进动驱动湍流中地转涡旋与惯性波之间的相互作用

我们利用直接数值模拟及在傅里叶空间中对底层动力学过程的分析，研究了进动驱动的旋转湍流的特性。研究在局部旋转坐标系中进行，其中进动产生背景剪切流，该剪切流线性失稳并破碎为湍流。我们观察到，这种进动驱动湍流总体上以共存的二维（2D）柱状涡旋和三维（3D）惯性波为特征，其相对能量取决于进动参数 $Po$。这些涡旋类似于地转湍流的典型凝聚态，沿旋转轴排列（该方向波数为零，$k_z=0$），并由 3D 波通过能量的非线性传递供给；而波（$k_z\neq0$）则直接由背景流的进动不稳定性供给。涡旋自身经历能量逆级联，并在傅里叶空间中呈现各向异性。对于大多数地球与天体物理应用典型的 $Po<0.1$ 较小值且雷诺数足够高的情况，由于涡旋与小尺度波的交替，流动呈现强烈的振荡（突发）演化。另一方面，在较大的 $Po>0.1$ 时，湍流为准稳态且仅具轻微涨落，此状态下共存的柱状涡旋与波导致分裂（同时逆与正向）级联。增大进动强度会使波相对涡旋增强，能谱趋近于 Kolmogorov 标度，因此进动机制抵消了旋转的影响。