间的显着协议。
2008-10-01 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A Versatile Laboratory Approach to Reproduce and Analyze Internal Ocean Wave Dynamics
University of North Carolina, Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校）；Scripps Institute of Oceanography（斯克里普斯海洋研究所）；Wake Forest University（维克森林大学）；Univ. Orléans, INSA CVL, PRISME, UPRES 4229（奥尔良大学，INSA中央-卢瓦尔河谷，PRISME，UPRES 4229）；Arizona State University（亚利桑那州立大学）
本文介绍一种适用于本科生实验的装置，展示海洋中常见波生成与破碎机制，并通过改变浮力雷诺数探讨粘性与惯性/浮力力的作用。
2026-03-13 physics.ed-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Variational Mode Decomposition for estimating critical reflected internal wave in stratified fluid
内波反射产生的剪切在海洋条件下沉积物的输运和再悬浮中起着至关重要的作用。特别地，当这些波经历\textit{critical reflection}现象时，反射波可以产生非常大的剪切。将反射波与入射波分离是一项技术挑战，因为这两种波共享相同的时间频率。在我们的研究中，我们提供了一系列的实验测量的内波在\textit{critical reflection}配置，我们分析了它们使用2D-VMD-prox分解方法。这种分解方法适用于专门分解波的内波临界反射，显示其性能的改善，相对于先前存在的内波分解方法。能够自信地隔离反射波使我们能够将我们的结果与临界反射的粘性和非线性模型进行比较，该模型正确地描述了边界中产生的剪切速率作为实验参数的函数的依赖性。
2020-12-13 physics.flu-dyn
On the contribution of the horizontal sea-bed displacements into the tsunami generation process
海啸产生的主要原因是海底地震引起的海底变形。通常，在没有滑坡的情况下，只考虑垂直的底部运动，而忽略水平的同震位移。在本研究中，我们提出了一种方法的基础上，著名的冈田解决方案，以重建更详细的底部同震位移的所有组件。然后，海床运动耦合到一个三维弱非线性水波求解器，使我们能够模拟海啸波的产生。我们特别注意的动能和势能的演变所产生的波的水平位移的波能量平衡的贡献也被量化。这种水平位移对海啸产生的贡献以前没有讨论过，它不同于现有的方法。在这项研究中提出的方法说明了2006年7月17日爪哇海啸和一些最近的事件。
2012-07-12 physics.ao-ph physics.class-ph physics.comp-ph
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
Internal wave boluses as coherent structures in a continuously stratified fluid
内波在大陆坡变浅时会破碎，形成物质上连贯的旋涡，称为团。这些团块能够捕获并将物质输送到大陆坡，但团块输送的全球范围尚不清楚。以前的研究团的形成主要集中在系统组成的两层均匀的密度，这并不占存在的海洋pyceros线的有限厚度。我们使用双曲正切配置文件来模拟我们的模拟中的密度分层，并展示了对团的密度跃层的影响。一个谱聚类方法被用来客观地识别作为一个拉格朗日相干结构，包含物质平流上坡团。团的大小和位移上坡检查作为密度跃层厚度，入射波能量，密度变化的密度跃层，地形坡度的函数。团块运输对密度跃层厚度的依赖表明，团块在连续分层往往是更大的和运输材料进一步比相应的两层分层。
2020-05-04 physics.flu-dyn
Long ring waves in a stratified fluid over a shear flow
由卫星观测记录的海浪通常具有曲线形的锋面，并在不同的海流上传播。在本文中，我们研究了分层流体中存在与深度相关的水平剪切流时的长线性和弱非线性环形波。它表明，尽管冲突的几何形状的波和剪切流，存在一个线性模态分解（不同于已知的分解在笛卡尔几何），它可以用来描述扭曲的波前的表面和内部波，并系统地推导出2+1维圆柱Korteweg-de Vries型方程的振幅。一般的理论适用于两层流体中的波的情况下，分段恒定电流，强调剪切流的影响的波前的几何形状。波前的畸变由非线性一阶微分方程的奇异解（一般解的包络）描述，构成在此曲线几何中的色散关系的概括。在同一剪切流中传播的表面波和界面波的波前形状存在着显著的差异。
2015-10-30 nlin.PS physics.ao-ph physics.flu-dyn
Shape and size of large-scale vortices: A generic fluid pattern in geophysical fluid dynamics
行星自转将流体运动组织成连贯的、长期存在的漩涡，称为大尺度涡旋（LSV），它在地球物理和天体物理流体的动力学和长期演化中起着重要作用。在这里，使用直接数值模拟，我们表明，LSV在快速旋转的混合对流和稳定分层的流体，它近似的两层，许多地球物理和天体物理流体的顺层动力学，有一个通用的形状，它们的大小可以预测。我们发现，LSV出现在对流区从高档的能量转移，并可以渗透到分层层。在对流层结界面处，LSV芯具有正浮力异常。由于热成风的约束，这种浮力异常导致风的分层，衰减超过一个特征的垂直长度尺度。因此，LSV采取的形状的深度不变的圆柱体与一个有限大小的半径在湍流层和一个穿透半球形的分层层。重要的是，我们证明，当LSV穿透所有的方式通过分层层，并达到边界，是没有滑动，他们饱和的边界摩擦。我们提供了一个预测的穿透深度和最大半径的LSV涡度的函数，分层层的深度，分层。我们的研究结果，适用于气旋LSV，表明LSV在缓慢旋转的恒星和地球的液体核心被限制在对流层，而在地球的大气和海洋，他们可以深入到分层层。
2020-06-17 astro-ph.SR 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
On the Asymmetry of Rotating Stratified Throughflows Across Finite Amplitude Topography. Part I: Injection of Boundary Layer PV
我们提出了一个理想化的研究斜压结构的旋转，分层通过一个有限振幅的脊在f-平面上，迫使一个稳定的，均匀的流入和流出的相等的幅度。由此产生的平衡环流的特点是不稳定的，西方加强边界电流和流量沿f/H等值线顶部的山脊附近的波峰，关闭强制流通。我们发现，定位于侧边界流的底部埃克曼动力学放大了简单拉伸/挤压所预期的分层：沿着与净上坡输送相关的反气旋边界流的强烈分层底部锋面（高PV异常），以及底部混合层锋面（消失的PV异常））位于存在净下坡输送的气旋边界流。与两个锋相关的PV异常由斜压增长导致的平均流和涡旋平流，导致高PV沿脊集中的空间分布，低PV被平流到脊下游的内部海洋中，在中间深度。使用的框架，体积集成PV守恒，其中包括与底部地形的净通量，我们符合从底部边界层的脊和净平流脊的PV注入之间的近似积分平衡。这些研究结果之间的相互作用，了解大规模和底边界动力学的影响进行了讨论。
2021-01-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Lagrangian dispersion in experimental stratified turbulence
Laboratoire des Ecoulements Geophysiques et Industriels (LEGI), Universite Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble-INP（地球物理和工业流动实验室）；Imperial College London（伦敦帝国理工学院）；Laboratoire de Mécanique et ses Interfaces, ENSTA Paris, Institut Polytechnique de Paris（力学及其界面实验室）
通过高浮力雷诺数和低弗劳德数的大规模实验，测量分层湍流中示踪粒子的拉格朗日弥散，发现垂直弥散受浮力尺度约束，速度谱呈1/f³衰减，小尺度呈现强非高斯统计。
2026-06-11 physics.flu-dyn
Vertical transport and confinement of weakly buoyant particles in a convective ocean mixed-layer model
Univ. Lille, ULR 7512–Unité de Mécanique de Lille Joseph Boussinesq (UML)（里尔大学，ULR 7512——约瑟夫·傅立叶力学单元）
本研究通过直接数值模拟揭示，在两层流体模型中，弱浮力颗粒的垂直分布受密度分层与混合层湍流共同控制，并提出了随机模型解释其积累层厚度变化。
2026-09-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Near-Inertial Pollard Waves Modeling the Arctic Halocline
Faculty of Mathematics, University of Vienna（维也纳大学数学系）
本文提出一个精确解，描述北极极地海洋垂直结构，通过非静力近惯性波尔德波建模halocline层，揭示其三层密度结构及上层与下层的波动力学关系。
2026-04-08 math.AP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Convection and intermittency noise in water temperature near a deep Mediterranean seafloor
湍流和内波运动对于深海中的动量、热量和悬浮物的交换很重要，因为深海的密度一般是稳定分层的。湍流生成模型涉及垂直电流差异的剪切变形分层的水域，对流是由（不稳定）浮力驱动。切变生成在分层良好的海洋内部更为普遍，而对流则发生在海面附近，例如通过夜间冷却。远低于表面，西地中海是非常弱的分层，并提供了观测研究深海对流的机会。一组机会主义的高分辨率温度传感器不仅展示了经典的内波诱导湍流，而且还展示了归因于地热加热的对流和与各种混沌理论模型（如1/sigma粉红噪声）相关的光谱特性。（sigma表示频率），主要分布在（0.01 m以上），1/sigma^2布朗噪声，主要出现在距海底约100 m的系泊缆上。近惯性的温度变化被观察到发生到海底，从而扰乱当地的对流湍流制度，以剪切为主的一个临时。海底的整体湍流时间尺度一般小于海底上方约100米处的整体湍流时间尺度（主要是高频运动）。
2023-03-20 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
Evidence for Bolgiano-Obukhov scaling in rotating stratified turbulence using high-resolution direct numerical simulations
我们报告了在没有强迫的情况下，在大尺度各向同性初始条件下，使用在多达4096^3个点的网格上计算的直接数值模拟的旋转分层湍流的结果。雷诺数和弗劳德数分别等于Re=5.4 x 10^4和Fr=0.0242。Brunt-Väisälä波与惯性波频率的比值N/f取为4.95，这一选择适合于模拟中纬度南部深海海洋的动力学。这给出了一个整体浮力雷诺数R_B=ReFr^2=32，这个数值足以在奥兹米多夫尺度以上的小尺度上恢复某些各向同性，但仍然足够适中，可以很好地分辨出波浪盛行的中间尺度。我们专注于大规模的动态，我们发现一个兼容的Bolgiano-Obukhov标度的频谱，并确认弗劳德数的基础上一个典型的垂直长度尺度是为了统一，在垂直方向上的强梯度。两个特征尺度出现从这个计算，并确定从急剧变化的光谱分布的总能量或螺旋度。一个频谱中断也观察到在一个尺度上的动能和潜在的模式之间的能量的分配突然改变，超过这一点的柯尔莫哥洛夫样的频谱恢复。大的倾斜层是无处不在的速度和温度场的流动中，与小理查森数表示的局部翻转事件，和一个小的大规模的增强能量直接归因于旋转的效果也被观察到。
2014-09-15 physics.flu-dyn
