[论文解读] Zonal jets at the laboratory scale: hysteresis and Rossby waves resonance

Daphné Lemasquerier, Benjamin Favier+1 more|St Andrews Research Repository (St Andrews Research Repository)|Aug 24, 2020

Oceanographic and Atmospheric ProcessesEarth and Planetary Sciences参考文献 112被引用 20

一句话总结

本实验研究在具有强而均匀的地形β效应和小尺度湍流强迫的旋转水槽中，研究了区带急流的形成。通过时间分辨的粒子图像测速（PIV），识别出两种急流态之间的亚临界分岔：低强迫下为弱而稳定的急流，高强迫下为强而动态的宽急流，其成因是强迫罗斯比波与背景纬向流之间的共振。

ABSTRACT

The dynamics, structure and stability of zonal jets in planetary flows are still poorly understood, especially in terms of coupling with the small-scale turbulent flow. Here, we use an experimental approach to address the questions of zonal jets formation and long-term evolution. A strong and uniform topographic $β$-effect is obtained inside a water-filled rotating tank thanks to the paraboloidal fluid free upper surface combined with a specifically designed bottom plate. A small-scale turbulent forcing is performed by circulating water through the base of the tank. Time-resolving PIV measurements reveal the self-organization of the flow into multiple zonal jets with strong instantaneous signature. We identify a subcritical bifurcation between two regimes of jets depending on the forcing intensity. In the first regime, the jets are steady, weak in amplitude, and directly forced by the local Reynolds stresses due to our forcing. In the second one, we observe highly energetic and dynamic jets of width larger than the forcing scale. An analytical modeling based on the quasi-geostrophic approximation reveals that this subcritical bifurcation results from the resonance between the directly forced Rossby waves and the background zonal flow.

研究动机与目标

• 在受控的实验室条件下，理解行星尺度流动中区带急流的自组织机制。
• 研究小尺度湍流强迫与大尺度区带急流动力学之间的耦合机制。
• 确定不同急流态之间转变的机制，特别是强而宽急流的出现机制。
• 检验罗斯比波共振在将区带流放大至超过直接强迫作用之外的作用。

提出的方法

• 使用具有抛物面自由表面和特殊设计底板的水-filled 旋转水槽，产生强而均匀的地形β效应。
• 通过在水槽底部六圈环形区域控制水流循环，施加小尺度湍流强迫，模拟局部能量输入。
• 采用时间分辨的粒子图像测速（PIV）测量全场速度，以捕捉急流的形成与演化过程。
• 采用准地转分析模型解释分岔行为，整合雷诺应力和罗斯比波动力学。
• 通过在特定兴趣区域测量均方根速度，现场校准强迫，以量化强迫幅值。
• 对模型参数（摩擦系数、β效应、强迫波数）进行敏感性分析，以验证模型的预测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有小尺度强迫的实验规模旋转流中，是什么机制驱动了区带急流的形成？
• RQ2 随着强迫强度的增加，系统如何在不同急流态之间发生转变？
• RQ3 罗斯比波共振在将区带流放大至超过直接强迫作用之外的过程中起什么作用？
• RQ4 湍流涡旋与纬向平均流之间的非线性相互作用在多大程度上主导了急流的稳定性与振幅？

主要发现

• 在两种急流态之间观察到亚临界分岔：低强迫下为弱而稳定的急流，高强迫下为强而动态的宽急流。
• 该转变由直接强迫的罗斯比波与背景纬向流之间的共振驱动，经准地转模型验证。
• 在高强迫状态下，急流的振幅和宽度显著大于强迫尺度，表明存在非线性能量传递。
• 在高强迫状态下，区带性指数 $ R_{\beta} \approx 2.84 $，表明系统处于区带性主导区域，急流清晰且稳定。
• 在低强迫状态下，$ R_{\beta} \approx 2.26 $，表明系统处于强各向异性化的临界阈值附近。
• 模型敏感性分析表明，双稳态区域和急流振幅对摩擦系数和β效应最敏感，实验值落在观测范围内。