横向环流
代流通同质层
描述的空间模式水平电流使用通常由一个名为涡度的变量Z定义为旋度(数学运算,用Vx象征,涉及空间衍生品)的水平速度向量u,也就是说,
V dv du dxdy
流场中流体粒子描述逆时针(或气旋)循环将积极vor-ticity;流场和负涡度,反过来,会使流体粒子(或顺时针方向旋转anti-cyclonica增加)。的大小Z等于角速度的两倍流体包裹:大Z变得越高将粒子循环的速度。这里,管理涡度的演化方程Z泥沙流的水平速度分析理解的机制产生循环在哈佛商学院和无缝的。忽略涡度平流和扩散,控制方程Z在同质层厚度h (x, y, t)可以写成dZ f + Z \博士(dh dh dh \„英尺(VJ u + u dX + v dy) + Vn«) ~ Vxl Ph值
右边的三个术语eq。13代表涡度的源和汇在一个封闭的盆地。气旋和反气旋涡旋的生成取决于这些术语的平衡,这代表:
1。代涡度的时间层厚度的变化,或通过运行流入地区更大或更小的厚度(比如,一个倾斜的底部),导致液体的拉伸或挤压列(图2.1);
2。涡度通量顶部边界空间变化引起的风应力tw和/或底部深度测量法(图2.2);
3所示。涡度通量底部边界引起的旋度的底部压力的比值(tb)盆地的深度。
3是唯一的涡量水槽。所有其他条款的来源。术语(1)与空间和/或时间的变化(通常是振荡性质的)的厚度h同质层。分层水体,它是复杂的存在内部波运动。内波引起的振荡电流的影响下,水包裹将描述开放的轨迹,用小净后位移振荡。网络防御循环创造的术语(1),因此,特点是平均速度(当平均几波时间)远低于瞬时值。这样的循环称为残余环流,它在本质上是气旋。定义残余发行量与直接发行量相比,由空间变量直接驱动风(任期2)。水包裹在这种类型的发行量将不断在大型旋转的模式,和水包裹的平均速度是相似的瞬时速度的大小和方向。与剩余发行量相比,直接循环可以是气旋和反气旋取决于风湖表面的空间变化(见表2中明确湖)。
在同质盆地地形环流
Z在HB的进化受到突然施加风可以先订单,由于描述空间变化的风和湖水深度测量法(即右手边的第二项eqn [13]。这个描述只适用于一段时间后的风应力必须短f相比,这样科里奥利力(见基本概念)和底部摩擦可以安全地忽略。循环受地形影响的程度或风的空间变异性可以评估使用简单的缩放参数,通过打破第二源项eqn[13]如下
这里,象征一个应用于变量是指整个盆地变量大小的变化。第一项代表了大小和/或方向的变化在湖风应力。第二是风力作用的结果在一个方向垂直于深度变化,它被称为拓扑的时刻。风应力的空间变异性拓扑时刻将主导
-
- 图2三维部分的一个湖。(1)体积守恒和循环流体包裹进行挤压或拉伸。涡度降低流体包裹前往较浅的区域,反之亦然。(2)涡度引起的风应力旋度太瓦。
在平坦盆地(H«0)循环的主要来源是风的旋度度假。在湖泊的更现实的不同深度测量法,风应力和深度变化控制湖泊环流。近均匀的风作用沿着狭窄和长湖的主要轴线倾斜的,循环的唯一来源是拓扑,由此导致循环的特征是双环流模式:右边的轴的方向tw / h的风旋度是积极和气旋性涡度产生,而左边anti-cyclonic涡度产生(图3)。底摩擦(不包括,到目前为止在我们分析流通)倾向于取消风涡量的输入,但只有在地形环流已经建立。
地形在同质的身体
由于科氏力作用在一个初始double-gyre模式,这将会逆时针旋转运动(见图4)。这种模式被称为地形或涡旋波。它是免费的,因为它的存在不依赖于外部强迫(即。,它只要求初始双环流之前已经建立了),并且有一个特征频率尺度为年代«Xflk [16]
l是一个常数的团结,l是一个长度尺度特征斜率的大小在一个湖泊k是波的波数,最严重的第一模式,给出了k = 2 P / P (P周长)。典型值f = 10 ~ 4 s - 1,我= 104 m和k =纯m - 1, s是订单的10 ~ 5因此,s < < f。
尽管涡旋波的可能性发生在湖泊已经承认在经典流体力学,证据存在的真正的湖泊,气旋的旋转速度矢量显示的频率由eqn[16],是稀疏和弱(见图4),这是在某种程度上,是因为风几乎从不缺席,将最有可能的是,与现有地形波。温和、强风有足够的冲动可以改变现有流通模式,并建立一个新的流域地形环流。此外,
图3大型冬季环流在安大略湖,重建从观察收集广告不同的电台(显示为黑色细箭头)。图中的数字显示被测量的深度:1 = 15米,5 = 75。箭头的大小显示电流的大小。灰色的厚,弯曲的箭头表示的循环解释数据。黑色的厚箭头表示主导风向。从Beletsky D,塞勒JH,施瓦布DJ(1999)意味着在五大湖循环。《大湖研究25:78 - 93。复制国际大湖研究协会的许可。
图3大型冬季环流在安大略湖,重建从观察收集广告不同的电台(显示为黑色细箭头)。图中的数字显示被测量的深度:1 = 15米,5 = 75。箭头的大小显示电流的大小。灰色的厚,弯曲的箭头表示的循环解释数据。黑色的厚箭头表示主导风向。从Beletsky D,塞勒JH,施瓦布DJ(1999)意味着在五大湖循环。《大湖研究25:78 - 93。复制国际大湖研究协会的许可。
图4标准化流函数计算的a2D-model湖循环里加湾,16.5 (a), 17.5 (b), 18.5 (c)和(d)模拟开始后19.5天。电流将行平行流函数相等。连续线显示了气旋环流而虚线显示double-gyre的反气旋环流。大胆的箭头显示风的方向。改编自Raudsepp U, Beletsky D,施瓦布DJ(2003)流域地形波里加湾。《物理海洋学33:1129 - 1140。美国气象学会2003年版权所有。与美国气象协会的许可复制。
时变风的方向也会影响循环模式:cyclonically旋转风已经被证明在数值实验中加强流域地形波,而anticyclonically旋转风往往破坏波。浅地区的风直接强迫和底部摩擦主导涡度平衡,地形波不可能观察到。因此,只有在最深的点,地形波可以找到的证据。
空间变异性的风强迫
特定风力循环模式,发展SML或者HB是紧密联系在一起的空间和时间变化的风应力在湖(见eqn [13])。虽然风应力的时间变化特征在空间的一个点可以用高分辨率风传感器(如声波风速计),描述其空间变化,然而,已被证明是一项艰巨的任务。相当大的努力近年来一直致力于描述风应力场的空间变异性湖泊。这样做是通过应用动态模型的大气环流或通过测量风速和风向的风在探测器阵列和湖上(见,例如,图5加里利海湖)。大部分空气动力学公式通常用于推导风速风应力值。技术描述风应力场直接(散射测量),到目前为止,只有应用到海洋尺度,给现有传感器的分辨率很低。
研究描述风场在湖泊范围从小型到大型证明存在相当程度的空间变异性对天气和当地的尺度。综观尺度风场的变化只会影响湖泊的大型维度(如大湖)。在当地规模、空间等因素变化的地表温度和/或湿度性能、表面粗糙度、地形可以修改甚至产生大气边界层的流动。最有可能,他们是在玩还是在附近的湖泊。最显著的影响的地形是周围的空气动力学修改天气大风。地形特征,现有的湖泊周围,在其他一些影响,导致环境风改变方向(偏转效应),将创建领域的动力
图5加里利海湖,以色列与10 - 20 - 30米深度轮廓;风在岸边的湖和测量线。108年平均风速和发生频率方向垃圾箱,风的到来(气象大会),170 - 183年期间天绘制黑色线条和灰色酒吧,分别。改编自拉瓦尔B, Imberger J,霍奇BR(2003)模拟循环在湖泊:空间和时间变化。湖沼学和海洋学48 (3):983 - 994。版权2003年由湖沼学和海洋学的美国社会,公司与美国社会的许可复制的湖泊和海洋。
图5加里利海湖,以色列与10 - 20 - 30米深度轮廓;风在岸边的湖和测量线。108年平均风速和发生频率方向垃圾箱,风的到来(气象大会),170 - 183年期间天绘制黑色线条和灰色酒吧,分别。改编自拉瓦尔B, Imberger J,霍奇BR(2003)模拟循环在湖泊:空间和时间变化。湖沼学和海洋学48 (3):983 - 994。版权2003年由湖沼学和海洋学的美国社会,公司与美国社会的许可复制的湖泊和海洋。
赤字或醒来(掩蔽效应)。这些影响尤其相关的应用程序,湖风诱导空间变量字段在低水平在地区地形湖泊通常位于。
其他来源的循环
海岸线违规行为(海角、半岛、岛屿、海湾等)或流入/流出特性(即。,开放边界)也可以作为的涡度源SML和HB(参见图6)。海岸线违规的程度或流入/流出特性可以创建涡结构取决于几何和流的水力特性等
•L长度尺度的特性;在半岛这个长度的情况下,与湖的宽度决定了流动受阻的程度和半岛sub-basins有效地使盆地;
•他们的清晰度(例如,无论海岸线的变化方向是突然的或平滑),可由特征是曲率半径Rw;
•流入速度,或者更一般的空间梯度引起的水平速度海岸线特点:
•动量转移的速度水平;和
•科里奥利力,代表的速率流动倾向于转向地球自转,它的特点是惯性频率f。
平稳特性和速度梯度小,电流将转移,但他们往往会沿着海岸线,和不旋转的模式发展。
图6的示意图表示一个海岸线功能,速度梯度形式。未扰动速度的大小是U;L代表一个特征长度尺度特性和Rw描述它的清晰度。这个方案可以代表河流进入湖泊的一部分,半岛的一部分,或一段湾。
锋利的特性和大速度梯度,将旋转的模式,最有可能的是,发展。量纲分析和实验室实验表明,旋转的模式将开发海岸线附近流入或违规行为如果退出角落的清晰度比惯性半径大,也就是说,
环流的形成和海岸线的分界线附件不完善,可能取决于细节,如实际的电流分布在主体或流入水。在任何情况下,电流在海岸线附近的行为违规行为是由水运动的非线性性质。
海岸线附近的水平程度上产生的环流违规将最有可能规模大小的违规行为,而且在大多数情况下,这些环流将只能本地(非盆地)(参见图7)。在半岛和岛屿的情况下大的总宽度湖相比,大型循环可以修改在一定程度上,盆地两侧的阻碍应对风一样,实际上,是独立的,与旋转的结构类似于上面所述个人湖泊。漩涡有关河飞机只会推动盆地规模非常大的流入旋转的模式。上的康斯坦斯湖为例,据估计,观察到盆地规模气旋环流(12 000米宽)只能由极端流入事件约1500立方米从高山莱茵s - 1。
继续阅读:垂直循环
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