地球流体力学论文摘选（2026年1月）

地球流体力学论文摘选

2026年1月

导言

台风是地球流体所产生的最具破坏性的灾害之一，而这种强烈的涡旋运动在更普遍的地球物理流动中也有对应体（如木星极涡）。从地球流体力学的视角出发，或许能为理解台风提供新启发。因此，南京大学地球流体力学实验室开设《地球流体力学论文摘选》栏目，每月整理领域内的前沿文献。

地球流体力学是研究地球及其他星体上流体运动规律的学科，研究对象涵盖大气、海洋、地幔等等。一方面，地球自转让大尺度流体运动受到科氏力的显著影响，另一方面，在地球重力的作用下流体又具有层结性。这些效应共同作用，使不同圈层的地球流体涌现出丰富多样的现象，有差异也有共性。

首期栏目由叶宇钦同学从2026年1月《Journal of the Atmospheric Sciences》 (JAS)和《Journal of Fluid Mechanics》 (JFM)的最新卷中摘选。JAS作为大气科学的顶尖期刊，所刊论文多针对大气中的具体问题进行深入探究。这类研究通常基于高分辨率的观测数据或包含全物理过程的大气数值模拟结果，通过细致分析以明确各物理过程的作用。JFM则是流体力学领域的顶尖期刊，收录了许多研究一般性地球流体力学问题的论文。这类研究的特点在于抓住特定物理问题的关键图像进行简化建模，但是不追求刻画所有细节。其结论未必能直接应用到实际大气问题中，但是却可以给我们一些启发。两本期刊的论文放在一起，相信会给读者带来独特的阅读体验。

声明：地球流体力学论文繁多，取舍基于整理人的个人学术品位。为便于阅读，我们首先使用 DeepSeek 对论文摘要进行初步翻译，再经人工校对、概括后发布。另外，本公众号也将同步开设台风领域论文导读栏目，两栏目同步更新。部分文献可能在两个栏目中同步出现，可着重关注。最后，我们想感谢《天气学瞭望》等公众号发布的优秀导读栏目，本栏目深受这些公众号的启发。

Journal of Fluid Mechanics

Volume 1026, 1027

导读

1. 水平科氏加速度影响水平剪切不稳定的演化
2. 水平液面湍流的能量级串方向
3. 二维受迫湍流的数据同化
4. 滑移边界条件影响旋转Rayleigh–Bénard对流
5. 大长宽比水池的对流蒸发
6. 依次释放的重力流可以有更快的传播速度
7. 海洋边界层中的锋面和致密细丝
8. 海水与冰架的相互作用

1

在完整科里奥利加速度作用下层结旋转流体中水平剪切不稳定性的非线性演化

Nonlinear evolution of the horizontal shear instability in stratified rotating fluids under the complete Coriolis acceleration

Moisset Camille, Paul Billant, Junho Park, and Stéphane Mathis

本研究通过直接数值模拟，研究了不可压缩、层结旋转流体在非传统f平面（含完整科里奥利加速度）中二维水平剪切不稳定性的非线性演化。在固定雷诺数Re=2000、施密特数Sc=1的条件下，发现演化依赖于无量纲Brunt-Väisälä频率N和无量纲水平科里奥利参数 f̃，当 f̃ < N 时呈现三种情景： 强层结（N ≫ 1）时形成稳定开尔文-亥姆霍兹涡旋（KH涡），与传统情形类似； 中等层结（N ≈ 1）且 f̃ 较大时，初级KH涡发生次级不稳定但仍保持相干结构； 弱层结（N ≤ 0.5）且 f̃ 足够大时，次级不稳定性迅速破坏涡旋，引发湍流，涡度拟能显著增长。局部分析表明次级不稳定性满足Fjørtoft不稳定条件，属于剪切不稳定性机制。

https://doi.org/10.1017/jfm.2025.11072

2

自由表面湍流中的局域尺度间能量串级

Localised inter-scale energy cascades in free-surface turbulence

Wu Guotao, Yaxing Li, and Filippo Coletti

在三维与二维湍流中，流体湍流的能量平均而言分别向更小尺度与更大尺度传输。然而，沿湍流液体平坦自由表面的运动兼具这两类流动的特性，导致其能量级串的方向难以确定。 本研究通过实验证明，该过程与表面速度场的局部散度密切相关：与流体上涌至表面相关的扩张运动将能量传递至更大尺度，而与流体向内流入相关的压缩运动则相反。因此，净的跨尺度能量通量几乎为零，这与二维和三维系统中的均匀湍流形成鲜明对比。此外研究发现罕见而强烈的压缩/扩张事件是瞬时跨尺度能量通量的主要来源，其强度远大于流体内部的对应通量。

https://doi.org/10.1017/jfm.2025.11071

3

二维阻尼驱动Navier-Stokes湍流中的同步：来自数据同化和Lyapunov分析的见解

Synchronisation in two-dimensional damped-driven Navier–Stokes turbulence: insights from data assimilation and Lyapunov analysis

Inubushi Masanobu, and Colm-cille P. Caulfield

利用三维NS方程进行数据同化的研究表明，当观测数据分辨率达到特定长度尺度L-3D时，能够成功重构小尺度流动。这一用于重构的“观测关键分辨率”长度尺度在三维NS湍流中接近耗散尺度。

本文研究了二维NS湍流中对应的长度尺度L-2D，并与三维情况进行了对比。我们通过数据同化和条件Lyapunov指数的数值研究发现，对于带Ekman阻力的Kolmogorov流，长度尺度L-2D实际上接近强迫尺度，显著大于耗散尺度。此外，基于湍流动力学中的尺度间相互作用、“级串”效应及轨道不稳定性，我们深入探讨了L-2D与L-3D之间显著差异的物理根源。

https://doi.org/10.1017/jfm.2025.11057

4

Navier滑移边界诱导的旋转Rayleigh–Bénard对流中的流动状态转变

Flow regime transitions in rotating Rayleigh–Bénard convection induced by Navier slip boundaries

Leng Xue-Yuan, Wen-Tao Wu, Ping Wei

本研究揭示了滑移边界摩擦（Navier边界摩擦系数β）对旋转Rayleigh–Bénard对流的热输运和流动结构的关键调控作用。研究发现，摩擦通过改变Ekman抽吸效率，使热输运呈现两个区间：在旋转主导区，增强的黏性摩擦提高了Ekman抽吸的效率并降低对流发生阈值；在浮力主导区，黏性耗散抑制了对流运动，从而降低了热输运效率。这两个区间的分界点由瑞利数决定。

自由滑移下的大尺度涡旋（LSVs）随β增大而耗散。研究进一步给出了LSV存在的临界摩擦系数的标度律。结果表明，通过调节边界摩擦可有效调控对流输运与结构。

https://doi.org/10.1017/jfm.2025.11012

5

大长宽比水层的对流蒸发

Convection–evaporation of water in a large aspect ratio layer

Remise-Charlot Hugo, Maëlle Bombled, Christiane Alba-Simionesco, and Anne Davaille

本研究通过实验研究了静止大气中水池的对流-蒸发过程，系统改变了水池底部与空气温差与水层纵横比Γ。实验揭示了具有自由表面的水-气界面存在强耦合的混合热边界条件：液体表面通过蒸发释放水蒸气和潜热，辐射则进一步冷却表面。

通过对比对流-蒸发、纯蒸发及纯对流三组实验，量化了各机制贡献：蒸发主导热输运（60%–70%），辐射次之（15%–20%）。当蒸发被阻断后，辐射贡献增至70%–80%。红外成像显示液面存在多尺度对流结构（小尺度热羽流、冷片状羽流以及大尺度环流），且在Γ较大时出现湍流超结构。研究推导了界面传递与表面温度的标度律，表明水蒸气释放增强了水-气耦合。结果对工业与自然系统具有重要启示。

https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10944

6

脉冲重力流的加速传播

The accelerated propagation of pulsed gravity currents

Adekanye Damilola, Paul Andrew Allen, Viet Luan Ho, Gareth M. Keevil, Martin Schönherr, Martin Geier, Amirul Khan, William D. McCaffrey, and Robert Michael Dorrell.

脉冲重力流是通过将重力流依次释放到较轻流体中所产生的流动。本研究通过物理实验、二维浅水模拟（深度平均模型）与三维格子玻尔兹曼模拟（深度解析模型），系统研究了脉冲重力流的动力学行为。 本研究首次发现：两次释放间隔较短时，释放形成的侵入层前缘速度高于总体积相同的单次释放流；而长释放间隔则使其速度更慢。该结果得到实验与深度解析模拟的共同验证，模拟结果表明脉冲侵入层所受阻力更小。采用的深度平均模型未能准确描述脉冲流特征，但可通过加入夹卷、分层等机制进行改进。该研究为进一步探索浮力雷诺数及坡度的影响奠定了基础。

https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10953

7

海洋表面边界层中湍流锋面和致密细丝的生命周期比较

Comparing the life cycles of a turbulent front and dense filament in the oceanic surface boundary layer

Bo Tong, James C. McWilliams, and Marcelo Chamecki

本研究采用大涡模拟，探究了海洋表层亚中尺度锋生过程及其停滞机制。对比了单边锋面与致密细丝（双边锋面）的演化。二者生命周期相似，均经历锋生、停滞与衰减阶段，但存在关键差异：锋面向高密度侧移动，细丝则保持静止。此外，细丝中水平（跨锋面）湍流通量占主导，它有效抵消了次级环流引起的锋生趋势使其停滞；而单边锋面停滞需垂向与水平通量共同作用；湍流来源也不同，细丝的湍流主要由水平剪切不稳定驱动，单边锋面湍流则更多依赖垂向剪切。研究揭示了湍流在两类结构演变中的不同角色，为改进海洋模型参数化提供了依据。

https://doi.org/10.1017/jfm.2025.11024

8

有界区域中冰架的时域分析

Time-domain analysis of an ice shelf in a bounded domain

Alshahrani Faraj, Michael Meylan, and Ben Wilks

本研究建立了一个有限区域内冰架与海水相互作用的时域模型，该模型结合了Kirchhoff-Love板理论与浅水波方程。具体而言，计算区域被划分为开阔水域和由冰架覆盖的海域两部分。通过边界条件及冰‑水界面处的连续性条件，导出了一个非线性矩阵特征值问题，并采用数值方法求解以获得系统的固有振动模式与频率。这些固有模式构成了利用谱方法重构波浪强迫下瞬态响应的基础。 模拟结果表明，波包能够激发多种振动模式，并通过边界反射产生干涉图案。由于该方法在同时包含开阔海域与冰架覆盖海域的几何形状中求解初值问题，因此为模拟波浪诱导机械应力导致的冰架序列性破裂提供了基础，并对更广泛的海洋强迫下冰架崩解建模研究作出了贡献。

https://doi.org/10.1017/jfm.2025.11050

Journal of the Atmospheric Sciences

Volume 83, Issue 1

导读

1. 包含湿过程的三层大尺度大气边界层理论
2. 火星极地涡旋的斑块状成因及影响
3. 首次观测到延伸至平流层顶的受困背风波
4. 热带气旋能量学回顾
5. 对流层高层冷低压对热带气旋生成的影响
6. 低层湿度通过云底夹卷影响超级单体生命史
7. 飙线前端重力波与冷池作用下的对流触发

1

PQG-DL-Ekman： 湿过程闭合的三层大尺度大气边界层理论

PQG–DL–Ekman: A Triple-Deck Boundary Layer Theory for Large-Scale Atmospheric Flow with Moist Process Closures

Bäumer Daniel, and Rupert Klein

针对不同尺度大气动力学的简化数学模型有源远流长的发展历史。但直接包含水汽和相变过程的有关模型近来才有所发展。本研究将该领域的一项创新成果：Smith与Stechmann提出的降水准地转(PQG)模型系列，与Klein等人提出的三层边界层理论结合，后者（三层理论）通过引入中间非绝热层(DL)拓展了经典准地转(QG)-Ekman理论。 为了系统推导PQG–DL–Ekman理论，本研究对Clausius-Clapeyron关系及Kessler型整体云微物理闭合方案进行了详细的渐近分析。此外，为阐明该模型的若干特性，本研究推导了降水非绝热层方程的显式轴对称解，并将其与大尺度流动的数值示例解相结合。

https://doi.org/10.1175/JAS-D-25-0062.1

2

火星极地涡旋“斑块状特征”的原因和影响

Causes and Consequences of the “Patchiness” of Mars’ Polar Vortices

Hughes Stephen, William J. M. Seviour, Jemma Shipton, and Stephen I. Thomson

观测发现，火星冬季极地涡旋的时间平均态呈现环形结构。前人研究表明，大气CO₂凝结释放的潜热是维持这种正压不稳定结构的主要机制。尽管时间平均的极地涡旋呈现平滑的环形结构，但再分析数据显示，瞬时极地涡旋在空间上呈现斑块状，存在绕极旋转的局地高、低PV区域。

本研究通过浅水模型来研究极地涡旋斑块化的物理成因及其影响。研究通过在球面浅水方程中增加附加项，表示纬向对称的辐射强迫和随空间变化的CO₂凝结加热。研究发现，相对于对称强迫，空间变化的潜热加热会显著增强涡旋内位势涡度的斑块化程度，并利用被动示踪物证实了这种结构能加强跨涡旋输送。引入空间变化强迫还会导致输送特性的变化幅度增大，这表明要理解极地大气输送过程，可能需要准确表征涡旋的斑块化特征。

https://doi.org/10.1175/JAS-D-25-0125.1

3

在Kerguelen岛和Heard岛下游观测到的从地面至平流层顶的受困背风波

Ground-to-Stratopause Trapped Lee Waves Observed Downstream of the Kerguelen and Heard Islands

Eckermann Stephen D., Dave Broutman, and James D. Doyle

2014年7月，在Aqua卫星对南大洋的常规过境观测中，其平流层通道获取的热红外卫星辐射数据显示：在Kerguelen岛与Heard岛下游数百公里范围内，出现了异常的短波结构。尽管在星下点条带图像中这些特征接近探测极限，但细致的分析与交叉验证证实其属于地球物理现象。 本研究综合理论、再分析资料、数值模拟与现有观测结果，表明这些特征是由强平流层顶急流与海面向下游多次垂直反射所形成的共振受困岛屿背风波。这是首次明确证实共振受困背风波扰动可延伸至约40-50公里高度的平流层顶。文中进一步讨论了这种新型平流层波动动力学可能带来的科学意义。

https://doi.org/10.1175/JAS-D-25-0087.1

4

热带气旋能量学回顾

Tropical Cyclone Energetics Revisited

Montgomery Michael T., Roger K. Smith, and John Persing

过去文献中关于热带气旋能量来源的理论存在矛盾，本研究以理想化三维模拟为基础，计算了对不同半径柱状区域内的总能量收支，并重新审查了这些理论。尽管热带气旋的最终潜热来源无疑是海水蒸发，但本研究探讨的关键问题是：对于特定风暴而言，在多大半径范围内海表面焓通量是其主要能量来源。研究发现，在模拟的增强阶段热带气旋中，约750公里径向尺度范围内，海表焓通量的积分值小于降水消耗的内部能量；而在约1500公里径向尺度上，海表面焓通量的积分值约比柱状区域侧边界净总能量通量小3倍。本文还讨论了这些发现对当前流行热带气旋理论的一些启示。

https://doi.org/10.1175/JAS-D-24-0275.1

5

对流层高层冷低压影响下 热带气旋生成的理想数值模拟

Tropical Cyclogenesis under the Influence of an Upper-Tropospheric Cold Low in Idealized Numerical Simulations

Li Han, Zhuo Wang, Chris Davis, Melinda Peng, Ron McTaggart-Cowan, and Xuyang Ge

本研究通过理想模拟，探讨了对流层高层冷低压与低层波动育儿袋（WP）相互作用对热带气旋生成的影响。结果表明，由于β效应，冷低压和WP因其垂直与水平结构的差异，呈现出显著不同的风和湿度不对称分布。二者相对位置通过干空气侵入与涡度叠加机制共同调控热带气旋生成：当WP位于冷低压西南侧时，干空气侵入弱、涡度叠加强，有利于生成；位于东北侧时，干空气侵入强、涡度相互竞争，抑制生成。因此冷低压的西南象限是最利于热带气旋生成的区域。研究还分析了生成过程对冷低压厚度及两者距离的敏感性。

https://doi.org/10.1175/JAS-D-25-0075.1

6

超级单体模拟对低层湿度的高敏感性： 云底附近水汽夹卷的作用

Strong Sensitivity of Simulated Supercells to Low-Level Moisture: Effects of Near-Cloud-Base Moisture Entrainment

Li Jinlin, and Ming Xue

本研究通过理想数值模拟，探究了中国强龙卷背景环境下超级单体风暴对低层湿度的敏感性及其维持机制。研究发现，即使传统环境参数（如LCL和CAPE）不变，仅增加云底附近（离地1–2公里）的湿度，即可显著延长模拟风暴的生命史（≥2小时）并增强其强度。机制分析表明，增加低层湿度使更多水汽被夹卷进入上升气流核心，潜热释放增强，产生更大正浮力与垂直加速度，从而使上升气流轨迹更陡、更垂直。增强的近地面入流进一步增加了低层上升气流的垂直度，促使风暴紧贴低层阵风锋，最终形成持久且强烈的超级单体。这一结果揭示了低层湿度通过调节夹卷与潜热释放影响风暴维持的关键作用。

https://doi.org/10.1175/JAS-D-24-0272.1

7

理想飙线前端近距离和远距离 不同的对流触发机制

Distinct Convection Initiation Near and Far ahead of an Idealized Squall Line

Yang Hongpei, and Yu Du

本研究通过理想模拟，揭示了飑线前端对流触发事件的时空特征及其与飑线演变的关联。模拟发现触发事件呈现周期性爆发，可分为远距离（≥5 km）和近距离（<5 km）两类。其中远距离事件逐渐在更远的前端区域形成（延伸超过100公里），而近距离事件则保持稳定的发生频率。 远距离事件由低振幅n=2重力波驱动，其源于强非绝热冷却（该过程同时会增强冷池），通过加湿环境、增强不稳定性和抬升作用促进远端对流。近距离事件则依赖于冷池对附近云体的机械抬升，形成近垂直上升气流，并在前向层状云区产生悬垂状回波。两类事件最终通过合并与系统重组，共同增强飑线强度并调整其形态，体现了对流触发与飑线演变之间的复杂反馈机制。

https://doi.org/10.1175/JAS-D-25-0073.1

END

本期封面来自地形（铝块）扰动旋转热对流实验， 由郑铭琳拍摄

本期编辑：叶宇钦

本期校对：叶宇钦

栏目指导：傅豪

特别感谢：沈岳（栏目建议）

END

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