气态巨行星纬向急流区制中的纬向急流实验

在木星和土星的大气中观测到称为纬向急流的强东西向风，并延伸至其深部内部。我们展示了一个完全三维的深层气态巨行星纬向急流实验室类比的实验结果。我们使用一个快速旋转的深层圆柱形水箱，充以水，并由底部的小尺度水力环流强迫。由于自由表面的曲率，自然地存在地形性 $\beta$ 效应。瞬时湍流纬向急流自发地从小尺度强迫中涌现，在大尺度上达到平衡，并在准稳态下可包含高达流动总动能的 70%。我们表明，实验流动的谱特性与纬向湍流区制中的理论预测一致，该区制被认为与气态巨行星相关。这构成了在完全三维框架下对纬向理论的首次全实验验证。作为补充，准地转（QG）模拟表明该结果对强迫尺度不敏感。接下来，我们量化位涡（PV）混合。尽管 PV 阶梯化应在气态巨行星的渐近区制中出现，但由于强强迫和耗散，仅发生适度的 PV 混合，这一点在更小埃克曼数下的 QG 模拟中得到证实。我们通过测量等效的 Thorpe 尺度来量化局部位涡混合，并确认它可用于估计流动的上尺度能量传递率，否则该传递率需通过要求高得多的谱分析来估计。