行星大气极地涡旋的形成与机制

20251127

科学研究和技术服务业

本项目在行星大气动力学领域已建立了完善的理论模型与数值模拟平台，技术成熟度较高，处于基础研究的成果产出阶段。具体指标如下：

1. 理论模型成熟： 已基于gamma平面近似和Boussinesq方程组构建了三维流体动力学模型，成功识别了重力-惯性不稳定机制，该机制能有效解释气态巨行星极地涡旋的垂直分裂现象。
2. 模拟方法完善： 开发并验证了高分辨率数值模拟程序（基于混合有限差分-谱方法），具备处理复杂旋转分层流体问题的能力，运算稳定性好，可复现性强。
3. 成果验证充分： 模拟结果已通过线性稳定性分析的严格理论验证，并与木星、土星的实际观测数据进行了参数空间比对，吻合度高。

本项目属于基础科学研究，拟采取“许可他人使用该科技成果”的方式进行学术推广与合作。对合作方的需求主要集中在科研合作与数据共享方面：

1. 学术科研合作： 寻求与国内外高校、天文研究机构（如行星科学、大气科学系）的合作，共同利用本项目的数值模型对更多行星（如冰巨星、系外行星）的大气动力学问题进行深入探索。
2. 数据分析支持： 愿与深空探测任务团队（如航天科研院所）合作，利用本项目的理论模型协助分析探测器传回的大气数据，为任务规划和数据解译提供理论支撑。
3. 计算资源共享： 合作方需具备一定的高性能计算环境，以便运行本项目的高分辨率三维流体模拟代码。
4. 教学与科普： 许可相关高校将本项目的模拟案例用于流体力学或行星科学的教学演示与科普展示。

可国（境）内外转让

本项目主要产生社会效益和科学效益，为国家行星科学发展提供基础理论支撑：

1. 科学价值（核心效益）： 本项目提出的“重力-惯性不稳定”机制填补了经典流体稳定性理论在行星极地环境下的空白，为约束木星、土星等气态巨行星“天气层”的厚度提供了全新的物理判据。这对理解太阳系行星起源与演化具有重要的科学意义。
2. 服务国家深空探测战略： 研究成果可为我国未来实施的木星系及行星际探测任务提供大气环境的理论预测和数据分析模型，降低工程风险，提升科学产出。
3. 人才培养效益： 项目实施过程中培养了本科生在流体力学建模、高性能计算及英文学术写作方面的综合能力，为国家基础学科储备了青年科研人才。
4. 科普与社会影响： 行星极地涡旋（如土星六边形）是公众关注的热点，本项目的模拟结果可视化效果好，有助于提升公众对行星科学的兴趣，具有良好的科普传播价值。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

行星大气中的极地涡旋现象广泛存在，其形成机制、稳定性及长期演化是行星大气动力学的核心问题。本项目旨在系统研究行星极地涡旋的动力学机制，重点分析其稳定性、运动模式以及多涡旋系统的相互作用。 本报告聚焦于项目的核心研究内容之一：单个涡旋的稳定性及其垂直结构。 在项目前期工作中，我们发现经典理论（如静力稳定和惯性稳定）不足以解释观测和模拟中的某些涡旋分裂现象。本研究通过高分辨率三维数值模拟和线性稳定性分析（LSA），系统地研究了涡旋在Rossby数（Ro）和Froude数（Fr）构成的广阔参数空间中的稳定性。 研究结果明确识别出一种新的流体不稳定性——重力-惯性不稳定（Gravito-Inertial Instability）。该不稳定性在Ro数和Fr数均较小且量级可比（Fr ≈ 0.1Ro）时被激发，导致初始稳定的正压涡旋发生倾斜，并最终在垂直方向上分裂成两个或多个独立的叠置涡旋。 重力-惯性不稳定的存在意味着，行星上观测到的长期稳定涡旋必须避开这一不稳定参数区域。这一发现为评估行星涡旋的稳定性提供了关键的物理约束。应用此约束，我们结合木星和土星的观测参数（Ro ≈ 0.3），推断其极地涡旋的垂直尺度（深度）分别约为 200 公里和 300 公里。本研究不仅为理解行星涡旋的稳定性提供了新的机制，也为其“天气层”厚度提供了重要的理论约束。