(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.