热带涡度强迫与球面浅水方程中的超旋转现象

本文研究了球面上非线性浅水方程对热带涡度强迫的响应，重点关注动量通量和超旋转态的出现。在将辐射阻尼和动量拖曳的时间尺度固定为几天量级的情况下，研究表明在稳态大尺度和随机小尺度涡度强迫下，系统会涌现出超旋转态。在第一个例子中，考虑了位于赤道上的一对大小相等、符号相反的涡旋所产生的定常响应。此时，赤道通量收支由涡动通量主导，这些通量驱动系统进入超旋转态。最终，与动量拖曳相关的通量增加以平衡涡动通量，导致在赤道形成具有超旋转急流的稳态。包含这对涡旋的初值问题也表现出由涡动通量驱动的超旋转现象。有趣的是，这个瞬态解会自发地向西传播并持续环绕地球。值得强调的是，这种超旋转态不依赖于任何特定形式的大尺度耗散，事实上即使没有任何大尺度阻尼机制也能观察到。在第二个例子中，在整个热带区域施加了随机小尺度涡度强迫。所获得的统计稳态本质上是相当湍流的，但即便如此，涡动通量仍占主导地位，系统表现出超旋转。重要的是，在这两种情况下，纬向平均纬向流的直接强迫根据构造均为零，赤道处的涡动通量是其向东加速的原因。此外，在这两个例子中，流动的旋转部分主导了动量通量以及定常纬向平均纬向流本身。本文基于位涡和拟能的性质提出了一些论点，以阐明这些结果。