Convective heat transport in stratified atmospheres at low and high Mach number
我们研究完全可压缩对流的背景下，平面平行，多方分层大气。我们进行了一套二维和三维模拟，其中我们改变初始超绝热性（$ε$）和瑞利数（Ra），而固定的初始密度分层，纵横比，和普朗特数。演化的热输运，量化的努塞尔数（Nu），遵循的标度关系类似于那些在研究充分，不可压缩的瑞利-贝纳德问题。这种缩放在2D和3D中都成立，并且不受$ε$的大小的明显影响。
2017-08-29 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Convectively coupled equatorial trapped waves in stars and planets
本文研究了旋转恒星中有无磁场的对流耦合赤道俘获波。赤道捕获HD和MHD庞加莱，Rossby，混合Rossby-Poincaré，开尔文波被确定。研究了层结和非传统科里奥利力项的影响。当水流为强分层时，对流耦合模型的波频与浅水模型的波频基本相同。然而，当流动是弱分层，波的频率受到浮力频率。非传统的科里奥利项影响赤道波的宽度和相位。随着非传统科里奥利参数的增加，宽度增加。当包含非传统的科里奥利参数时，会发生相移。当磁场较强时，磁效应显著。我们将该模型应用于太阳大气和太阳速跃层中，解释了Rieger型周期。对于太阳大气，当考虑磁场效应时，我们发现太阳光球层的磁场应小于$5G$。否则，Rieger型周期只能归因于长Rossby波。对于太阳速跃层，我们发现要观测到160天的Rieger周期，太阳速跃层的磁场应小于$50kG$。另外，我们还发现非传统科里奥利项在光球层中的影响并不明显，但它对速跃层的影响是显著的。
2021-09-29 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Thermal expansion of atmosphere and stability of vertically stratified fluids
研究地球大气热膨胀对流体垂直分层稳定性的影响，发现其导致不可压缩流动失稳，推导出经热膨胀系数修正的Brunt-Väisälä频率新表达式并揭示失稳临界值。
2023-06-29 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
A Westervelt equation for acoustic wave propagation through weakly stratified, arbitrary Mach number atmospheres
针对任意马赫数弱分层大气中的次声非线性传播问题，本文推导了一个 Westervelt 方程，以支持低保真数值方法开发并替代高成本 DNS。
2024-01-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn
The hydrodynamic thermal continuum, with applications to stratified atmospheres and 1D coronal loop models
本文通过解析与数值方法证明了非绝热分层大气及一维日冕环模型中存在热连续统，提出了控制所有本征模的通用方程，并阐明了其在驱动日冕雨等多热现象中的关键作用。
2025-06-30 astro-ph.SR physics.flu-dyn
On Linear and Nonlinear Acoustics in Stratified, Variable-Area Ducts and Atmospheres, and Lighthill's Proposition
本文研究了在一维流动约束下，变截面通道内分层流体中的线性和非线性波。我们推导出一个修改后的版本的黎曼不变量，是有关波的光度。这个量服从线性理论中的一个简单动力学方程，从中可以很容易地看出波的反射规律，并且在高频极限下是守恒的。根据Lighthill的建议，我们应用线性绝热不变量来预测轻度非线性波。这只会引起适度的误差。我们发现，莱特希尔的标准，冲击形成基本上是准确的领先的冲击，并在高频波的冲击。我们的结论是，近似不变量可以用来准确地预测低振幅声脉冲的自失真，以及弱冲击的耗散模式，在复杂的环境，如恒星信封。我们还确定了完全非线性解决方案的一类限制性问题。
2020-11-14 astro-ph.SR 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
Computation of Thermodynamic and Hydrodynamic Properties of the Viscous Atmospheric Motion on the Rotating Earth in 2D Using Naiver-Stokes Dynamics
本文将地球低层小尺度涡旋建模为旋转球面上的可压缩中性流体，利用纳维-斯托克斯方程和有限差分法数值计算二维粘性大气运动的热力学与流体动力学性质，并分析了科里奥利力对合速度及波动现象的影响。
2021-06-24 physics.flu-dyn
Generation Model of a Spatially Limited Vortex in a Stratified Unstable Atmosphere
本文提出一个理想流体框架下的非线性解析模型，研究不稳定分层大气中高度受限轴对称涡旋的生成与演化，揭示速度分量的双曲正弦增长、指数增长及方位角速度的超指数增长规律。
2024-09-04 math-ph math.MP nlin.SI
Energy cascades in rotating and stratified turbulence in anisotropic domains
ENS（巴黎高等师范学院）
研究显示，在旋转和层化湍流中，逆向能量级联可在特定条件下由干燥流体动力学产生，可能影响中间尺度大气自组织过程。
2025-08-01 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Turbulence in stratified atmospheres: implications for the intracluster medium
团内介质（ICM）中的气体运动受分层湍流控制。分层湍流与Kolmogorov（各向同性，均匀）湍流有着根本的不同;动能不仅从大尺度到小尺度级联，而且还转化为浮力势能。为了了解ICM中的密度和速度波动，我们对亚音速湍流（具有均方根马赫数$\mathcal{M}\approx 0.25$）和不同层次的分层进行了高分辨率（$1024^2\times 1536$网格点）流体动力学模拟，分层由Richardson数$\mathrm{Ri}$量化，从$\mathrm{Ri}=0$（无分层）到$\mathrm{Ri}=13$（强分层）。我们量化的密度，压力和速度场变化的分层，因为观测研究经常使用表面亮度波动来推断的ICM湍流气体速度。我们发现，对数密度波动的标准偏差（PDMATHAMR），其中$s=\ln(ρ/\left<ρ(z)\right>)$，增加与PDMATHAMO。对于弱分层亚音速湍流（$\mathrm{Ri}\lesssim10$，$\mathcal{M}<1$），我们导出了一个新的$σ_s$-$\mathcal{M}$-$\mathrm{Ri}$关系式，$σ_s^2=\ln(1+b^2\mathcal{M}^4+0.09\mathcal{M}^2\mathrm{Ri}H_P/H_S)$，其中$b=1/3$ - $1$为湍流驱动参数，$H_P$和$H_S$分别为压力和熵标度高度。我们…
2020-03-25 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.ao-ph
The formation and dissipation of current sheets and shocks due to compressive waves in a stratified atmosphere containing a magnetic null
我们研究了磁流体动力学波在一组数值模型中的传播和耗散，每个模型都包括一个类似太阳的分层大气和一个具有零点的磁场。所有模拟具有相同的磁场配置，但不同的过渡区高度。压缩波包被引入到模拟的光球部分，并朝着零作用，使其坍缩成电流片，然后进行重连。坍缩的零形成电流片，这是由于磁扰动无法穿过零而导致的强磁压梯度。虽然零电流片经历了多次重联事件，由于反复反射的下边界，我们没有发现任何证据的振荡重联所产生的动力学零本身。波模转换周围的零产生一系列的慢模式冲击本地化附近的每个分界线。冲击强度在每个分界线上是不对称的，因此随后的冲击阻尼在每个分界线上产生切向不连续性，具有长寿命的电流密度。注入波能量达到零的参数研究证实了我们以前的WKB估计。最后，使用目前估计的光球声功率，我们估计，冲击和欧姆加热，我们描述的可能占$\approx1-10\%$的辐射损失从日冕亮点具有类似的拓扑结构，同样不足以占较大的结构，如短暂的区域的损失。与此同时，动力学是可比的拟议机制产生II型针状体。
2019-06-05 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.flu-dyn
Energy Conservation and Gravity Waves in Sound-proof Treatments of Stellar Interiors: Part I Anelastic Approximations
恒星内部的典型流动比声速慢得多。为了跟踪亚音速运动的缓慢演化，各种隔音方程被广泛使用，特别是在恒星天体物理流体动力学中。这些低马赫数方程包括滞弹性方程。一般来说，这些方程在近似绝热分层的区域（如恒星对流区）是有效的，但在亚绝热、稳定分层的恒星辐射内部可能无效。了解对流区和辐射内部之间的耦合是一个至关重要的问题，可能对太阳和恒星发电机理论有很强的影响，因为两者之间的界面，称为太阳的速跃层，在许多太阳发电机理论中起着至关重要的作用。本文研究了稳定层结大气中重力波的性质。特别是，我们探讨如何处理重力波在各种隔音方程。我们发现，一些滞弹性处理无法保存能量在稳定的分层大气，而不是保存伪能量，取决于分层，我们证明了这一点的数值。一个滞弹性方程组在所有的大气中都是能量守恒的，我们提供了将低马赫数滞弹性代码转换成这组方程的建议。
2012-07-11 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Penetration of boundary-driven flows into a rotating spherical thermally-stratified fluid
出于地球上的机构内的动力学，我们认为一个旋转的，强烈的热分层流体在一个球壳受到规定的横向不均匀的热通量条件在外边界。使用数值模型，我们探索了广泛的三个关键的无量纲数：热分层参数（相对大小的边界温度梯度施加垂直温度梯度），$10^{-3} \le S \le 10^{4}$，浮力参数（应用边界热通量异常的强度），$ 10^{-3} \le B \le 10^{6}$，和埃克曼数（粘性科里奥利力的比率），$10^{-6} \le E \le 10^{-4}$。我们发现稳定和时间依赖的解决方案，并划定时间制度的边界。我们专注于稳态的解决方案，其中一个明确的过渡被发现之间的低$S$制度，其中浮力占主导地位的动态，和高$S$制度，其中分层占主导地位。对于后一种情况，径向和水平速度分别按$u_r \sim S^{-1}$、$u_h \sim S^{-\frac{3}{4}}\ B^{\frac{1}{4}}$标度，并局限于域外缘深度为$(S\ B)^{-\frac{1}{4}}$的薄层内的边界诱导流。对于地球，如果下地幔的不均匀结构主要是由于化学异常，我们估计，核心是在高$S$制度和稳定的流动所产生的强烈的外边界热异常不能穿透稳定层。然而，如果地幔的不均匀性是由于热异常和热通量的变化是大的，核心将在一个低$S$制度，其中稳定层可能是由边界驱动的流动穿透。
2018-07-19 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
Topological transition in stratified fluids
兰姆波是被捕获的声-重力波，其沿着密度分层的可压缩流体中的固体边界在很长的距离上传播能量。它们构成了行星大气爆炸的有用指标。当密度分层超过某一阈值或边界不透性条件放宽时，大气兰姆波突然消失。在这里，我们使用拓扑参数来预测可能存在的新的被困的羔羊般的波在没有一个坚实的边界，取决于分层配置文件。的拓扑起源的兰姆波强调有关它们的存在进行相反的陈数的两个波段交叉点。这些能带交叉的存在与垂直镜像对称性的恢复相吻合，而垂直镜像对称性通常会被引力破坏。从这个角度来看，类兰姆波也与量子谷霍尔效应中遇到的边界模具有很强的相似性。我们的研究表明，存在的羔羊般的波编码基本信息的基础分层配置文件中的天体物理和地球物理流，这往往是不好的约束观测。
2019-05-02 cond-mat.mes-hall 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
Radial Trapping of Thermal Rossby Waves within the Convection Zones of Low-Mass Stars
本研究推导了低质量恒星分层大气中大气波的色散关系，揭示了热Rossby波在恒星对流区内可被径向陷俘于波导中并沿纬向自由传播，并指出太阳对流区下部可能存在此类稳定波动。
2022-05-04 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The Traditional Approximation of Rotation including the centrifugal acceleration for slightly deformed stars
传统旋转近似（TAR）是对旋转稳定分层流体动力学方程的处理，其中忽略了沿熵（和化学品）分层方向的科里奥利加速度的作用，同时假设流体运动主要是水平的，因为它们在垂直方向上受到浮力的抑制。这导致忽略了旋转矢量的水平投影的重力惯性波（GIWs）的动力学方程，成为可分离的非旋转的情况下，而不是在与全科里奥利加速度的情况下。这种近似已被广泛应用于恒星（和行星）天体物理学研究低频GIWs。TAR是建立在恒星是球形（即忽略其离心变形）和均匀旋转的假设上的，同时采用了对波动力学的绝热处理。然而，它最近已被概括为包括差异旋转的影响。我们的目标是做一个新的概括，考虑到离心加速度的情况下，适度均匀旋转变形的恒星。在差分旋转的球形星的情况下，问题成为2D，但可以处理分析，如果假设考林，滞弹性和JWKB近似，这是相关的低频GIWs。它使我们能够推导出一个广义拉普拉斯潮汐方程的水平本征函数和渐近波周期，可用于探测旋转变形恒星的结构和动力学感谢asteroseismology。其特征值和水平本征函数的第一个数值探索显示了它们的变化作为不同的旋转速率和频率的伪半径的函数和避免交叉的发展。
2019-08-18 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
