斜压平面湍流中的多稳态与罕见自发转变

我们证明，类似于木星带的、准定常的湍流纬向急流实际上是亚稳的。在极长时间后，它们会随机切换到具有不同急流数目的新构型。该现象的普遍性表明，大多数准定常湍流行星大气在外部强迫参数固定时可能具有多种气候和吸引子。一个关键信息是，这种情况通常无法通过简单地运行数值模式来检测，因为从一个气候转变到另一个气候的平均转变时间极长。为了研究此类现象，我们需要使用特定工具：稀有事件算法和 large deviation theory (大偏差理论)。借助这些工具，我们对一个经典的斜压平面准地转模式进行了完整的统计力学研究。它表现出稳健的双峰性和突变。我们表明新急流从西向急流自发成核。数值计算的平均转变时间与 Arrhenius law (阿伦尼乌斯定律) 一致，显示概率随 Ekman dissipation (埃克曼耗散) 减小而呈指数下降。这一现象由称为{\it instantons} (瞬子) 的罕见噪声驱动路径控制。此外，我们计算了相应有效动力学的鞍点。对于具有三条交替急流的状态动力学，我们揭示了一个由置换对称群 ${\cal S}_3$ 控制的出乎意料的丰富动力学，具有两个不同的瞬子族，这对于一个在此模型数百次先前模拟中一切似乎都是定常的系统而言是令人惊讶的。我们讨论了将我们的方法推广到更真实模式的未来方向。