β平面湍流中相干结构涌现的理论

观测表明，行星湍流会自组织成大规模结构，如纬向急流和相干涡旋。行星湍流最简单的模型之一是考虑在随机搅拌维持湍流的β平面通道上的正压流。该模型的非线性积分显示，随着强迫能量输入率的增加，流动的均匀性被破坏，涌现出非纬向的、相干的、向西传播的结构，而在更高的能量输入率下则涌现出纬向急流。我们利用非平衡统计理论，即随机结构稳定性理论 (S3T，此前称为 SSST)，研究非纬向相干结构的涌现。S3T 直接对统计平均湍流态进行二阶近似建模，并允许识别统计湍流平衡态及其稳定性研究。利用 S3T，确定了正压β平面湍流中均匀态的分岔性质。获得了因结构不稳定性而涌现的纬向和非纬向大规模相干流的解析表达式。通过对 S3T 动力系统的数值积分，发现不稳定结构在有限振幅处达到平衡。非线性方程的数值模拟证实了 S3T 预测的结构特征（尺度、振幅和相速度）。