波致涡旋反冲与非线性折射

当涡旋折射表面波时，波携带的动量通量改变方向，且波对涡旋施加一个反作用力。我们通过实验研究了由此产生的涡旋变形。入射表面重力波撞击在流体层底部由磁流体力学驱动的速度为 $U_0$ 的稳定涡旋上。波导致涡旋中心沿垂直于波传播方向发生偏移，同时表面涡量减小。我们在 Craik 和 Leibovich (1976) 提出的框架内解释这两个现象：我们识别出无量纲 Stokes 漂移 $S=U_s/U_0$ 为相关控制参数，其中 $U_s$ 为波的 Stokes 漂移速度。我们提出了一个简单的涡线模型，表明涡旋中心的偏移源于 Stokes 漂移对涡量的平流与涡旋自平流之间的平衡。表面涡量的减小被解释为快速 Stokes 漂移将涡量驱逐至深部所导致的后果。这一纯流体动力学过程类似于通过电磁趋肤效应，快速运动的导体对磁场的磁流体力学驱逐。我们研究了快速 Stokes 漂移极限下的涡量驱逐，并推导出表面涡量以 $1/S$ 的比例减小，该预测与实验数据相符。此类波致涡旋变形对波折射的非线性机制具有重要影响：折射角随波强度迅速减小。