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文档简介
第四章层结流体的准地转运动Quasigeostrophic
Motion
of
a
Stratified
Fuid主要讲述:层结流体中准地转运动的位涡方程;层结流体中的Rossby波;层结流体中的Rossby波的垂直模态。§4.1
球坐标下的方程组:尺度分析The
Equations
of
Motion
in
Spherical
Coordinates:
Scalingdt
rdt
r
r-dv
+
wvdt
r¶p
+
Ff1
¶p-
2W
cos
fu
=
- -
g
+
Frr
¶r1
¶p+
tan
f
+
2W
sin
fu
=
- +
Fr
rr
¶f
qrr
cos
f
¶l1du
+
uw
-
uv
tan
f
-
2W
sin
fv
+
2W
cos
fw
=
-dw u
2
+
v
2u
2r
+¶r1
¶u
+
1
¶(v
cos
f
)
¶w
+
2w
=
0dt
r
cos
f
¶l
r
cos
f
¶fdr
+
r
(大气)2T
+
Q
dt
cpT
rdq
=
q
k热力学方程(海洋)•cp2ar0=
k
r
-
Qdr
dt状态方程p
=
rRTr
=
r0
1
-
a
(T
-
T0
)]z*
=
r
-
r0y*
=
(f
-
f0
)
r0x*
=
lr0
cos
f0以下记:尺度分析:
p
ppsssgDrsp
=
ps
1
+
eFp
1
+~)
+
p(
x
,
y
,
z
,
t
)
=rsUf
0
L*
*
*
*p*
=
ps
(
z**
s
*
*
*
*
*r
=
r
(
z
)
+
r~(
x
,
y
,
z
,
t
)由静力近似:¶p*
/
¶z*
=
-r*
g¶~p
/
¶z*
=
-r~gfi
¶ps
/
¶z*
=
-rs
g
=
o
(r
s
eF
)而¶~p
/¶z*
~
o(~p
/D
)=o(rsUf
0
L
/D
)fi
rsUf
0
L
r
~
o~准地转近似:e
=
o(L
/
r)<<1
限制下的情形gD
£
o(e)-2F
=
L2
/
R
2
=
0
海洋=10f
2
L2
大气=10-1
且d
=D
/L
£
epFps
¶zgD-
¶psp
=
p
1+
e*
s\
r*
=
rs
(1+
eFr)
¶x
¶y
¶z
rsdt
r
dt分析连续方程:eF
dr
+
drs
+
(1
+
eFr
)
¶u
+
¶v
+
¶w
+
D
2w
-
Lv
tan
q
=
0L=
D
Uw
*已取w零级近似的水平运动方程:¶y¶x¶pv
=u
=
-
¶p0000一级近似:d
vdtd
u¶y¶p¶x¶p101
0
0
dt1010
0+
u
+
bu y
=
--
v
-
bv y
=
-
¶x
¶y
¶u
¶vdtd
0
(z0
+
by)=
-
1
+
1
=
0¶x
¶yrs
¶z¶u0
¶v0
¶
w0
rs
)得:
+
+=
0+
+¶x
¶yrs
¶z¶u1
¶v1
¶
w1rs
)0
w
=
0即w
=
ew
+
e2
w
+...1
2为求w1需用热力学方程cccRpcvpp
R
ln
p*
=
1-ln
p*
-
ln
r*
+
Cln
p*
-
ln
r*
+
C
=大气:lnq*
=ln
T*
-pFssspcvp
¶z-
¶ps=c-
ln(1
+
eFr
)+
C-
ln
rln
p
+
ln 1
+
ecsvs
sp
pc p
¶zc
-
¶ps=
cvp
-eFr
+
Cln
p
-
ln
r
+
eF\
q*
=
qs
(z*
)(1
+
eFq
(x,
y,
z,
t
)000\
qp
-
rc p
¶zp
s=
cv
-
¶ps=
-eFrs
rg¶
rs
p)=
-rg
=
eFgD~¶z*
¶~prs
¶z¶rsrs
¶z
¶z=
+
p0¶
rs
p0
)
¶p0\
-r0
=sp¶z=
cv--
¶zqs
¶z¶qsc
ps
¶z
r
¶zD¶z¶ps
¶rs-
p0¶p0
p0¶p0\
q0
=dts¶x
¶y\r
¶z(z
+
by
)=
-
+
=¶(w1
rs
)¶v1
¶u10d
0¶
+
v¶¶x
¶y= +
udt00
d0
¶¶t100
0.65
300
100
104
1
=+==-
=
o(10-1
)TDc
g
D
¶Td*
p
s
*sss(g
-g)=
oq
¶z
q
¶z T
¶z¶q
D¶q¶z=
¶p00\
q=dtT
+
Q
+
s
=
QeF
qs
¶zdq
q
kdq
(1+eFq)w¶q2*
dt*
cpT
r**-
\+
¶x
¶z
¶y+
S
¶zSdtz
S
ssssd0
1
¶u0¶q0
¶v0
¶q0
¶
rsq0
r
¶z
rs
Q
dt
=
r
¶z
Sd0q0
¶¶
rs
=
Q
-r
¶z
r
¶¶(w1
rs
)¶y
¶y¶z
¶z¶x
¶x¶z
¶z 0
= 0
=-
0¶q
¶2
p
¶u¶q
¶2
p
¶v但 0
= 0
= 0
,\201Lf
2
L2N
2
D2
L2+
w
S
=
Q0
0dt=
D
s
*
0s
S
=
s
=
s
=q
¶z f
2
L2g¶q
D2Fq
¶z¶qd
q
-
=+\Sdt¶x
¶ydt
ssssd
0
¶v1
¶u10d
0¶
rsq0
r
¶z¶
rs
Q
dt
=
r
¶z
Sd
0q0
¶
rs
=
Q
-r
¶z
Sr
¶z¶(w1
rs
)(z
+
by
)=
-若绝热,并令:y
=p0
=
\dt
¶
rs
Q
rs
¶z
Srs
¶z
S¶z¶
rs
¶p0
z
0
+
by
+d
0
(1)-¶y
¶x
¶x2
+
¶t
¶x
¶y
s
=
0s¶
r
¶y
r
¶z
S¶z
+ +
by
+
¶ ¶y
¶ ¶y
¶
¶2y
¶2y¶y2边界条件,对于大气只有下边界条件:2DhE1/
2
B
=
ew1w=
v
z0
+V0E1/
2\
w1
=
v
z0
+V0 hB2e++ =
-00
01d
q
Q
d
¶y
/
¶z
QSdt
S
Sdt
S而w
=
-Sdt
B
+
B
¶x
¶y
¶y
¶x
-+=
-
v
¶y
¶h¶y
¶h¶x
¶y2¶2y
2E1/
2
¶2yz
=02e
d
¶y
/
¶z
绝热:
0
恢复到有量纲的位涡方程为:2*
=
0*
*
*¶
¶
¶ss
*
s¶x
¶y
¶tr¶
rs
f¶
p*
-
ps
r
¶z
N
¶z
+u*
+v*
z*
+
b0
y*
+•cp2dt*ar0r*
-
Qdr*对海洋:
=
k1dt
r
¶z
eF
dr
+
w
¶rs
(1+
eFr)=
-Qs*
s
r
=
r
(1+
eFr)sdt
F
r
¶zd
r
w
¶r
0 0
+
1
s
=
-Qdt¶z
¶z¶z
1
=
0
0
+¶w
d
¶
r
/
S
)
¶
Q
/
S
)ssr
¶z=r
¶z
¶z0¶
r
p
)
¶p0
+
p
¶rss
00-r
=s¶rs但对海洋
<<1
fir
¶z¶z¶p00r
=
-
\¶z
S
¶z
S
dt
00¶
r
=
¶
Q
+
by
-d
0
z
¶
Q
=¶\¶z
S
¶p¶z
S¶z
dt
d
000z
+
by
+00f
2
L2
L2N
2
D2
L2f
2
L2D2s
*s=
s
=
D
S
=
s
=
s
Fr
¶z
r
¶z-
¶r
-
g¶r2-
+¶y
¶y
¶x¶t
¶x+
+
+
by
=
0
(2)¶x
¶y2
¶z
S¶z¶2y
¶
¶y
¶
¶2y
¶
¶y
¶
¶y若绝热,并令:y
=p0上边界条件:curltdt
er
f
UDdhs
0t001+fi
w
(x,
y,1,
t
)=
FS
dt Sdt
¶z
Sdt
¶z
11
d0
r0
=
d0
¶p0
=
d0
¶y
但绝热时w
=
-=\Sdt
¶z
s
0z
=1(
F
<<1)curlter
f
UDt0d0
¶y
§4.2
层结流体中的Rossby波Rossby
Wave
in
a
Stratified
Ocean2++
-
¶t
¶x
¶y
¶y
¶x
s
=
0s¶
r
¶y
r
¶z
S¶z
+
by
+¶
¶2y
¶2y
¶ ¶y
¶
¶y大气:22++-¶y
¶z
S¶z
¶t
¶x
¶y
¶y
¶x
¶x
+
by
=
0¶
¶y
¶x
¶y2¶2y¶
¶2y
¶ ¶y
¶
¶y海洋:
+若远离边界,=
1
=
constS
=
const,rs
¶z
H-
¶rsH
很大。大气中
H
=
o
(1),海洋中设解:y
=Az
/2
H
cos(kx
+ly
+mz
-st
)(
)/
Sk
2
+
l
2
+
m2
+1/
4H
2-
bk得:s
=假定波动的垂直尺度很小(远离边界)则:1/m2
<<D2或H
2k
2
+
l
2
+
m2
/
S\
s
=
-
bk
2
m
D/
m2
L=
=L2
S
m2
L2
L2
m是两波节点之间的垂直距离。
L
是等密度面的变形半径,L大气LD
=D
/
f0
,
Lm
=
LD
/
m
D
/f0
,
海洋LD
=rs
¶z*g¶rsqs
¶z*g¶qs
D===22
2
2(k
+
l
+
m
/
S
)c
=cgz
=cgy
=gx
2bkl
(k
2
+
l
2
+
m2
/
S
)2
2bkm
/
S
¶s
b(k
2
-
(l
2
+
m2
/
S
)¶k
(k
2
+
l
2
+
m2
/
S
)2¶s¶l¶s¶m<
0=-2m2
/
Scgzs
/
m
(k2
+l2
+m2
/
S)2注意所以垂直方向相速与群速总是反向§4.3
Rossby波垂直模态Rossby
Wave
Vertical
Modes小扰动、水平无界、无地形和摩擦、刚盖、无风应力强迫近似下的海洋:+
+=
0=
02z
=1s
¶t¶z
z
=0¶x¶x
¶y2¶t
¶2y
s
+
br
¶z
S¶z
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