Wave-driven geostrophic vortices in rotating turbulence
Landau Institute for Theoretical Physics, Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院朗道理论物理研究所）；HSE University（高等经济大学）
该研究通过旋转湍流直接数值模拟，揭示惯性波驱动地转涡旋的机制，发现地转模式能量占比随旋转速率非单调变化，快速旋转可抑制湍流二维化。
2026-10-14 physics.flu-dyn
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
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
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
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
The reflection-transmission problem for inertial waves on geostrophic shear layers
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；Northwestern University（西北大学）
本文研究了惯性波与地转流的相互作用，发展了一个准二维分析模型，揭示了在薄地转剪切层中惯性波的反射和透射特性，展示了超临界剪切层作为低通滤波器的作用，允许低波数波通过。
2025-09-09 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
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
An asymptotic model for the propagation of oceanic internal tides through quasi-geostrophic flow
从流体静力Boussinesq方程出发，我们推导出一个时间平均的“流体静力波方程”，它描述了惯性重力内波通过准地转流的传播。推导过程中采用多时间尺度渐近方法，将波场演化隔离在比波周期长得多的时间间隔内，假定波场具有明确的非惯性频率，如中纬度半日潮的频率，忽略了非线性波-波相互作用，并且对背景密度分层或波场与准波场之间的相对空间尺度没有限制。地转流因此，流体静力波动方程是一个简化的模型，适用于大尺度内潮在非均匀运动海洋中的传播。通过与线性化Boussinesq方程和静力Boussinesq方程的数值比较，验证了静力波动方程的正确性，并说明了当准地转流太强和波频太接近惯性波时，模型失效的方式。
2016-12-28 physics.flu-dyn
Near-resonant instability of geostrophic modes: beyond Greenspan's theorem
通过数值和理论分析，探讨了旋转流体中惯性波与地转模的近共振相互作用。当单一惯性波作用时，我们发现某些地转模态在Rossby数$kRo$的阈值以上是不稳定的。我们表明，这种不稳定性所造成的三元相互作用，涉及两个惯性波和地转模式，使其本征频率的总和是非零的。我们推导出这种近共振不稳定性的增长率的理论比例。在低$kRo$下，由全局旋转速率缩放的增长速率与$(kRo)^2$成比例，并且对于较大的$kRo$，转变为$kRo$缩放。这些缩放与直接数值模拟非常一致。这种不稳定性可以解释最近由波驱动的地转不稳定性的实验观测。
2020-06-01 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Evaluation of Analytical Turbulence Closures for Quasi-Geostrophic Ocean Flows with Coastal Boundaries
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文评估了四种分析子格距闭合方法在准地转海洋流含海岸边界时的性能差异，通过先验和后验分析揭示了不同闭合方法对相位和特征重构误差的处理差异。
2025-09-14 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
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
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
The inertial wave activity during spin-down in a rapidly rotating penny shaped cylinder. Part I The quasi-geostrophic trigger
在先前的论文中，Oruba，Soward和Dormy（J.Fluid Mech.，vol.818，2017，pp.205-240）考虑了粘度为$ν$的恒定密度流体的主要准稳态地转（QG）运动，该运动在半径为$L$和高度为$H$的圆柱形容器中的线性自旋下降期间发生，围绕其对称轴快速旋转（角速度$Ω$），受到$L=H$情况下的混合刚性和无应力边界条件的影响。在这里，直接数值模拟（DNS）在大$L= 10 H$和埃克曼数$E=ν/H^2Ω=10^{-3}$揭示了结构化的惯性波活动的自旋下降的时间尺度。基于$E\ll 1$的分析研究建立在Greenspan和Howard（J.Fluid Mech.，vol.17，1963，pp.385-404）用于无限平面层$L\to\infty$。在距离对称轴大但有限的距离$r^†$处，导致QG自旋下降的回旋（QG-）流被侧向边界$r^†=L$阻挡，这为惯性波提供了QG触发。在无界层的真实情况是复杂的，进一步的最大频率（MF）的惯性波（瞬态埃克曼层的表现形式）的格林斯潘和霍华德确定的第二组的存在。它们在$r^†=L$的阻塞为我们在后续（第二部分）中考虑的更多惯性波提供了次级MF触发器。在这里，QG触发器，我们解决了一个线性初值问题的拉普拉斯变换方法。随后的复杂的惯性波结构解释近似我们的圆柱形几何在大半径的矩形笛卡尔几何，有效的$L-r^\star=O(H…
2019-05-01 physics.flu-dyn
Thermalization and free decay in Surface Quasi-Geostrophic flows
本文导出了截断无粘表面准地转（SQG）方程的统计平衡解，并在截断SQG方程的数值模拟中验证了这些解的有效性。结果表明，拟能热化，而能量可以凝聚在最严重的模式，在协议与以前的指示的直接级联拟能和逆级联的能量在强迫耗散SQG系统。在早期，截断无粘SQG模拟显示的行为让人想起强迫耗散SQG湍流，我们确定的能量和拟能谱的谱标度律。最后，粘性和无粘模拟之间的比较，使我们能够确定在非常大的雷诺数的SQG湍流拟能的自由衰减相似律。
2012-03-09 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.data-an
Impact of domain anisotropy on the inverse cascade in geostrophic turbulent convection
研究了区域各向异性对快速旋转Rayleigh-Bénard对流（RRBC）地转湍流区逆级联的影响。在水平方向具有方形截面的周期性畴中，存在充满畴的偶极态。对于矩形周期域的Kolmogorov流组成的周期性阵列的交替单向射流与嵌入式涡观察，连同一个潜在的弱曲折横向射流。在由外部施加的小振幅噪声驱动的弱耗散二维流中以及在经典流体静力学地转湍流中发生的类似转变是无粘能量守恒和位涡拟能的结果，并且可以使用统计力学考虑来理解。RRBC代表了一个重要的三维系统，只有一个无粘不变量，但表现出大尺度结构驱动的内在产生的波动。
2017-11-06 physics.flu-dyn
Score-based stochastic reduced-order models of barotropic quasi-geostrophic turbulence
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
针对湍流粗粒化建模中未解析尺度反馈难以表示的问题，提出基于分数的随机降阶模型，其平稳分布与数据一致，动力学校准可再现波数壳能量相关性，且校准无需前向积分。
2026-09-29 nlin.CD physics.flu-dyn
A posteriori learning for quasi-geostrophic turbulence parametrization
Univ. Grenoble Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；IMT Atlantique（大西洋国立高等矿业电信学校）；INRIA（法国国家信息与自动化研究所）；Institut Pierre Simon Laplace（皮埃尔·西蒙·拉普拉斯研究所）；IRD（法国国家可持续发展研究所）；Sorbonne Université（索邦大学）；Institut Universitaire de France（法兰西大学研究院）
利用机器学习为气候模型建立次网格参数化正受到越来越多的关注。国家的最先进的战略解决这个问题，作为一个监督学习任务和优化算法，预测次网格通量的基础上，从粗分辨率模型的信息。在实践中，训练数据是从更高分辨率的数值模拟转换，以模仿粗分辨率的模拟。从本质上讲，这些策略优化子网格参数化，以满足所谓的$\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}$标准的策略。我们说明，端到端的学习策略产生的参数化，优于已知的经验和数据驱动的计划的性能，稳定性和能力，适用于不同的流配置。这些结果支持未来气候模型的可区分编程范式的相关性。
2022-11-24 cs.LG physics.ao-ph physics.flu-dyn
On the choice of training data for machine learning of geostrophic mesoscale turbulence
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Center for Ocean Research in Hong Kong and Macau（港澳海洋研究中心）
本文研究海洋建模中旋转分层湍流的涡-平均流相互作用问题，发现从滤除旋转分量的涡通量中学习，能提升数据驱动模型的鲁棒性，并有助于发现未知物理过程。
2023-07-03 cs.LG physics.ao-ph physics.flu-dyn
Geostrophic convective turbulence: The effect of boundary layers
Rayleigh-Bénard（RB）对流，从下面加热和从上面冷却的流体层中的流动，被用来分析热对流向地转制度的转变。在地转制度，这是直接相关的大多数地球和天体物理流动，系统强烈旋转，同时保持足够大的热驱动产生湍流。我们直接模拟了两个热强迫值$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
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
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
Inertial wave and zonal flow in librating spherical shells
本文数值研究了球壳在纵向振动（一种旋转速率的振荡变化）驱动下的惯性波和纬向流。内部剪切层是由于Ekman边界层在临界纬度处的破裂而产生的。我们的数值结果验证了以前的研究预测的内剪切层的标度律。平均纬向流由边界层中的非线性相互作用驱动。内部流体中惯性波的非线性相互作用对纬向流没有明显的贡献。由于临界纬度处边界层的非线性和内部剪切层的反射点，产生了多个地转剪切层。我们还研究了地转剪切层的标度律，并将结果外推到行星环境中。
2014-03-07 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 generalized wave-vortex decomposition for rotating Boussinesq flows with arbitrary stratification
线性波和地转（涡）的解决方案被证明是一个完整的基础物理变量$(u,v,w,ρ)$在旋转的非静力Boussinesq模式与任意分层。因此，流体可以明确地分离成线性波和地转分量在每个时刻的时间，而不需要时间滤波。然后，可以诊断流体的时间变化的波和地转系数在每个独特的波数和模式，包括那些不可避免地发生由于非线性相互作用。我们证明，这种方法可以用来确定哪些物理相互作用导致模式之间的能量转移的非线性运动方程投影到波涡的基础上。在特定的例子中，我们表明，在地转平衡叠加惯性振荡在表面的涡流能量从惯性振荡内部重力波模式。这种方法可以更普遍地应用于确定哪些机制参与波和涡之间的能量传递，包括它们各自的尺度。最后，我们表明，在波涡基础上表示的非线性运动方程的计算效率为某些问题。在分层配置文件随深度变化强烈的情况下，这种方法可能是一个有吸引力的替代传统的旋转Boussinesq流的光谱模型。
2020-07-31 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Measuring fluxes between wave and geostrophic features in rotating non-hydrostatic flows with variable stratification
该研究提出了一种框架，用于在具有变量层结的旋转非静力流中分离波和地转成分，并量化其能量通量和转移。
2025-11-22 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Absorption and reflection of inertial waves by a geostrophic vortex
Landau Institute for Theoretical Physics, Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院朗道理论物理研究所）；National Research University Higher School of Economics（国立高等经济大学）
本研究针对快速旋转流体中惯性波与地转涡旋的相互作用，推导分析了涡旋背景下的柱面波方程，明确了波吸收/反射的角动量条件，修正了临界层附近的短波近似并建立了考虑粘性耗散的模型。
2025-10-01 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
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
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
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
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
The stability of propagating plane inertial waves in rotating fluids
Columbia University（哥伦比亚大学）；IRAP, Université de Toulouse, CNRS, UPS, CNES（图卢兹大学、法国国家科学研究中心、南法第一大学、法国国家空间研究中心）；University of Leeds（利兹大学）
研究旋转流体中传播平面惯性波的稳定性及非线性破裂机制，揭示其在湍流和能量传输中的作用。
2026-02-11 astro-ph.EP astro-ph.SR 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
Critical latitude in global quasi-geostrophic flow on a rotating sphere
该研究用保持 Casimir 的全球准地转模拟考察无强迫耗散地转湍流，揭示纬向急流形成的临界纬度及其在弱旋转、强层结下的消失规律。
2024-09-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Libration-driven inertial waves and mean zonal flows in spherical shells
我们太阳系中的几个行星体由于与其轨道同伴的引力相互作用而经历强迫天平动，导致其金属液体核心或地下海洋中复杂的流体运动。在这项研究中，我们数值研究纵向振动球壳的流动。我们专注于几个剪切层的Ekman数的依赖性时，天平动频率小于旋转频率的两倍，天平动振幅小。随时间变化的流动主要由在临界纬度处由于Ekman泵激奇点而激发的惯性波组成，形成锥形剪切层。特别是，以前的理论研究提出了不同的缩放的锥形剪切层产生的临界纬度的内边界。我们的数值结果支持Le Dizès \& Le Bars（2017）预测的速度幅度缩放$\mathrm{O}(\varepsilon E^{1/12})$，而不是Kerswell（1995）最初提出的缩放$\mathrm{O}(\varepsilon E^{1/6})$，尽管我们计算中的Ekman数还不够小，无法确定这种缩放。在边界层中的非线性相互作用驱动一个平均纬向气流，并伴有几个地转切变。数值结果表明，与临界纬度相关的地转切变在内外边界上具有相同的尺度，即在$\mathrm{O}(E^{1/5})$宽度上的振幅为$\mathrm{O}(\varepsilon^2 E^{-1/10})$。数值结果表明，除了与临界纬度有关的地转切变外，惯性波的反射还可以在宽度为$\mathrm{O}(E^{1/3})$的范围内产生振幅为$\mathrm{O}(\varepsilon^2…
2020-05-13 astro-ph.EP physics.flu-dyn
A Heuristic Framework for Next-Generation Models of Geostrophic Convective Turbulence
许多地球物理和天体物理现象都是由湍流流体动力学驱动的，其中包含数十个数量级的行为。虽然直接模拟在理解地球物理系统方面取得了很大的进步，但这些模型仍然存在很小的控制参数范围，难以外推到行星环境中。旋转瑞利-贝纳德对流的正则问题提供了另一种方法-在简化的设置中隔离基本物理。旋转对流的理论研究和渐近简化模拟已经揭示了各种可能与自然系统相关的流动行为，但仍然无法直接模拟。代替这一点，几个新的大型旋转对流装置已被设计来表征这种行为。预测这种潜在的新数据流入将如何与现有结果相结合是至关重要的。令人惊讶的是，一个连贯的框架预测极端旋转对流尚未阐明。在这项研究中，我们结合渐近预测，实验室和数值计算结果，和实验的限制，建立一个启发式的框架，广泛的旋转对流研究之间的交叉比较。我们分类的不同领域的现有预测的背景下，渐近流制度。然后，我们考虑的物理约束，确定流动行为的预测和实验的可达性之间的交叉点。将这一框架应用于几种即将推出的设备表明，实验室研究可能很快就能够表征物理相关的流态。这些新的数据可能会改变我们对地球物理和天体物理湍流的理解，这里开发的概念框架应该提供有意义的讨论这些结果所需的理论基础设施。
2018-06-19 physics.flu-dyn
Beta-plane turbulence above monoscale topography
利用单层QG模型，研究了随机单尺度地形对强迫β平面湍流的影响。强迫是一个均匀的稳定的风应力，产生一个均匀的大尺度纬向流$U(t)$和较小尺度的宏观湍流（包括立涡和瞬态涡）。流动$U(t)$被埃克曼阻力和由涡流产生的区域平均地形形状应力阻滞。地形形状应力通常平衡大部分施加的风应力，而Ekman阻力提供平衡风功所需的所有能量耗散。统计平衡的解决方案的集合描绘的主要流态和依赖的时间平均$U$的问题参数和统计特性的地形。如果$β$小于地形PV梯度，则流动由附着在闭合地转等值线口袋上的停滞池组成。停滞的死区被喷流包围，通过该区域的气流被集中到开放的地转等值线的狭窄通道中。如果$β$与地形PV梯度相当或大于地形PV梯度，则所有的地转等值线都是开放的，气流在整个区域内均匀分布。在这种情况下，存在“涡流饱和”状态，其中$U$对风应力的变化不敏感。我们表明，涡流饱和需要强大的瞬态涡流作为PV扩散。这种PV扩散并不改变立涡的能量，但它确实通过增强地形坡度和立涡压力场之间的相关性来增加地形形状应力。最后，使用的能量和拟能的基础上的界限，我们表明，作为风应力增加的流过渡从一个政权，在该政权中的形式应力平衡的风应力的形式应力是非常小的和大的运输环境。
2017-04-19 physics.ao-ph 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
Dynamical regimes and clustering of small neutrally buoyant inertial particles in stably stratified turbulence
稳定分层流中的惯性粒子在海洋物理学中起着重要作用，从海洋中营养物的动力学到大气中污染物的扩散。我们认为Maxey-Riley方程的小中性浮力惯性粒子在Boussinesq近似，并讨论其有效性的限制。我们发现，粒子的行为作为强制阻尼振荡器，不同的制度取决于粒子的斯托克斯数和流体的Brunt-Väisälä频率。使用直接的数值模拟，我们研究的颗粒动力学，我们表明，在这些流动中的小中性浮力颗粒往往集群在低的局部涡度区域。这些粒子虽然很小，但其行为与示踪剂有着根本的不同。
2022-12-07 physics.ao-ph physics.flu-dyn
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
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
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
Dynamics of Elastic-Inertial Turbulence
这部电影说明了最近的数值和实验发现的一种新的状态的湍流稀释聚合物溶液，弹性惯性湍流。弹性-惯性湍流的特征在于混沌流动状态，其中惯性和弹性效应（其相对贡献随雷诺数而变化）控制流动动力学。
2012-10-17 physics.flu-dyn
Statistical mechanics of quasi-geostrophic flows on a rotating sphere
统计力学为二维无粘湍流中相干结构的出现提供了一个很好的解释：虽然由欧拉方程描述的细颗粒涡量场随着时间的推移变得越来越明显，但其动力学演化受到某些全局守恒定律（能量、卡西米尔不变量）的约束。因此，对于任何给定的积分约束，粗粒涡量场都可以通过标准的统计力学参数（依赖于二维欧拉流的哈密顿结构）来预测。有人认为，该理论同样适用于地球物理湍流;特别是在准地转方程的情况下，位涡发挥平流量的作用。在这项研究中，我们分析表明，米勒-罗伯特-Sommeria理论导致非平凡的统计平衡准地转流旋转球，有或没有底部地形。我们首先考虑流动没有底部地形和一个无限的Rossby变形半径，有和没有角动量守恒。在考虑角动量守恒的情况下，我们报道了一个与自发对称性破缺有关的二级相变。在第二步中，我们处理的一般情况下，任意的底部地形和有限的Rossby变形半径的流动。以前的研究仅限于在平面域中的流动与固定或周期性的边界条件与β效应。在这些不同的情况下，我们能够分类的统计平衡的大规模流动通过其唯一的宏观特征。我们建立了系统的相图，并讨论了各种统计系综的关系。
2012-04-28 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.flu-dyn
Lagrangian time scale of rotation for inertial fibers in isotropic turbulence
使用时间分辨测量的刚性惯性纤维的取向在一个惯性坦克，我们调查的自相关性，他们的翻滚率。在忽略光纤惯性的情况下，基于光纤长度L的Kolmogorov惯性距离定标法可以很好地预测相关时间（$τ_d$）。对于惯性纤维，我们提出了一个简单的模型，考虑纤维的惯性（由翻滚斯托克斯数测量）和粘性扭矩，准确地预测相关时间和翻滚速率的方差。
2019-10-05 physics.flu-dyn
Impact of ageostrophic dynamics on the predictability of Lagrangian trajectories in surface-ocean turbulence
本文利用含非地转过程的海洋精细尺度湍流模型，比较完整流与地转流驱动的拉格朗日轨迹，揭示非地转运动对长期弥散影响较小但会造成分离速率与轨迹偏差，并增强瞬态粒子聚集。
2024-10-25 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Large-scale vortices and zonal flows in spherical rotating convection
出于对恒星和行星内部动力学的理解，我们对旋转球中的Boussinesq对流进行了一组直接数值模拟。该域是内部加热与固定的温度和无应力的边界条件，但固定的热流和无滑移的边界条件也被简要考虑。我们特别关注的大尺度相干结构和平均纬向流，可以在系统中发展。在普朗特数的团结，作为热强迫（测量的瑞利数）增加以上的对流发病的值，我们发现一个松弛振荡制度，其次是地转湍流制度。除此之外，我们第一次看到在旋转轴上形成的大尺度相干涡旋的存在。所有制度的边界都很好地描述了对流Rossby数$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
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
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
Inertial spheroids in homogeneous, isotropic turbulence
本文研究了{ \it惯性}圆盘和杆在三维均匀各向同性湍流中的旋转动力学。特别是，我们展示了如何对齐和去相关的时间尺度，这样的球体依赖，关键是，在这两个水平的惯性和纵横比，这些粒子。这些结果说明了惯性的影响-这导致了局部流动几何形状的优先采样-对湍流中圆盘和杆的统计数据。我们的研究结果是重要的各种自然和工业环境中的不对称，球状惯性粒子的湍流运输是无处不在的。
2018-08-03 physics.flu-dyn
