A generalized wave-vortex decomposition for rotating Boussinesq flows with arbitrary stratification
A generalized wave-vortex decomposition for rotating Boussinesq flows with arbitrary stratification
复制标题
任意分层旋转布辛涅斯克流的广义波涡分解
DOI：
10.1017/jfm.2020.995
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发表时间：
2021
影响因子：
3.7
通讯作者：
Sundermeyer, M.A.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Early, Jeffrey J.;Lelong, M.P.;Sundermeyer, M.A.
能量独立的线性波和地转（涡）的解决方案被证明是一个完整的基础，在旋转的非流体静力Boussinesq流体的速度和密度变量与任意分层和非周期性的垂直边界。这项工作扩展了熟悉的波涡分解的三重周期域常数分层。作为分解的结果，流体可以在每个时刻被明确地分离成解耦的线性波和地转分量，而不需要时间滤波。然后，可以诊断流体的时间变化的波和地转系数在每个独特的波数和模式，包括那些不可避免地发生由于非线性相互作用。我们证明，这种方法可以用来确定哪些物理相互作用导致模式之间的能量转移的非线性运动方程投影到波涡的基础上。在特定的例子中，我们表明，在地转平衡叠加惯性振荡在表面的涡流能量从惯性振荡内部重力波模式。这种方法可以更普遍地应用于确定哪些机制参与波和涡之间的能量传递，包括它们各自的尺度。最后，我们表明，在波涡基础上表示的非线性运动方程的计算效率为某些问题。在分层配置文件随深度变化强烈的情况下，这种方法可能是一个有吸引力的替代传统的旋转Boussinesq流的光谱模型。
The energetically independent linear wave and geostrophic (vortex) solutions are shown to be a complete basis for velocity and density variables in a rotating non-hydrostatic Boussinesq fluid with arbitrary stratification and non-periodic vertical boundaries. This work extends the familiar wave-vortex decomposition for triply periodic domains with constant stratification. As a consequence of the decomposition, the fluid can be unambiguously separated into decoupled linear wave and geostrophic components at each instant in time, without the need for temporal filtering. The fluid can then be diagnosed for temporal changes in wave and geostrophic coefficients at each unique wavenumber and mode, including those that inevitably occur due to nonlinear interactions. We demonstrate that this methodology can be used to determine which physical interactions cause the transfer of energy between modes by projecting the nonlinear equations of motion onto the wave-vortex basis. In the particular example given, we show that an eddy in geostrophic balance superimposed with inertial oscillations at the surface transfers energy from the inertial oscillations to internal gravity wave modes. This approach can be applied more generally to determine which mechanisms are involved in energy transfers between wave and vortices, including their respective scales. Finally, we show that the nonlinear equations of motion expressed in a wave-vortex basis are computationally efficient for certain problems. In cases where stratification profiles vary strongly with depth, this approach may be an attractive alternative to traditional spectral models for rotating Boussinesq flow.
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三维旋转分层流中的非线性惯性重力波模相互作用
DOI：
--
发表时间：
2009
期刊：
影响因子：
--
作者：
Mark Remmel;J. Sukhatme;Leslie M. Smith
通讯作者：
Leslie M. Smith
影响因子：
1.9
作者：
Oscroft, Sarah;Sykulski, Adam M.;Early, Jeffrey J.
通讯作者：
Early, Jeffrey J.
影响因子：
3.5
作者：
M. Lelong;Y. Cuypers;P. Bouruet-Aubertot
通讯作者：
M. Lelong;Y. Cuypers;P. Bouruet-Aubertot
影响因子：
3.5
作者：
R. Lien;T. Sanford
通讯作者：
T. Sanford
使用基于频谱的 DNS 对实验室规模的旋转分层流进行建模
影响因子：
3.2
作者：
K. Winters;A. Fuente
通讯作者：
A. Fuente