
(4.5)


Вводим криволинейную систему координат

Начало координат соответствует точке
, ось
направлена
на восток, ось
- на север, ось
- вверх.

Рис. 4.1.
Тогда уравнение неразрывности перепишется в виде:
. (4.6)
Введем безразмерные переменные
.
Здесь
характерные
масштабы горизонтальной длины и скорости, а
и
- соответственно, вертикального масштаба и
вертикальной скорости.
Будем далее считать, что все
величины
и так далее имеют порядок единицы.
Модифицируем систему на примере уравнения неразрывности. Подставляя введенные
безразмерные величины в уравнение и опуская штрихи, получаем
(4.7)
Пусть
и
величина
мала по сравнению с единицей. Это
выполняется, поскольку
, ![]()
, ![]()
. Следовательно, можно
разложить
и
в ряды
Тейлора в окрестности
.


Далее, выбирая
и
отбрасывая члены порядка
в (4.7), получим


Полагаем, что

(4.8)

·
Первое условие (4.8)
означает, что рассматривается тонкий слой жидкости в пренебрежении радиальным
искажением
.
·
Второе условие (4.8)
означает, что горизонтальный масштаб движения меньше радиуса Земли
.
· Третье условие (4.8) означает, что приближение не работает в высоких широтах.
Тогда в результате для уравнения неразрывности получим соотношение
. (4.9)
Рассмотрим параметр Кориолиса. Заметим, что

Тогда, проводя рассуждения и оценки
аналогичные предыдущим для первой компоненты
, получим
выражение

В размерном виде

где
-
параметр Кориолиса
,
, а
. Остальные компоненты оцениваются
аналогично.
С учетом сделанных предположений (4.8) можно показать, что нелинейные члены адвективной части ускорения в уравнениях движения сводятся к простому виду, совпадающему с формой в декартовой системе координат:
.
Следует отметить, что в вертикальной
составляющей адвективного ускорения отброшен член
. Это
сделано из энергетических соображений после отбрасывания членов
,
в
адвективных членах для горизонтальных составляющих движения, компенсирующих это
слагаемое при выписывании соотношений для кинетической энергии системы.
Градиент давления также примет простой вид
.
Окончательно, полная система уравнений при выполнении условий (4.8) примет вид
(4.10)
Таким образом, несмотря на введение
криволинейной системы координат, получили систему уравнений, близкую к системе
в декартовой системе координат. Система уравнений, содержащая параметр
Кориолиса с членом
, называется приближением
-плоскости и переводит уравнения,
записанные на вращающейся сфере, в уравнения, записанные на вращающемся конусе,
касающемся сферы на широте
.
Если масштабы рассматриваемых
движений сравнимы с вертикальными масштабами, то можно использовать приближение
-плоскости, когда
(вращающийся цилиндр). Итак, если
·
, необходимо
рассматривать сферическую систему координат;
·
, можно использовать приближение
-плоскости;
·
, можно использовать
приближение
-плоскости.
4.3. Приближение квазистатики.
Продолжаем рассмотрение движений с большими масштабами. Если к условиям (4.8) дополнительно принять, что
(4.11)
то слагаемыми
в
уравнениях движения можно пренебречь. Первое условие (4.11) исключает
экваториальные зоны океана, второе - выделяет крупномасштабные движения. Если
теперь оценить все члены с вертикальными ускорениями, то они в принятых
условиях будут существенно меньше, чем гидростатические члены. В этом случае
применимо «квазигидростатическое» приближение, когда третье уравнение движения
приобретает вид
. (4.12)
Остальные уравнения системы имеют вид
(4.13)
где
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.