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由于晴空和云层反照率的半球补偿不对称，南北半球平均反射的阳光几乎相等。最近的研究表明，云反照率不对称主要是由于热带外海洋地区的云造成的。在这里，我们使用云控制因子(CCF)方法研究了这种热带外云反照率不对称的近因。我们开发了一个简单的指标来衡量ccf的技能，无论是单独的还是组合的，在预测不对称方面。该指数捕捉了由于日CCF值的概率分布函数的半球间差异对不对称性的贡献。云反照率是使用每日MODIS卫星检索来量化的，它与ERA5再分析产品衍生的ccf范围有关。我们发现海面温度是单独解释不对称的最大比例的CCF，其次是海面风。这种不对称主要是由于低云造成的，我们的结果与先前的局部尺度建模工作一致，表明随着地面风的增加和表面温度的降低，海洋边界层云变得更厚、更广泛。这种不对称性与经向温度梯度对风暴路径强度和地面风的大规模控制是一致的:南半球持续的寒冷和多风条件使全年的云反照率保持高水平。我们的结果对全球尺度的云反馈有重要的意义，并有助于建立行星反照率及其对称性的理论。

木星南极的极地气旋和它周围的5个气旋在位置上振荡并相互作用。自2016年以来，美国宇航局的朱诺号任务观测到这些气旋，为研究长时间尺度上的涡旋动力学和相互作用提供了独特的机会。分析了由朱诺号JIRAM获得的气旋位置数据，显示了约12个月周期的主要振荡和约400公里的振幅。在这里，通过考虑气旋之间的相互作用和行星涡度的纬度变化所产生的涡度梯度力，揭示了驱动这些振荡的机制。这些力的数据驱动估计显示出与测量到的气旋加速度高度相关。为了进一步测试这种机制，建立了一个模型，模拟受这些力影响的气旋如何表现出类似的振荡运动。

朱诺号宇宙飞船一直在收集数据，以阐明这颗行星的起源，并描绘其内部结构的特征。基于x波段和ka波段双频多普勒跟踪的星载重力科学实验对木星的带状引力场进行了精确测量。在这里，我们分析了22次朱诺号的重力通道来研究重力场。我们的分析提供了新的重力场特征的证据，这些特征扰动了具有时变分量的轴对称结构。我们表明，行星的正常模式可以更好地解释多普勒数据中出现的异常特征，而不是其他的解释，如局部密度异常和静态重力场的非轴对称分量。我们用p模来解释Juno数据，其振幅谱峰值径向速度为10-50 cm/s，频率为900-1200 μHz(与地面观测相容)，并提供低频f模(径向速度小于1 cm/s)的上界。朱诺号的新结果为探索气体巨星的内部结构提供了可能，可以通过测量时变重力或使用机载仪器来观测正常模式，这可能推动未来任务的航天器操作。

上下文。虽然木星的巨大气体包层主要由氢和氦组成，但了解木星形成和演化的关键在于剩余(重元素)的分布。在朱诺号任务之前，由于缺乏高精度重力谐波，无法使用统计分析来可靠地确定木星包膜中的重元素分布。
目标在这篇论文中，我们收集了迄今为止最全面和最多样化的木星内部模型，并使用它来研究行星包膜中重元素的分布。
方法。我们将贝叶斯统计方法应用于我们的内部模型计算，从深层纬向流中再现朱诺引力和大气测量和约束。
结果。我们的结果表明，引力约束导致木星的深度熵，对应于比传统假设的高515 K的1巴温度。我们还发现，在确定木星内部重元素的数量时，状态方程中的不确定性至关重要。我们的模型将木星致密内核的上限设定为地球7米，独立于结构模型(有或没有稀核)和所考虑的状态方程。此外，我们有力地证明了木星的包膜是不均匀的，相对于外层包膜，内部有重元素富集。这意味着重元素的富集在气体吸积阶段继续进行，这对太阳系内外巨行星的形成具有重要意义。

在气候上，北太平洋的风暴轨迹活动在隆冬呈现出明显的最小值，此时西风急流速度急剧增加。这种反直觉的现象被称为“仲冬极小值(MWM)”，已经从各个角度进行了研究，但其机制仍未被揭示。为了更好地理解这一现象，本研究描述了60年来NP风暴路径上迁移涡的气候平均欧拉统计量和能量学的详细季节演化。作为对MWM形成机制的综合研究，本研究发现，在隆冬季节，由涡总能量归一化的净涡转换/生成速率(与涡幅无关)确实降低了。从初冬开始的减少主要是由于季节温度波动减弱，斜压能量转换的有效性下降，以及由此产生的向极地的涡旋热通量。仲冬净归一化转换/生成速率的降低也被发现部分是由于季节性增强的动能转换从涡流到强烈分流的太平洋急流在其出口附近。净能量流入的季节性也特别有助于净归一化转换/发电率的春季恢复。净能量转换/生成和斜压能量转换的归一化速率在20世纪80年代末之前的仲冬季节下降更为明显，在此期间风暴轨迹活动的MWM在气候上更为突出。

木星的大红斑(GRS)是太阳系中最大的大气漩涡，已经被观测了至少两个世纪。目前还不清楚漩涡在可见云顶下延伸到多深。我们利用“朱诺”号宇宙飞船与地球12次相遇的数据，包括两次直接飞越漩涡，来检查GRS的重力特征。由于GRS的存在，我们确定了局部密度异常，这导致了航天器视线速度的偏移。使用两种不同的方法来推断GRS的深度，得到的结果是一致的，我们发现GRS包含在木星大气的上层500公里内。

木星的大气由多条急流主导，这些急流与木星的三维大气环流密切相关。由于没有一个固定的底部边界，存在几个关于经向环流如何延伸到行星内部的模型。在这里，我们从朱诺号任务的多个仪器收集证据，证明了中纬度经向环流单元的存在，这些环流单元由湍流驱动，类似于地球上的法雷尔环流单元。与地球不同，地球每个半球只包含一个这样的细胞，木星更大，旋转更快，可以包含多个细胞。细胞形成上升流和下升流区域，我们在Juno的微波数据中清楚地显示在纬度60◦S和60◦N之间。这些细胞的存在是通过使用一个简单的模型重现氨的观察结果来证实的。这项研究解决了一个长期以来关于木星亚云动力学性质的难题，并提供了在每个木星半球有8个细胞的证据。

木星的大气层有一个由大大小小的漩涡组成的带和带系统，最大的是大红斑。这些特征如何随深度变化是未知的，其结构理论从浅层气象特征到深层对流的表面表达都有。我们使用朱诺号宇宙飞船的微波辐射计对大气漩涡进行了观测。我们发现涡旋根延伸到比预期水凝结的高度更深的高度，并确定密度逆温层。我们的研究结果限制了木星涡旋的三维结构及其在云层下的延伸。

迁移的气旋和反气旋是热带以外地区每天天气变化的主要原因。这些瞬态涡旋通过系统地输送西风动量和热量来维持中纬度急流。然而，很少有人知道气旋和反气旋对它们与西风带相互作用的单独贡献。在这里，我们使用一种基于曲率识别气旋和反气旋涡的新方法，量化了它们对大气能量学的单独贡献，以及它们对欧拉统计中表示的西风急流的反馈。我们发现，气旋涡的西风带加速作用主要是加强冬季涡驱动的近地表西风带和相关的气旋切变。虽然反气旋的斜压性和能量较弱，但在将西风动量从对流层上层热驱动急流核心输送到中纬度并将涡旋能量输送到下游的过程中仍然发挥着重要作用。这些新发现揭示了大气能量学、风暴轨迹动力学和涡-平均流相互作用的基本特征。

纬向喷流在行星大气中很常见。它们的特征、结构和季节变化取决于行星参数。在地球和火星的至日期间，在冬季半球有强烈的西风急流，而在夏季半球哈德利环流上升区域有微弱的低空西风带。夏季急流在广泛的行星背景下很少被探索，这既是由于冬季急流的主导地位，也是因为控制它的平衡更复杂，理解它们需要探索更广泛的参数体系。为了更好地理解类地行星上的喷流特征以及冬季和夏季喷流模式之间的转变，我们探索了喷流对旋转速率和倾角的依赖。在很大一部分参数空间内，主导急流位于冬季半球，夏季急流较弱，局限于边界层。然而，我们表明，对于低旋转速率和高倾角，最强的射流是在夏季而不是冬季半球。对夏季急流动量平衡的分析表明，这种动量平衡不是简单的环流，边界层阻力和垂直平流都是必不可少的。在高倾角和慢旋转速率时，跨赤道冬季风团宽而强。夏季半球向极地返回的气流被低层西风带通过埃克曼平衡平衡，动量在上升分支附近平流上升，导致对流层中层夏季急流。

利用转换欧拉平均(TEM)理论分析了木星大气的结构和稳定性。利用朱诺号轨道飞行器的微波辐射计测量得到的氨分布，可以推断出木星大气层内部垂直速度的纬度和垂直分布。由此产生的翻转环流在瞬变电磁法框架中进行解释，从而提供垂直和经向温度分布的推测。在中纬度，分析的垂直速度场显示出与每个喷流相关的类似费雷尔单元的模式。对TEM翻转环流方程的标度分析表明，为了使氨分布中可见费雷尔细胞样模式，木星天气层的静态稳定性应该在1 × 10(-2) s(-1)的数量级上。在低纬度，氨分布表明强烈的上升运动，这让人联想到哈德利单体的上升分支，那里的静态稳定性较弱。综上所述，分析表明中纬度地区的温度递减率明显小于低纬度地区。由于云顶温度在所有纬度上几乎是均匀的，分析表明，在天气层的内部，在低纬度和中纬度地区之间可能存在温度梯度。

在我们太阳系中无数的环境中，探索最少的是遥远的冰巨星天王星和海王星，以及它们不同的卫星和环系统。这些“中等大小”的行星是太阳系中最后一类由专门的机器人任务表征的行星，可能会为整个银河系行星形成的最常见结果形成范式。为响应欧洲航天局2019年关于2030年代和2040年代科学主题的呼吁(称为2050年航行)，我们主张探索冰巨人的国际合作任务应成为欧洲航天局未来十年科学规划的基石，目标是在2030年代初发射机会。本文总结了白皮书[1]中提出的跨学科科学机遇，并简要描述了自2019年以来的发展。

在木星和土星上观测到的东西流的性质和结构一直是行星科学的一个长期谜。最近，朱诺号木星任务和卡西尼号土星任务的大结局提供的精确重力测量揭开了这个谜团。这两个实验，巧合地发生在几乎同一时间，允许确定两个星球上纬向流的整体垂直和经向剖面。本文根据这两个实验的新数据，对气体巨星上的带状喷流进行了综述。重力测量不仅可以限制喷流的深度，从而得出推断，喷流分别延伸到木星和土星上观测到的云层以下大约3000和9000公里，而且还提供了控制这些纬向流的机制的见解。具体来说，对于这两个行星来说，这个深度对应于电导率在1 S m(-1)数量级内的深度，这意味着磁场可能在阻尼带状流方面起着关键作用。正如这里所讨论的，任何重力反演的内在特征是解可能不是唯一的。我们分析了解决方案的稳健性，并提出了支持这里提出的结果的几个独立的证据行。

由朱诺号宇宙飞船进行的早期重力测量确定了木星的低阶重力谐波，包括对行星南北不对称场的首次估计。检索到的信息被用来推断，在云顶可见的强纬向风必须向下延伸几千公里，在那里它们被抑制在内部深处。朱诺号重力实验的下一个目标包括高精度测定木星的小尺度重力场，以及它与短尺度大气环流的关系。“朱诺”号探测器最靠近木星的地方的几何形状给这项任务带来了挑战，因为它们在象征性的飞行任务中跨越的纬度在4∼29次N之间。由于航天器接近木星时，多普勒测量对重力异常最为敏感，对木星重力场的观测大多集中在北半球，而传统的球面谐波函数在纬度子域上不是标准正交的。在这里，我们定义了定制的Slepian函数，这些函数在特定的纬度范围内是正交的，并经过优化以表示木星北纬的局部表面引力。我们证明，利用这些新函数，重力场的短尺度纬度变化在15·S至45·N纬度之间能得到高精度的解决。此外，初步结果表明，利用Juno数据获得的Slepian系数估估值与利用热风平衡将动力密度异常和风与优化尺度高度联系起来的预测结果相吻合。

行星从其母恒星接收到的日照是气候的主要驱动力，并取决于行星的轨道配置。倾角和偏心率非零的行星在季节日照方面会有变化。因此，气候呈现出季节性循环，其强度取决于轨道配置和大气特征。在这项研究中，我们使用一个理想的一般环流模型，研究了气候对零和非零倾角行星离心率变化的响应。在零斜度的情况下，对离心率变化的季节响应和太阳常数的永久变化之间的比较表明，季节响应强烈地依赖于轨道周期和辐射时间尺度。更具体地说，利用一个简单的能量平衡模型，我们展示了辐射时间尺度的纬度结构在气候响应中的重要性。我们还表明，响应强烈依赖于大气含水量。偏心轨道与非零斜度的结合是复杂的，因为日晒也取决于近日点位置。虽然涉及到气候对偏心率、倾角和近日点变化的详细响应，但环流主要受热罗斯比数和最高温度纬度的约束。最后，我们讨论了影响气候对轨道配置变化响应的不同行星参数的重要性。

全球变暖预测显示，北极表面和对流层上层低纬度地区的温度都有异常升高。北极放大使经向温度梯度减小，同时使静稳定性降低。经向温度梯度的变化和静稳定性的变化对斜压性的影响是相反的。对流层上层低纬度的增温有增加经向温度梯度的趋势，同时增加静态稳定性，这对斜压性也有相反的影响。在这项研究中，采用了一种改良的牛顿冷却方案的干燥理想环流模式，该模式允许模拟任何选定的带状对称温度分布，用于研究北极放大和低纬度高层变暖对涡旋活动的影响。由于静态稳定性和经向温度梯度对大气斜压性变化的相互作用，以及它们对大气斜压性的相反影响，我们发现，北极放大和低纬度高空变暖都可能导致涡旋活动的减少和增加，这取决于精确规定的温度变化。因此，为了理解类似全球变暖的温度趋势对涡旋活动的影响，模拟了最先进模式的带状对称全球变暖温度预估。结果表明，低纬度高空增温是涡动动能变化的主要原因，使静稳定性增强，涡动动能趋于减弱。另一方面，涡热通量变化以北极放大为主，在低层有减弱涡热通量的趋势。

我们太阳系四颗巨行星的大气有一个共同的、可观察到的特征:它们都显示出行星带的模式，具有不同温度、成分、气溶胶性质和动力学的区域，被强烈的经向和垂直纬向(即东西向)风梯度隔开。来自访问航天器和地球天文设施的遥感观测显示，从一个波段到下一个波段的环境条件存在显著变化。在木星上，反映低温的白色反射带、升高的气溶胶不透明性和增强的准保守化学示踪剂被称为“带”。相反，温度升高、气溶胶减少和化学示踪剂减少的深色带被称为“带”。在土星上，我们通过它们的温度和风的特征来定义气旋带和反气旋带，尽管它们与土星反照率的关系不像在木星上那么清楚。在遥远的天王星和海王星上，条带反照率对比与环境性质之间的确切关系是一个积极研究的课题。这篇综述试图将观测到的带和带的性质与(i)从木星和土星云层上涡旋角动量收敛到向东的纬向喷流中推断出的经向翻转和带中潮湿对流活动的普遍存在相协调;和(ii)从对流层上部温度结构推断出的相反的经向运动，这意味着纬向喷流随着云以上高度的衰减和消散。这两种情况表明了相反方向的经向环流，前者表明带状上升流，后者表明带状上升流。数值模拟成功地再现了前者，而后者有丰富的观测证据支持。 This presents an unresolved paradox for our current understanding of the banded structure of giant planet atmospheres, that could be addressed via a multi-tiered vertical structure of "stacked circulation cells," with a natural transition from zonal jet pumping to dissipation as we move from the convectively-unstable mid-troposphere into the stably-stratified upper troposphere.

天王星和海王星，以及它们不同的卫星和环系统，代表了我们太阳系中最少被探索的环境，但可能为整个银河系中行星形成的最常见结果提供了原型。“冰巨人”将是太阳系中最后一颗拥有专用轨道探测器的行星，国际社会正在努力在未来几十年实现这一雄心勃勃的任务。2019年，欧洲航天局发布了一项呼吁，呼吁为其2030年代和2040年代的战略科学规划进程制定科学主题，即2050年航行。我们利用这个机会回顾了我们目前对天王星和海王星系统的了解，提出了一套经过修订和更新的科学问题和探索它们的动机。这篇综述文章描述了这样一个任务如何探索它们的起源、丰富的内部、动态的大气、独特的磁层和无数的冰卫星，以解决现代行星科学的核心问题。这两个行星是起源相同的行星如何表现出明显不同的进化路径的极好例子:海王星是冰巨星的原型，而天王星可能是非典型的。探索天王星的天然卫星和海王星捕获的卫星海卫一可以揭示海洋世界是如何形成并保持活跃的，重新定义太阳系中宜居带的范围。基于这些原因和更多原因，我们主张冰巨系统探测器应该成为欧洲航天局“2050年航行计划”的战略基石任务，与国际合作者合作，并将目标定位于21世纪30年代初的发射机会。

到目前为止，已经发现了数千颗系外行星，随着未来计划的任务，这一数字将会增加。了解气候对行星参数的依赖关系对地系外行星宜居性的研究至关重要。利用带有季节循环的理想一般环流模型，我们研究了地表温度和哈德利环流对轨道、旋转和辐射时间尺度变化的季节响应。分析了气候对这些时间尺度变化的季节性响应，我们发现了由年平均日照控制的行星到由季节变化控制的行星之间的制度转变，这取决于轨道周期长度、倾角和辐射时间尺度之间的关系。因此，倾角大于54°且轨道周期较短的行星在赤道处的表面温度最低。我们还表明，在特定的配置，主要是高大气质量和短轨道周期，高倾角行星仍然可以有一个均匀的气候。根据模型结果，我们提出了哈德利环流上升分支和下降分支及其强度的经验幂律。这些幂律表明，Hadley环流随着倾角和轨道周期的增大或大气质量和旋转速率的减小而变宽变强。与以往的研究一致，我们发现旋转速率在决定季节性哈德利环流宽度方面起着重要作用。

木星内部的流动结构仍然不完全清楚，但由于朱诺号的高精度测量，现在可以更好地约束。最近发表的重力和磁场测量结果为地球及其内部流动提供了新的信息，未来的磁场测量将有助于解决这个难题。在这项研究中，我们提出了一种新的方法，利用朱诺重力测量结合磁场长期变化的预期测量，更好地约束木星内部流场。基于流体动力和磁场的综合考虑，我们可以得到一个适合这两种测量的最佳的纬向流垂直剖面。考虑磁场对流动的影响，可以更好地约束流动衰减曲线。这将使我们更接近于回答关于木星上流的深度和性质的长期问题。

木星观测到的东西喷流延伸到什么深度一直是一个长期存在的问题(1,2)。解决这个难题一直是朱诺号宇宙飞船(3,4)的主要目标，它自2016年7月以来一直在围绕这颗气体巨星的轨道上运行。朱诺号的引力测量显示，木星的引力场是南北不对称的，这是木星大气和内部流动的一个特征。在这里，我们报告测量到的奇重力谐波J(3)， J(5)， J(7)和J(9)表明，观测到的喷射流，当它们出现在云级时，延伸到云级以下数千公里的深处，可能延伸到大约3000公里深处的磁耗散区域(7,8)。通过将测量到的重力值反演为风场(9)，我们计算出最可能的大气和内部流的垂直廓线，以及其深度的纬度依赖性。此外，当考虑到内部结构的贡献(10)时，由这种流动剖面产生的均匀重力谐波J(8)和J(10)也与测量结果相匹配。这些结果表明，动态大气的质量大约是木星总质量的1%。

木星的大气以不同的速度旋转，区域和带以每秒100米的速度旋转。这颗气态巨行星的内部是否也是如此尚不清楚(1,2)，这限制了我们探测这颗行星的结构和组成的能力(3,4)。朱诺号探测器发现木星的重力场是南北不对称的(5)，并确定了其非零奇重力谐波J(3)、J(5)、J(7)和J(9)，这表明观测到的纬向云流必须持续到距离云顶约3000公里的深度(6)。在这里，我们报告了朱诺号(5)观测到的木星均匀引力谐波J(4)， J(6)， J(8)和J(10)，并与内部模型的预测进行了比较。我们发现，这颗行星的内部深处几乎像一个刚体一样旋转，与大气相比，其差动旋转至少减少了一个数量级。此外，我们发现大气纬向流延伸到超过2000公里和小于3500公里，使其完全符合独立于奇重力谐波得到的约束条件。这个深度对应于电导率变大的点，磁阻力应该抑制差动旋转(7)。考虑到电导率取决于行星质量，我们预计土星的外层，差速旋转区域至少要深三倍，而在巨大的行星和褐矮星中要浅一些。

哈德利细胞支配着地球大气的经向环流。太阳系的地面大气，金星、地球、火星和土卫六，在其哈德利环流的强度、宽度和季节性方面都有很大的变化。尽管哈德利细胞是热驱动的，但在所有行星中，上升分支并不与最温暖的纬度一致，即使在季节性非常长的情况下(例如，泰坦)或非常小的热惯性(例如，火星)。为了了解极端行星特征情况下哈德利环流的特征，我们在理论上使用轴对称理论，并在数值上使用一组理想化的GCM模拟，表明热罗斯比数决定了环流的特征。在考虑热罗斯比数参数可能变化的情况下，发现转速是控制循环特性的最关键因素。这一结果也解释了哈德利细胞上升分支在火星和土卫六上的位置。哈德利环流是一种热驱动环流，意思是空气在温暖的纬度上升，在寒冷的纬度下降。由于太阳强迫是季节性的，这个电池也有一个季节性周期，通常冬季电池更强。以往的研究表明，在夏至最高温度位于夏极的行星条件下，上升分支并不一定遵循最高地表温度;然而，减慢旋转速度可以让上升的分支跟随最温暖的纬度。 In this study, we aim to explain this rotation rate dependence and the Hadley circulation on planets that exhibit strong seasonality like Titan and Mars, by using both theoretical arguments based on angular momentum conservation and idealized 3D model simulations. We find that the rotation rate is the main factor controlling the ascending branch of the circulation.

大气呈现出两种不同类型的射流:热驱动的亚热带射流和更偏向极地的涡驱动射流。根据位置和季节的不同，这些喷流经常合并或分离，它们的位置、结构和强度强烈地影响着涡旋场。在这里，作者研究了一个理想的一般环流模型中涡流对射流振幅和位置变化的敏感性。采用了一种修正的牛顿弛豫方案，该方案对平均态具有很短的弛豫时间，而对涡流具有很长的弛豫时间。该方案可以获得任意的带对称温度分布，并用于系统地修改射流的振幅和位置。结果表明，涡对涡驱动急流幅值的变化比副热带急流幅值的变化更为敏感。此外，当由涡流驱动的射流向极地移动时，涡流趋于加强。这些结果在两个不同的参考模拟中进行了鲁棒性测试:一个类似副热带和涡流驱动射流几乎合并的情况，一个类似副热带和涡流驱动射流分离的情况。

破译木星云层以下的气流仍然是理解木星内部结构和动力学的一个重要里程碑。朱诺号对重力场和磁场的高精度测量可能有助于实现这一目标。在这里，我们提出了一种结合这两个场的方法来约束木星内部的深度依赖流场。该方法基于将流场与异常磁场联系起来的平均场电动平衡和将流场与异常重力场联系起来的地转平衡。我们发现，流场有两个不同的影响区域:上层区域，流动主要影响重力场，下层区域，流动主要影响磁场。通过优化程序，可以达到与重力和磁场一致的统一流结构。

木星和土星云层以下的流动性质仍然未知。将这些行星上的流动与它们密度场的扰动联系起来，是分析2016-2018年期间朱诺(木星)和卡西尼(土星)航天器预期的重力测量的关键。这两个任务都将提供与纬度相关的重力场，原则上可以反向计算这些行星上观测到的云水平纬向流的垂直结构。迄今为止，将重力场和流动结构联系起来的理论仅限于正压假设下的潜在理论，或者基于热风平衡的估计，可以分析斜压风结构，但已经做了简化假设，忽略了一些物理效应。其中包括偏离球面对称性的影响，密度扰动引起的离心力和密度扰动的自引力效应。最近的研究试图包括这些被忽视的术语，但缺乏一个能够以自洽的方式包括所有影响的整体方法。目前的研究介绍了这种自洽摄动方法来计算热风平衡，它包含了所有的物理效应，并将其应用于几个例子风结构，包括正压风结构和斜压风结构。分析了各项的贡献，并与势理论的正压极限结果进行了比较。结果表明，主要平衡涉及原始的简化热风方法。这种平衡产生了一个很好的引力矩数量级估计，因此，能够解决一阶问题，即在引力矩测量的情况下，流有多深。 The additional terms are significantly smaller yet can affect the gravitational moments to some degree. However, none of these terms is dominant so any approximation attempting to improve over the simplified thermal wind approach needs to include all other terms.

唯一一次对巨行星大气的现场测量来自伽利略号探测器，它在北纬6.5度的温度下穿过木星的气象层，测量出非常稳定的大气温度分布。在静稳定性相对较低的区域，水平风从1到3巴大幅增加。我们表明，这个高剪切区域表明了零位涡度和由此产生的倾斜对流的最佳可能性，并表明这里的流体可能是潜在的绝热。我们推广了一个表达式，以确定在任何纬度的深层大气沿恒定角动量表面的递减率。

即将到来的朱诺号探测器的测量有可能提高我们对木星重力场的认识。对朱诺多普勒数据的分析将提供一个非常精确的空间重力变化的重建，但这些测量只能在有限的纬度范围内非常准确。为了推断出木星的全部重力场，需要在分析中加入更多的信息，特别是关于木星的流动结构及其深度。会影响被测重力场。在这项研究中，我们提出了一种新的迭代方法来估计木星重力场，使用一个模拟的朱诺轨道，一个轨道估计模型，和一个基于伴随的流动动力学逆模型。我们对这种方法进行了测试，只测试了带状谐波，也测试了包括tesseral谐波在内的完整重力场。结果表明。这个方法。可以适应。一些引力谐波。 better to the "measured" harmonics, mainly because of. the added information from the dynamical model, which includes the flow structure. Thus, it is suggested that the method presented here has the potential of improving the accuracy of the expected gravity harmonics estimated from the Juno and Cassini radio science experiments.

卡西尼号在大结局期间对土星重力场的测量可能会揭示一个关于土星流动的长期问题。虽然云级风是众所周知的，但很少有人知道这些风是局限在地球的外层还是深入到内部。土星自转周期的不确定性增加了额外的复杂性，这是决定云面风的关键因素，对风的南北对称部分有影响。利用土星的云级风，我们将气流与重力谐波联系起来。我们给出了奇次谐波J(3)， J(5)， J(7)和J(9)作为流动深度的函数的预测，确定了三个深度范围。由于奇次谐波完全取决于流动，不受土星形状和静态密度分布的影响，卡西尼号测量的任何奇次谐波值都可以用来唯一地确定流动的深度。我们还讨论了流致偶谐波Delta J(2)， Delta J(4)，....， Delta J(12)，受土星自转周期的影响。虽然高次偶次谐波也可用于确定流动深度，但低次偶次谐波可作为分析行星内部结构和成分的不确定性。因此，在卡西尼号大压轴期间测量的重力谐波可能被用来得到流动结构的一阶估计，并更好地约束行星的密度结构和组成。

北半球大西洋和太平洋风暴路径的特征是向下游极偏转，这对中纬度地区的热、风和降水的分布有重要影响。在这项研究中，通过跟踪带有局部海洋热通量的理想GCM中的瞬态气旋来检查风暴轨迹的空间结构。局域大气响应被分解为时间和纬向平均背景流、静止波和瞬态涡旋场。拉格朗日轨迹用于构建旋风复合材料，并执行空间变化的PV预算。导致向极倾斜的三种不同机制出现:瞬态非线性平流、潜热释放和静止平流。PV复合材料的下游演化显示了固定波在每个区域所起的不同作用。在倾斜最大的区域，所有三种机制都有助于与气旋相关的低空PV异常向极地传播。在该区域的上游，静止波与前两者相反，因此向极地的趋势减弱。最后，通过增强加热源强度的反复实验表明，当静止波振幅增大时，风暴向极偏转增强。

木星上的气流观测基本上只存在于云层层面，主要由强烈的东西喷流组成。这些现象被认为是由表层薄天气层的动力学造成的，或者是内部深层圆柱流的表现。然而，有可能观测到的风确实是表面的，但存在完全解耦的深层气流。迄今为止，所有将风(通过诱导密度异常)与重力场(将由朱诺号测量)联系起来的模型都只考虑了观测到的云级风的投影。在这里，我们探索了复杂的风动力学的可能性，包括浅天气层的风，以及与上面的气流解耦的深层气流。上层气流是基于观测到的云层流动，并随深度而衰减。深层流被构造成具有可变宽度和大小的圆柱形结构，因此允许对未知的深层流进行广泛的可能场景。然后通过一个动力学模型将组合流与密度异常和重力矩联系起来。利用伴随逆模型对控制深部和表面结合部流动设置的参数进行了优化，从而在重力场作用下可以对深部和表面结合部流动进行重构。我们表明，该模型可以用于检查各种情况，包括深层气流主导地面风的情况，并讨论了与模型解相关的不确定性。 The flexibility of the adjoint method allows for a wide range of dynamical setups, so that when new observations and physical understanding will arise, these constraints could be easily implemented and used to better decipher Jupiter flow dynamics. (C) 2017 Elsevier Inc. All rights reserved.

在2016- 2017年，朱诺号和卡西尼号飞船将分别在木星和土星的近偏心轨道上运行，获得这些行星的高精度重力测量数据。这些数据将用于估计这些行星上观测到的表面流的深度。迄今为止，所有将风与重力场联系起来的模型都是正向的，因此只允许从给定的风模型计算重力场。然而，有必要做逆问题，因为新的观测将是重力场。在这里，开发了一个逆动力学模型，将预期的可测量重力场与密度和风场的扰动联系起来，从而与观测到的云级风联系起来。为了将重力场反演为三维循环，对动力学模型建立了伴随模型，从而实现了向后积分。该工具用于检查各种情况，模拟风的深度取决于纬度的情况。我们表明，在考虑到测量误差的情况下，可以使用重力测量来推导木星和土星上的风的深度。通过计算解的不确定度，我们发现在中低纬度地区可以更精确地确定风的深度。此外，引力矩对赤道中间深度的流动特别敏感。 Therefore, we expect that if deep winds exist on these planets they will have a measurable signature by Juno and Cassini.

地转湍流理论早在几十年前就预测了正压模式下的逆能量级联，但在海洋中却没有多少证据。在这项研究中，海洋正压能量平衡和大湍流尺度的纬度行为使用ECCO2(估计海洋环流和气候)状态估计进行了研究，该状态估计综合了卫星数据和现场测量，并使用包含实际水深测量和风强迫的高分辨率一般环流模型。研究发现，在高纬度地区，涡旋相互作用将涡旋动能从斜压模式向正压模式的转换扩散，无论是高尺度还是低尺度，都存在能量级联的逆级联现象。在这些纬度，斜压涡动动能转换尺度和含能尺度分别遵循最不稳定尺度和莱茵尺度。即使高纬度地区出现了逆能量级联，能谱的斜率也比-5/3的斜率更陡。与经典论点不同，Rossby变形半径不遵循斜压转换和大多数不稳定尺度。

观测表明，地球早期的大气质量与现在不同。不同的大气质量对辐射强迫的影响已在复杂程度不同的气候模式中进行了研究，但对大气质量对早期气候影响的热力学成分的机制理解尚不清楚。利用三维理想全球环流模型(GCM)系统地研究了大气质量对近地表温度的热力学影响。我们发现，大气质量增加导致近地表温度升高的主要原因是大气热容量增加，降低了大气低层的净辐射冷却效应。此外，涡流的垂直平流热量随着大气质量的增加而减少，导致近地表进一步变暖。净辐射冷却和垂直涡旋热通量均为热带外现象，高大气质量使经向温度梯度趋于平坦。

利用高分辨率的理想化GCM模拟，在大范围的涡流尺度上研究了涡-涡相互作用对纬向和经向大湍流尺度的影响。大范围的涡旋尺度是通过行星旋转速率的系统变化和多射流行星实现的。研究发现，涡-涡相互作用不仅不是射流形成的必要条件，而且涡-涡相互作用的存在减少了大气中涡驱动射流的数量。涡-涡相互作用对射流尺度的影响很小，在这两种类型的模拟中，在所有纬度都与莱茵尺度一致。涡-涡相互作用时射流数量的减少是因为纬向急流出现的纬度区域缩小了。之所以会出现这种变窄，是因为涡旋-涡旋相互作用在莱茵河尺度与罗斯比变形半径相等的向极纬度地区最为重要。因此，一旦涡-涡相互作用被消除，从斜压向正压的涡动能转换就会增加，涡-平均流相互作用就会侵入这些纬度，并在那里维持额外的射流。涡-涡相互作用增加了含能区域尺度，使其与射流尺度重合，从而使流动更加各向同性。虽然转换尺度与最不稳定的尺度相吻合，但在这两种模拟中，Rossby变形半径并不能很好地指示这些尺度。

在一个理想的带对称潮湿GCM中，利用气旋跟踪复合材料的位涡度(PV)趋势分析研究了中纬度风暴的向极传播。详细的PV预算揭示了与潜热释放相关的上层PV和非绝热加热的重要作用。在成长阶段，典型的斜压不稳定现象出现了，与气旋相关的一个高层PV位于低层PV的西边。这种构型不仅促进了强度的增强，而且由于低层异常的非线性平流受到高层PV的影响而导致了向极地的趋势。利用分段PV反演分析了上低层PV异常和地表温度异常的单独贡献，表明了上层PV异常对气旋向极地平流的重要性。PV分析还强调了潜热释放在气旋向极运动中所起的关键作用。在气旋的东北侧，暖湿空气上升，潜热释放趋于最大化。在低空形成正的PV趋势，使异常向东和向极地传播。结果表明，气旋强度越大，其潜热释放和向极平流越强，向极传播越大。旋流器复合材料的时间发展表明，在旋流器的生长阶段，随着这两个过程的加强，向极方向的传播增加。 However, during the decay stage, the vertical alignment of the upper and lower PV anomalies implies that these processes no longer contribute to a poleward tendency.

最近发现的类地系外行星和超级地球的轨道和物理参数范围很广，这表明这些行星将跨越广泛的气候体系。对温暖的超级地球大气层的描述已经开始，并将在未来十年扩展到更小和更遥远的行星。这些星球的宜居性可能受到其三维大气环流体制的强烈影响，因为控制宜居带内外边缘的全球气候反馈——包括向雪球状状态的转变和失控的温室反馈——取决于赤道到极点的温差、相对湿度模式和动力学的其他方面。在这里，我们使用一个理想化的潮湿大气环流模型，包括一个水循环，研究了控制这些行星上大气动力学的动力学原理。我们展示了行星转速、恒星通量、大气质量、表面重力、光学厚度和行星半径是如何影响这些行星上的大气循环和温度分布的。我们的模拟表明，赤道到极点的温差、经向热传输速率、风的结构和强度以及水文循环随这些参数发生强烈变化，这意味着地球对全球气候反馈的敏感性将在很大程度上取决于大气环流。我们阐明了可能的气候体制，并诊断了控制大气急流、Hadley和Ferrel细胞和纬向温差形成的机制。最后，我们讨论了理解大气环流如何影响全球气候的意义。

高转速下的模拟结果表明，当副热带急流和涡驱动急流明显分离时，涡驱动急流的向极迁移发生在温带。这些斜压急流的向极迁移随时间的变化与涡动量通量辐合和斜压性沿急流宽度的变化是一致的。我们使用高分辨率的理想化GCM来证明这一点，我们系统地检查了大范围旋转速率(高达地球旋转速率的16倍)的涡流驱动射流。在喷流的侧翼，向极地的迁移是由沿喷流宽度的斜压性向极地的偏倚引起的，这可以通过伊迪增长速率和超临界等测量方法来估计。向极地偏倚的斜压性是由于科里奥利参数的经向变化引起涡旋动量通量辐合的向极地偏倚。在急流的核心，相对于平均急流的偏极涡动量通量辐合使斜压性和急流向极地偏转。随着旋转速率的增加，出现更多(更窄的)射流，由于在更窄的斜压带上涡旋动量通量收敛较少，迁移速率变得更小。我们发现喷流的迁移速率与喷流的净涡动量通量收敛之间存在线性关系。这种向极地的迁移可能与对流层上层观测到的纬向风的时间异常向极地缓慢传播有关。

瞬态和静止的涡流通过热量、水分和动量的输送塑造了热带外气候。在纬向平均上，瞬态涡的输运优于静止涡的输运，但在局部上未必如此。特别是在冬季风暴轨道的入口和出口区域，静止涡及其与平均流的相互作用主导着大气能量的输送。这里表明，静止的涡流可以塑造风暴轨迹，并通过修改局部的斜压性来控制它们的终止位置。用理想的水行星GCM进行的模拟表明，仅带状局部表面加热(例如，海洋热流辐合)就会产生风暴轨迹，其明确的长度尺度与地球风暴轨迹相似。即使在没有大陆的情况下，风暴轨迹也终止于地表加热的下游，其距离由静止的罗斯比波长尺度控制。静止涡旋发挥双重作用:在加热区域下游约半个罗斯比波长范围内，静止涡旋能量通量增加了斜压性，从而为风暴路径提供能量;在更远的下游，静止涡增强了向极地和向上的能量输送，降低了经向温度梯度，增强了静态稳定性，从而降低了斜压性。感热和潜热(水蒸气)的输送在决定风暴轨迹终止的地方起着重要的作用。

美国宇航局的朱诺号宇宙飞船将对木星进行微波和重力测量。这些可以揭示木星大气成分的信息，以及可见云层下的温度和密度结构，这与纬向风的结构是平衡的。在这里，我们表明，在赤道外深纬向风的结构上存在强烈的物理约束，这意味着对朱诺将测量的热和引力信号的动力学约束。这些限制来自木星快速旋转，几乎无粘性流动，并且有强烈的内在热通量从内部深处散发出来的事实。由于强大的内在热通量，木星的内部是对流的，但快速的旋转和弱粘度限制了远离赤道的对流运动主要发生在与行星自转轴平行的圆柱体上。因此，预计对流将沿自旋轴近似均匀化熵，从而将内部调整到对流和惯性接近中性的状态。在这种状态下，垂直于自转轴的熵梯度是恒定的，但在与自转轴同心的圆柱上通常不为零。此外，热风平衡将垂直于自转轴的熵梯度与观测到的云级风和内部深处风之间的纬向风切变(压力为10(6)巴)联系起来，这种切变必须弱得多，因为否则纬向风与行星磁场相互作用产生的欧姆能量耗散将超过行星光度。结合这些物理约束和大气的热学和电学性质，我们得出，远离赤道的纬向风可能深入木星(深度约在0.84R(J)和0.94R(J)之间，木星半径为R-J)，但其强度与云级风相似，仅在木星半径的百分之几以内

在太阳系外行星上观测到的云级大气环流主要由强大的东西向急流主导。这些风的深度是限制其整体动力学、能量学和内部结构的关键未知因素。有两种方法可以解释这些强风的存在。第一种观点认为喷流是由靠近地表的浅层大气过程驱动的(1-3)，而第二种观点认为大气动力学深入到行星内部(4,5)。在这里，我们报告，在天王星和海王星上，大气动力学的深度可以通过行星各自的重力场来揭示。我们表明，测量到的四阶重力谐波J(4)，将动力学限制在天王星总质量的最外层0.15%和海王星总质量的最外层0.2%。这为动力大气的深度提供了一个比先前所认为的(6)更强的限制，并表明动力仅限于两颗行星上不超过1000公里深的薄天气层。

北半球风暴轨迹在太平洋和大西洋盆地有最大强度;它们的强度在下游大陆减弱。在这里，使用理想化的水行星环流模型进行模拟，以证明即使没有大陆，风暴轨迹也具有自行确定的纵向长度尺度。它们的长度主要是由行星自转速率控制的，类似于地球自转速率下风暴轨迹的长度。下游，风暴轨迹自毁:下游涡旋动能低于没有造成局部风暴轨迹的区域不对称时的水平。与风暴轨迹相关的能量通量可能参与了风暴轨迹的下游自我毁灭。造成局部风暴轨迹的纬向不对称通过静止涡的产生加强了能量传输，这导致斜压性降低，并持续在涡动能最大值的下游很远的地方。

在冬季，北美东北部和亚洲东北部都比其他纬度相似的地区更冷。这是由于高架地形(地形)所造成的静止天气系统的影响(1)，以及缺乏盛行西风对海洋的影响(2)。然而，这两个大陆在范围和地形上的差异表明，还涉及到进一步的机制。在这里，我们证明了这种反常的冬季寒冷部分是由大尺度大气波向西辐射造成的——几乎静止的罗斯比波——是由温暖的海水上空的大气加热产生的。我们用一个理想化的一般环流模型(3-5)模拟证明了这一机制，用这个模型我们证明了寒冷地区的范围是由罗斯比波的性质控制的，例如它们的群速度和它对行星旋转速率的依赖。我们的研究结果表明，温暖的海水不仅通过使西部边界变暖，而且通过使东部边界变冷，促进了东西部大陆边界中纬度冬季温度的对比。

巨大的气体行星有热对流的内部，因此一个常见的假设是，这些深层大气接近正压状态。在这里，我们使用一个新的非弹性环流模型表明斜压涡度的贡献是不可忽略的，并使系统远离等熵，因此处于正压状态。与正压旋转流体一样，运动仍然与旋转轴方向一致，但风结构具有垂直切变，大气中的风比内部的风更强。这种剪切与斜压压缩效应有关。以前大多数巨型行星的对流模型都使用了Boussinesq近似，该近似假设密度在深度上是恒定的;然而，木星的实际密度在其深层分子包膜中有四个数量级的变化。因此，我们开发了一个新的一般环流模型(基于MITgcm)，该模型是弹性的，因此包含了这种密度变化。模型的几何形状是一个完整的三维球体，直到一个小的内芯。它是非流体静力的，使用适合氢氦混合物(SCVH)的状态方程，并由内部加热剖面驱动。我们通过比较弹性和Boussinesq情况来证明压缩性的影响。 The simulations develop a mean state that is geostrophic and hydrostatic including the often neglected, but significant, vertical Coriolis contribution. This leads to modification of the standard thermal wind relation for a deep compressible atmosphere. The interior flow organizes in large cyclonically rotating columnar eddies parallel to the rotation axis, which drive upgradient angular momentum eddy fluxes, generating the observed equatorial superrotation. Heat fluxes align with the axis of rotation, and provide a mechanism for the transport of heat poleward, which can cause the observed flat meridional emission. We address the issue of over-forcing which is common in such convection models and analyze the dependence of our results on this; showing that the vertical wind structure is not very sensitive to the Rayleigh number. We also study the effect of rotation, showing how the transition from a rapidly to a slowly rotating system affects the dynamics.

本文提出，即使是弱切变的斜压不稳定性也可能在巨行星大气中观测到的强纬向喷流的产生和稳定中起重要作用。大气被建模为一个两层结构，其中上层是一个标准的准地转层，在一个beta平面上，下层参数化为一个内部深层对流柱状结构，使用一个负beta平面，如Ingersoll和Pollard所示。线性稳定理论预测，高波数扰动将是由观测推断的小型垂直风切变的主要不稳定模态。本文提出了一种非线性分析模型，该模型被截断为一种增长模式，在涡间非线性相互作用的驱动下，呈现出多射流子午结构。在弱超临界极限下，该模型与以往的弱非线性理论基本一致，但在弱超临界极限之外，该模型还可以进一步研究，使多重射流诱导的带状流场比涡流场更强。从随机势涡摄动场开始，用完全非线性伪谱模型计算得到稳定的子午多射流结构。这种不稳定性将能量从背景弱斜压切变中移除，并产生湍流涡，其经历逆能量级联并形成多喷流纬向风。射流是瞬时上层流动的主要特征。涡流相对较弱。喷流的规模与莱茵河的长度相同，但其强度足以违反正压稳定性准则。 It is shown that the basic physical mechanism for the generation and stability of the jets in the full numerical model is similar to that of the truncated model.