大尺度强迫下二维稳定层结湍流的唯象分析

在本文中，我们表征了在强、中、弱稳定层结的二维（2D）湍流在大尺度随机强迫下的能谱标度，以及能量与涡量的跨尺度传输。在强层结情况下，大尺度垂直剪切水平流（VSHF）与小尺度湍流共存。VSHF 由内部重力波组成，湍流流动的动能（KE）谱遵循近似的 $k^{-3}$ 标度，其 KE 通量为零且具有稳健的正涡量通量。湍流势能（PE）的谱也近似遵循 $k^{-3}$ 幂律，其通量指向小尺度。对于中等层结，不存在 VSHF，湍流流动的 KE 表现出 Bolgiano-Obukhov 标度，该标度从大尺度的平缓 $k^{-11/5}$ 形式过渡到小尺度更陡的近似 $k^{-3}$ 标度。整个尺度范围显示出强烈的向前涡量通量，且有趣的是，大（小）尺度显示出逆（向）KE 通量。此状态下的 PE 通量指向小尺度，且 PE 谱以近似 $k^{-1.64}$ 标度为特征。最后，对于弱层结，KE 向上尺度传输且其谱紧密遵循 $k^{-2.5}$ 标度，而 PE 表现出向前传输且其谱显示近似 $k^{-1.6}$ 幂律。对于所有层结强度，总能量总是从大尺度流向小尺度，并且几乎所有谱指数都可以通过考虑相应通量的尺度依赖性本质来很好地解释。