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大洋环流与水团

时间:2022-09-25 22:58:03浏览次数:40  
标签:湍流 海流 水团 物体 科氏力 环流 海水 运动 大洋

 这里面广阔、长期都是模糊的说法,具体多广多长跟你关注的问题有关系。

 

 

 风生流即风吹的流,密度梯度则会导致压力不均匀形成压力差。

 

 表层流比较剧烈,越往下相对来说流速要更弱。

我们所说的大洋环流基本上是表层的流,深层的东西我们知之甚少(观测困难)。

 

 

 注意以上分类是不同角度的分类。

 

 追踪法:跟着某一个海流走,用的少。

定点发:谁来测谁,用的多。因为一般仪器是固定的,也有随着海流走的仪器,容易丢失。

 

 注意海流方向与风向定义相反。

 

 密度与温度、盐度、压力直接联系(由三者算得),盐度在大洋种变化极小,而海水我们通常又假设它是不可压缩的(如此假设可以极大简化问题),所以我们通常认为温度的变化引起密度变化,进而决定海流。

与我们之前讨论过的大气高压低压区域一样,如果只关注温度分布,海水应该自然的逐渐趋于温度相同,但高压低压、高温低温区域都是稳定存在的,就是因为气体/海水是流动的,维持了这些区域的稳定存在。

 在此,老师再次强调不要形成思维定式,不要先入为主,过于执着。很多例子都是某人已经发现一个东西,但由于和信念中的东西不同,所以它认为是数据、仪器或者方法出错了,实际这正是他寻找的东西,直到被别人提出来以后才能恍然大悟。

 

海流的形成:

 

 

 

 压强梯度力由不同海域的密度梯度造成,但是此处有个矛盾点,之前说密度受压力影响,并假设了海水是不可压缩的。这里又说因为密度梯度形成了压力梯度造成海水受力形成海流。

除了图中说到的三种力以外,海水还受引潮力,但因为和大洋环流关系不大,一般在环流这里不予考虑。

 

 质量守恒:固体运动中,整个物体质量同时运动一般不太考虑。但是液体需要注意质量守恒。当一处海水流走了以后,一定要有其他地方的海水流进来,一处动处处都得动,是一个连续的过程,所以称为连续方程。

边界条件:海岸或者研究区域的边界的条件;初始条件:一开始的时候海洋的状况,这个里面包含大量的假定,因为我们是无法精确描述的。如何给出好的边界和初始条件是一件很难的事,他们极大的影响模拟结果。

 

 取单位质量的海水,所以F=ma方程式中,m就省略不研究了,另外一项就是a。

 

 

 地心引力不变,而惯性离心力随纬度变化,赤道地区离心力最大。

 

 

 

 方程的左边和右边就是位势和几何高度,g取9.8时就相等了。

 

 

 上面a图的意思是压强梯度力和重力保持平衡的状态,b图由于某种原因等压面倾斜(老师没有做更多解释),即当等势面和等压面不是平行的时候,在水平方向上产生一个分力。

 

 

 等压面没有倾斜,就是和等势面(等势面一定水平,与运动无关)平行。

 

 

 运动的海洋中,斜压场时常态,但是有的时候可以近似为正压场(正压场是理想状态)。

 

 水平压强梯度力非常小(科氏力也很小),所以一般大尺度长时间的作用下才能显现出来(一个力就是一个加速度,时间足够大,速度就大)。

 

 

科氏力是一个假想力:牛顿定律在惯性参照系下才成立,但地球并不是一个惯性系(尤其是研究大尺度运动,地球旋转的效应并不能忽略的时候),而我们并没有非惯性参照系的研究手段,所以只能认为的引入一个科氏力(因为我们严格的定义力的时候是成对出现的,大小相等作用相反,但认为引入的假想的科氏力不是)。

关于惯性系,能查到的大多数定义方法不好理解,在这里简化理解为:以静止或者匀速直线运动的物体(该物体不受外力的运动状态,我们将这种状态划归为物体的本性,称之为惯性)作为参考系,在该参考系下牛顿定律成立。当然,静止或匀速直线运动是一种理想状态,由于自然的极端复杂性,我们必须假设一个理想状态出来。此外,参照系这个词脱离生活后往往不好理解,当我们把思维空间放大到整个地球、太阳系乃至宇宙的时候,就更容易意识到并没有一个参照,或者说并没有一个中心存在,也更容易意识到宇宙的混沌,任何一个物体都在因为各种各样的原因运动,无法精确预测,也不存在理想状态。

 

 

 

 

 

 

 地球自西向东转,高处的线速度要大于地面,所以自由落下的物体水平速度比地面要大。此外,我们也可以推出,这个效应纬度越低越强。

 

 

 注意这是矢量相乘。

科氏力做工吗?:科氏力和运动物体的夹角永远是90°,所以永远不做功。它只改变运动物体(例如海水)的运动方向,没有加速减速作用。

 

 

  垂向上因为重力非常大,所以fz一般不予考虑。

 

 f 中的sin函数在模式中处理起来非常麻烦,可以用泰勒级数展开,我们在实际当中遇到的问题总是有限的,所以其函数也总是收敛的,取展开的前几项就足够逼近原函数

 

 

 

 

 

 

 

 

 例如风再大,在贴近地面的地方风速也是0,风速在垂向上呈对数分布。

 

 

 

 对于符合该定律的称为牛顿流体,不符合的称为非牛顿流体。

 

 

 风吹海面,但是下面的海水也在运动,除了粘性以外,还有湍流。U是水平运动速度,L是水平运动尺度,v是粘性系数。U一般也不会太大,而L可以非常大,而粘性系数又非常小,这就会造成湍流雷诺数非常大。所以本来我们考虑大尺度问题时和湍流没有什么关系,但是恰恰是因为尺度大造成雷诺数很大,造成湍流非常强,所以这个对应尺度的模式中必须考虑湍流,而湍流的规律就是没有规律,只能想办法近似。湍流问题是方程少未知数多,自由度太大没法解,只能认为的造方程,而不同的人选取的方法不同造的方程也不同,就会引入很多误差。如果错的离谱,也许短时间内没有什么大的影响,但模式运行时间一长,这种错误越积累越大,模式就发散了。

实际上,只要是海洋的问题,雷诺数都会很大。

 

 

 

 

 

标签:湍流,海流,水团,物体,科氏力,环流,海水,运动,大洋
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