Уравнения геофизической динамики являются сложными трехмерными нелинейными системами дифференциальных уравнений, разрешаемые только современными численными методами, что осуществляется в настоящее время в современных климатических моделях. Однако, во времена отсутствия ЭВМ анализ уравнений динамики атмосферы и океана проводился на аналитическом уровне, что позволило получить важные качественные результаты, не потерявшие свою ценность и в настоящее время. К таким направлениям качественного исследования уравнений динамики океана относится метод «полных потоков», развивавшийся в нашей стране известным океанографом В.Б.Штокманом. Этот подход позволил исследовать характерные черты горизонтальных движений планетарной жидкости на примере океана, абстрагируясь от термических и бароклинных процессов. Следствием этого подхода являются результаты последующих разделов 7.2.2, 7.3. Рассмотрим уравнения динамики океана
(7.17)
Считаем, что (океан - баротропный).. Проинтегрируем
уравнение статики от
до
, при граничных
условиях для давления на поверхности при
:
. Получим
.
Отсюда, при
,
учитывая, что , получаем
.
После этого, считая отклонение о
возмущенного уровня малыми, граничные условия на поверхности можно перенести на
уровень :
Здесь -
вектор-функция трения о дно. Проинтегрируем далее систему (7.17) в пределах от 0
до
.
Обозначая проинтегрированные во глубине скорости, называемые «полными потоками»
,
приходим к выражениям
(7.18)
Введем конкретный вид вектора в виде
линейного «ньютоновского» закона трения о дно
Иногда в моделях циркуляции вместо полных потоков удобно использовать средние по вертикали значения вектора скорости. Обозначая
перепишем (7.18) в виде
(7.19)
Применим к первым двум уравнениям операцию
вихря. Продифференцируем первое уравнение системы (7.19) по , второе - по
и
вычтем из второго уравнения первое с использованием соотношений
В результате получим уравнение для вертикальной компоненты относительного вихря в терминах интегральной функции тока
(7.20)
Здесь .
Если убрать источники и стоки, то это уравнение будет иметь свободные решения, в виде волн Россби.
Уравнение (7.20) можно
записать в терминах вихря. Обозначая , где
- вертикальная компонента вихря, уравнение
(7.20) перепишется в виде
. (7.21)
В уравнении (7.21) Члены приобретают более
наглядный смысл. Первый член определяет величину изменения вихря по времени. Второе
слагаемое характеризует диссипацию вихря за счет трения о дно. Третье
слагаемое описывает -эффект при
и при
равняется
. Четвертое слагаемое – сток энергии вихря за
счет турбулентной вязкости. Слагаемое в правой части – источник движения за
счет действия касательного напряжения трения ветра.
Из уравнения вихря можно получить весьма полезное для качественного анализа «соотношение Свердрупа», отбросив в (7.21) малые слагаемые:
, (7.22)
,
, (7.23)
.
Соотношение Свердрупа
позволяет сделать важные оценки. Если океан имеет восточную меридиональную
границу при ,
, тогда
полагаем
то есть
. (7.24)
Уравнение (7.23) принимает вид
или
, (7.25)
то есть течение направлено на юг.
Если существует такая широта,
что , то
и
течение эту широту не пересекает.
Проинтегрируем соотношение Свердрупа от
восточной границы на запад:
Здесь мы ввели обозначения . Кроме того, поскольку граница
является линией тока можно положить
. Интегральная функция тока имеет
физический смысл расхода воды между восточной границей и точкой
в средней части океана. Этот факт является
замечательным следствием соотношения Свердрупа, поскольку для того, чтобы рассчитать
количество воды, которое проходит между восточным и западным меридианами в
океане достаточно знать распределение ветра над океаном. Этот прием на первых
этапах развития теории динамики океана часто использовался для расчета
интегральных переносов водных масс в океанах.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.