We study the modulational instability of geophysical Rossby and plasma drift waves within the Charney-Hasegawa-Mima (CHM) model both theoretically, using truncated (four-mode and three-mode) models, and numerically, using direct simulations of CHM equation in the Fourier space. The linear theory predicts instability for any amplitude of the primary wave. For strong primary waves the most unstable modes are perpendicular to the primary wave, which correspond to generation of a zonal flow if the primary wave is purely meridional. For weaker waves, the maximum growth occurs for off-zonal inclined modulations. For very weak primary waves the unstable waves are close to being in three-wave resonance with the primary wave. The nonlinear theory predicts that the zonal flows generated by the linear instability experience pinching into narrow zonal jets. Our numerical simulations confirm the theoretical predictions of the linear theory as well as of the nonlinear pinching. We find that, for strong primary waves, these narrow zonal jets further roll up into Karman-like vortex streets. On the other hand, for weak primary waves, the growth of the unstable mode reverses and the system oscillates between a dominant jet and a dominate primary wave. The 2D vortex streets appear to be more stable than purely 1D zonal jets, and their zonal-averaged speed can reach amplitudes much stronger than is allowed by the Rayleigh-Kuo instability criterion for the 1D case. We find that the truncation models work well for both the linear stage and and often even for the medium-term nonlinear behavior. In the long term, the system transitions to turbulence helped by the vortex-pairing instability (for strong waves) and by the resonant wave-wave interactions (for weak waves).


翻译:我们研究Charney-Haseexgawa-Mima (CHM) 模型中地球物理罗士比和等离子流流流的调节不稳定性。 对于最不稳定的原始波来说,最不稳定的模型与主要波的强波相对应,这与主要波相对应,如果主波纯粹是中间波,则与形成一个区域流相对应。对于较弱的波来说,离区倾斜调动的最大增长发生在原波中。对于非常弱的初波(4兆和3兆米)模型,使用Fourier空间的CHM方程直接模拟。非线性理论预测一级波的任何振动都会不稳定。对于较窄的初波来说,我们的数字模拟可以证实线性理论的理论预测,如果主要波纯粹是中间偏移的。对于较强的初波来说,这些较窄的D型平流最大增长是非中位的。对于最弱的海浪来说,最稳定的波流流流向最接近于最不稳定的海平流,而最不稳定的波向较稳定的海平的轨道的波变。

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