地球流体力学论文摘选（2026年2月）

2026年2月

导言

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。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。

本期栏目由叶宇钦同学从2026年2月《Journal of Fluid Mechanics》，《Physical Review Fluids》和《Journal of the Atmospheric Sciences》的最新卷中摘选。

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。

Journal of Fluid Mechanics

Volume 1028, 1029

导读

1. 三个共线涡旋的合并研究
2. 首次实验观测到旋转流体中涡环激发的惯性波场
3. 受迫分层剪切流中大尺度动力学的各向异性特征
4. 稳定分层Ekman层中地表温度非均匀性与次级环流研究

1

三个共线涡旋的合并研究

Merging of three aligned vortices

Andersen Morten, Peter A. Knudsen, Marc John Bordier Dam, and Jesper Schmidt Hansen

本研究探究三个共线等距涡旋的合并现象，外侧涡旋强度相同，中心涡旋强度可变。通过数值求解涡量输运方程（VTE） 进行直接模拟，并借助低维的涡核增长模型对涡量场进行解析研究，揭示了涡量模式及其转变的规律，并给出了涡量临界点轨迹的显式表达式。研究发现存在四种涡量分布模式与轨迹类型。

当中心涡旋同向旋转时，会出现两种轨迹形态——中心涡旋主导外侧涡旋，或中心涡旋受外侧涡旋抑制。这两种状态在参数空间中的分界点对应于内外涡旋强度比值为4exp(-3/2)；

当中心涡旋反向旋转时，若其强度小于两外侧涡旋强度之和，则在流动演变中受压制；特定强度范围内的中心涡旋会导致三涡系统先沿某方向旋转后反转；若中心涡旋强度超过两外侧涡旋之和，则会推离外侧涡旋。

涡核增长模型在低雷诺数条件下能定量再现涡量输运方程的流动特征，并在雷诺数高达1290（此时开始产生丝状涡）时仍能提供准确的拓扑描述。

https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11144

2

旋转流体中涡环伴随惯性波场的实验研究

An experimental study investigating the inertial-wave field accompanying vortex rings translating through a rotating fluid

Jackson Oliver C., and Peter J. Thomas

通过实验研究了科里奥利力对旋转流体中涡环传播动力学的影响。涡环在充满水的旋转水箱顶部生成，沿旋转轴向下传播。理论上旋转流体中的涡环运动与衰减会在其周围激发惯性波场，但此前从未得到实验验证。本研究采用粒子图像测速(PIV)技术首次证实惯性波场存在，通过数据处理提取独立惯性波模态，并首次通过实验构建与涡环相关的惯性波的色散关系。当科里奥利力主导动力学过程时，实验数据与经典惯性波理论色散关系高度吻合。惯性波的产生意味着动能从涡环向外辐射。简要讨论了与动能重新分布过程相关的初步结果。

https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11199

3

受迫分层剪切流中大尺度动力学的各向异性特征

Anisotropy of emergent large-scale dynamics in forced stratified shear flows

Vieweg Philipp P., and Colm-cille P. Caulfield

为探究受迫稳定分层剪切流中统计定常湍流的涌现动力学，通过谱元法开展三维直接数值模拟。研究设定水平扩展域中初始体积雷诺数Re₀=50、初始体积理查森数Ri₀=1/80（对应最小梯度理查森数）、普朗特数Pr=1。尽管初始构型对开尔文-亥姆霍兹主不稳定性呈现不稳定，但通过持续将流场松弛回初始流向速度和浮力剖面，湍流得以维持。

结果显示：当水平域扩展Lh≳96时，剪切层半深度收敛于d≈8（总厚度≈16），对应最终Re≈400、Ri≈0.1，表明受迫流会自发调谐至梯度理查森数Rig≲0.2；充分扩展域中涌现出展向尺度≈50、流向尺度≲115的大尺度结构。

这些观察清晰表明，即便是这种"弱分层"受迫剪切流，其特征涌现长度尺度仍呈现显著各向异性。我们推测实际涌现的流向结构是加深的湍流剪切层对主线性不稳定性的一种残留"印记"。

https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11146

备注：本篇论文和下一篇论文中均出现了一对描述方向的概念：流向 (streamwise) 和展向 (spanwise)。一般而言，流向指流场平均流的方向，展向则是与流向垂直的方向。在本文中，流向是x方向（即剪切流u的方向），展向是y方向。在下一篇论文中，流向是Ekman层以上地转风所在方向，展向是与地转风垂直的方向。

4

稳定分层Ekman层中地表温度非均匀性与次级环流研究

Surface temperature heterogeneity and secondary circulations in steady stably stratified Ekman layers

Bon Thijs, Raúl Bayoán Cal, and Johan Meyers

通过大涡模拟系统研究了展向地表温度非均匀性对稳态稳定分层Ekman层的影响。在稳定边界层的理想化模拟中设置展向交替的高/低温条带，通过地面冷却与天气尺度下沉加热的平衡实现稳态。

结果表明：大尺度次级环流形成并深入稳定Ekman层内部。科里奥利力增强逆时针环流并抑制顺时针环流，导致平均次级环流结构在北半球向左倾斜。在1.5-12K的地表温差和100-800m展向波长范围内，非均匀性对平均边界层结构影响显著：随着温差或条带宽度增加，次级环流与扩散通量增强并最终延伸至边界层顶，导致近地表梯度增大、边界层厚度与低空急流抬升、平均地表热通量减少。

研究提出了地表非均匀性特征参数与平均边界层结构响应的新关联，并发现局地地表通量显著偏离平均值，表明水平平均方法无法完全捕捉非均匀流场中的关键物理过程。该研究证实热力地表非均匀性是调控大气稳定边界层输运过程的核心要素。

https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11198

Physical Review Fluids

Volume 11, Issue 2

导读

1. 旋转流体中传播平面惯性波的稳定性
2. 上升气泡在液面绘制图案
3. 穿越阻力危机的下落球体
4. 碰撞-聚并对湍流中粒子平均相对速度的影响

1

旋转流体中传播平面惯性波的稳定性研究

Stability of propagating plane inertial waves in rotating fluids

Valentin Skoutnev, Aurélie Astoul, and Adrian J. Barker

惯性波在旋转流体中负责输运能量与动量，深刻影响着地球海洋、气态行星及恒星内部的混合与潮汐耗散过程。本研究通过数值模拟结合线性Floquet理论，探讨了有限振幅传播平面惯性波的线性稳定性与非线性破碎机制。

本文利用数值模拟验证了线性Floquet理论所预测的最不稳定扰动具有依赖于频率的各向异性：即最不稳定扰动的波矢取向强烈依赖于波频率，而对波振幅的依赖较弱。进一步研究揭示了波能的分配规律：波能一方面通过级联过程耗散，另一方面积聚为长寿命地转模态。研究进一步揭示，地转模态的转换效率随基波振幅增大而提高，这源于近共振三波相互作用的非线性泵浦效应随振幅增强而加剧；同时转换效率随基波频率降低而增加，则归因于低频惯性波因其准二维运动特性与地转模态在结构上更易耦合，从而促进了能量向大尺度地转流的转移。

这为理解惯性波在旋转湍流中的作用、波束输运特性及复杂环境（如磁场或剪切流）中的传播行为提供了理论基础。

https://doi.org/10.1103/cj4y-ygk9

2

上升气泡在液面绘制图案：一项数值研究

Rising bubbles draw surface patterns: A numerical study

Dabao Li, Lang Qin, Zhigang Zuo, and Guangzhao Zhou

一串上升的气泡偶尔会在液体表面形成稳定、规则且极具美感的图案，这一现象不仅引人注目，也对流体力学提出了基础性挑战。本研究通过直接数值模拟，深入探究了气泡链到达自由液面时的自组织行为。

研究发现，改变气泡的释放周期，会在液面产生不同分支数量的规则图案，例如呈现不同臂数的星形结构。这些宏观图案源于气泡、自由液面以及周围液体流动之间的局部动态相互作用。

研究团队提出了一个启发式模型，该模型能够定量地将图案的分支数目与气泡释放周期联系起来，并预测观察到特定臂数的概率。这一成果不仅揭示了气泡图案形成的物理机理，也为理解和控制更广泛的自组织系统中的集体行为提供了新思路。

https://doi.org/10.1103/bd6d-fwmn

3

穿越阻力危机的下落球体

Falling sphere through drag crisis

Serge Mora, Martine Le Berre, and Yves Pomeau

一个球体的自由下落，看似是流体力学中的经典问题，但当其速度逼近“阻力危机”这一临界状态时，问题会变得异常复杂。阻力危机指的是当流动从层流过渡到湍流时，物体的阻力系数突然下降的现象。

本研究聚焦于此，通过数值模拟和随机双态模型，揭示了在该阶段，阻力系数的间歇性变化会导致球体下落速度的演化变得内在不可预测。研究发现，这种不确定性会使球体速度出现巨大波动，在特定条件下，其相对分散度可达平均速度的50%。这意味着，即便初始条件完全相同，物体的轨迹也可能产生显著差异。因此，描述高雷诺数下物体的运动必须借助统计学方法。

这一发现对于冰雹下落的精确预测具有重要意义，作者估算当冰雹直径超过11厘米时，其在下降过程中可能触发阻力危机，导致下落速度和撞击能量出现显著的统计散布。

https://doi.org/10.1103/27kx-pcvw

4

碰撞-聚并对湍流中粒子平均相对速度的影响：一项系统性研究

Effect of collision-coalescence on the mean relative velocity of particles in turbulent flow: A systematic study

Xiaohui Meng and Ewe-Wei Saw

预测湍流中粒子的碰撞，对于从云滴增长到工业加工等众多领域都至关重要，然而，描述粒子在接近碰撞时相对速度的关键参数——平均径向相对速度（MRV）——其变化规律长期以来难以捉摸。

本研究通过直接数值模拟，系统探究了经历碰撞与聚并的粒子运动。研究发现，对于斯托克斯数（St）极小的粒子（St<0.1），其MRV主要取决于粒子尺度上的局部湍流速度差，而与St本身基本无关。当St超过0.2后，MRV则会随着St的增加而显著增大。

为了解释这一现象，研究引入了一个关键的“共振长度尺度”——即惯性粒子从湍流中有效获取动能的特定空间尺度。通过分析，团队建立了该共振尺度与粒子及流动参数的经验关系，具体形式为d + α St^β，并拟合得出β≈1.86。进一步对不同雷诺数（Re_λ=84,124,189）的模拟发现，对于St>0.1的粒子，其MRV会随雷诺数变化，表现为系数α和β随Re_λ增大而减小。这一成果为在更广泛条件下预测碰撞尺度的MRV提供了一个可靠的框架。

https://doi.org/10.1103/x9f2-s5b5

Journal of the Atmospheric Sciences

Volume 83, Issue 2

导读

1. 热带气旋眼墙中高波数涡旋的数值模拟
2. 垂直风切变影响热带气旋激发平流层重力波的不对称性
3. 南安第斯山脉平流层山地波的观测和理论

1

模拟飓风 Earl (2010) 眼墙中的高波数涡旋：结构、演变及其对近地面强风的影响

High-Wavenumber Eddies in the Eyewall of Simulated Hurricane Earl (2010): Structure, Evolution, and Impact on Near-Surface Strong Winds

Fang Juan, and Xiaomin Chen

通过亚公里级数值模拟研究了飓风Earl眼墙内侧高波数涡旋（HWE，波数≥12）的结构、演变及影响。这些水平尺度1-10公里的涡旋集中于对流层低层位涡环内，在快速增强期最为活跃。

HWE优先出现在下风切左侧象限，沿方位角传播至上风切象限达最强。随着其增强，它们的流场将方位角向涡度重组为径向水平卷涡。这些卷涡与HWE保持约四分之一波长相位关系。增强的径向入流平流水凝物，恰好位于增强气旋性涡旋下游并与水平卷涡重合，造成眼墙内缘的高反射率丝状结构。局地增强的近地面风出现在丝状结构稍上游。涡旋分量流的径向向内涡度通量和局地涡旋分量压力梯度力，而不是下沉气流的垂直动量输送，是涡旋分量切向流增强和近地面风放大的主要驱动因素。

https://doi.org/10.1175/JAS-D-24-0201.1

2

垂直风切变对热带气旋产生的平流层重力波不对称性的影响

Impact of Vertical Wind Shear on Asymmetry of Stratospheric Gravity Waves Generated by Tropical Cyclones

Wang Xu, Yuan Wang, Lifeng Zhang, Yun Zhang, and Jiping Guan

通过数值模拟研究了平流层垂直风切变对热带气旋产生的平流层重力波不对称性的影响。结果表明：常值东风背景下，TC结构不对称导致重力波呈轻微不对称分布，较强波位于下平流层上风侧。相比之下，垂直风切变通过方向性的临界层引发显著不对称分布。谱分析与波数矢量分析揭示，重力波的径向与切向联合传播改变了临界层滤波效应，使最终分布呈现以TC中心为参考的东南象限为主、东北和西南象限次之的特征，而非整体偏东分布。

https://doi.org/10.1175/JAS-D-24-0154.1

3

南安第斯山脉平流层山地波观测与线性理论应用

Stratospheric Mountain Waves over the South Andes: Observations and Application of Linear Theory

Valentini Thomas, Vassili Kitsios, Joseph Klewicki, and Jimmy Philip

南安第斯山脉是全球平流层重力波热点区域。利用ERA5再分析数据识别了两个典型气流案例：其一呈现特征性细胞状结构，伴随广阔的垂直和下游传播；其二几乎没有波动传播。研究发现这两个流场的核心特征对应线性Taylor-Goldstein方程的不同解析解：一个支持垂直传播（考虑/不考虑旋转效应），另一个对应下游传播的受困波。旋转效应在抑制低空山地波方面起关键作用，而受困波机制可能促成其中一个案例中平流层波的下游传播。无量纲数γ（Scorer参数高度尺度与山脉水平尺度之比）被强调为多个解析模型中决定受困波行为的关键参数。

https://doi.org/10.1175/JAS-D-25-0046.1

END

本期封面来自羽流激发重力内波实验， 由陈汗拍摄

本期编辑：叶宇钦

本期校对：叶宇钦

栏目指导：傅豪

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