Разделы презентаций


Геострофическое равновесие презентация, доклад

Содержание

Полная система уравнений, которая, является достаточной для компьютерного моделирования атмосферы всех движений воздуха

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1Геострофическое равновесие– основное динамическое равновесие атмосферы
Старое и новое

Геострофическое равновесие– основное динамическое равновесие атмосферы Старое и новое

Слайд 2Полная система уравнений, которая, является достаточной для компьютерного моделирования атмосферы

всех движений воздуха




Полная система уравнений, которая, является достаточной для компьютерного моделирования атмосферы всех движений воздуха

Слайд 3Lecture 01 - Introduction

Oke (1987)

Lecture 01 - IntroductionOke (1987)

Слайд 4Характерные масштабы атмосферных движений
Трудности моделирования атмосферных процессов – следствие
многомасштабности движений

Характерные масштабы атмосферных движенийТрудности моделирования атмосферных процессов – следствиемногомасштабности движений

Слайд 5Уравнения преобразуются в дискретную форму, когда переменные определяются через их

значения в узлах сетки
Вычисления ведутся шагами по времени по сезонам

или векам
в зависимости от целей исследователя
Уравнения преобразуются в дискретную форму, когда переменные определяются через их значения в узлах сеткиВычисления ведутся шагами по

Слайд 6Для получения численной модели нужных движений применяется метод подобия
Геометрическое подобие
Динамическое

подобие
Кинематическое подобие
Требования к моделированию

Для получения численной модели нужных движений применяется метод подобияГеометрическое подобиеДинамическое подобиеКинематическое подобиеТребования к моделированию

Слайд 7
Геометрическое подобие представляет собой пропорциональность сходственных размеров и равенство соответствующих

углов.
Под геометрическим подобием понимают подобие тех поверхностей, которые ограничивают

потоки
Геометрическое подобие представляет собой пропорциональность сходственных размеров и равенство соответствующих углов. Под геометрическим подобием понимают подобие тех

Слайд 8Невозможность геометрического подобия в геофизике
В 2007 году рабочие Дорогобужского химического

завода решили сделать из старого ГАЗГОЛЬДЕРА глобус. Получился самый большой

глобус в Европе (больше только в Нью-Йорке). Дорогобужский глобус достигает в высоту 12 метров, диаметра — 10,5 метра, вес 12 тонн, располагается на шести столбах в метре над землей. Шар расписывали профессиональные смоленские художники под началом руководителя проекта, известного дизайнера Михаила Шведова, который и задумал сделать его географической картой мира. Слой атмосферы до 30 км (тропосфера и стратосфера) над этим глобусом представлял бы собой пленку толщиной 2,5 см.
Невозможность геометрического подобия в геофизикеВ 2007 году рабочие Дорогобужского химического завода решили сделать из старого ГАЗГОЛЬДЕРА глобус.

Слайд 9Кинематическое подобие означает пропорциональность местных скоростей в сходственных точках и

равенство углов, характеризующих направление этих скоростей
Из кинематического подобия вытекает

геометрическое подобие линий тока. Очевидно, что для кинематического подобия требуется геометрическое подобие русел.
Кинематическое подобие означает пропорциональность местных скоростей в сходственных точках и равенство углов, характеризующих направление этих скоростей Из

Слайд 10Динамическое подобие – это пропорциональность сил, действующих на сходственные объемы

в кинематически подобных потоках и равенство углов, характеризующих направление этих

сил.
В потоках жидкостей обычно действуют разные силы: силы давления, вязкости (трения), тяжести и др.
Соблюдение их пропорциональности означает полное гидродинамическое подобие.
Осуществление на практике полного гидродинамического подобия оказывается весьма затруднительным, поэтому обычно имеют дело с частичным (неполным) подобием, при котором соблюдается пропорциональность лишь основных, главных сил.
Динамическое подобие – это пропорциональность сил, действующих на сходственные объемы в кинематически подобных потоках и равенство углов,

Слайд 11При теоретическом анализе выбирают постоянные масштабы моделируемых переменных.
При выборе масштаба

обычно принимают, что в модели значения масштабируемой величины не должны

существенно отличаться от единицы.


Например, если в реальных условиях составляющая скорости u может меняться от нуля (штиль) до 40 м/с (ураганный ветер), то выбрав в качестве масштаба значение U=10 м/с, можно ожидать,
что аналогичная составляющая в модели um , будет безразмерной и меняющейся от нуля до 4, так как в условиях кинематического подобия должны выполняться равенства.


При теоретическом анализе выбирают постоянные масштабы моделируемых переменных.При выборе масштаба обычно принимают, что в модели значения масштабируемой

Слайд 12Для выявления динамического подобия используют КРИТЕРИИ ПОДОБИЯ
Критерий подобия– это отношение

двух множителей порядка в определяющем уравнении
Критерий подобия  — безразмерная величина,

составленная из размерных физических параметров, определяющих рассматриваемое физическое явление
Равенство всех однотипных критериев подобия для двух физических явлений и систем — необходимое и достаточное условие физического подобия этих систем
Для выявления динамического подобия используют КРИТЕРИИ ПОДОБИЯКритерий подобия– это отношение двух множителей порядка в определяющем уравненииКритерий подобия

Слайд 15Характерные масштабы параметров
движений синоптического масштаба.

Характерные масштабы параметров движений синоптического масштаба.

Слайд 16Пример введения безразмерных переменных в определяющие уравнения

Если разделить все члены

уравнения на один из множителей порядка, то можно получить безразмерное

уравнение с коэффициентами, которые называют критериями подобия
Пример введения безразмерных переменных в определяющие уравненияЕсли разделить все члены уравнения на один из множителей порядка, то

Слайд 17Анализ масштабов вертикального движения атмосферы


движения атмосферы происходят квазистатически

Анализ масштабов вертикального движения атмосферы движения атмосферы происходят квазистатически

Слайд 18Оценка порядков слагаемых в уравнении меридионального ускорения путем сравнения с

ускорением Кориолиса.


Параметр Кориолиса
Для оценки поверхностных сил принята гипотеза Ньютона

Оценка порядков слагаемых в уравнении меридионального ускорения путем сравнения с ускорением Кориолиса.Параметр КориолисаДля оценки поверхностных сил принята

Слайд 19 Число Россби-Кибеля Ro=U/(lL)
Это безразмерный комплекс, который позволяет оценить, какой

из факторов компенсируют воздействие силы барического градиента
относительное ускорение частицы воздуха

или ускорение Кориолиса


Число Россби-Кибеля Ro=U/(lL)Это безразмерный комплекс, который позволяет оценить, какой из факторов компенсируют воздействие силы барического градиентаотносительное

Слайд 20Роль числа Ro
При одинаковой величине барического градиента балансирующие его ускорения

могут быть различными для движений с разным горизонтальным масштабом L.

При L ≈ 1000 км и Ro< 1 выполняется баланс, который называется геострофическим равновесием.
Но если рассматриваются процессы, у которых L ≈ 100 км, то Ro≈1 и баланс градиентным равновесием.
Для процессов еще меньшего масштаба L ≈ 10 км и менее уже Ro>1 и главным становиться баланс между барическим градиентом и относительным ускорением.
(В зарубежной литературе этот случай иногда называют циклострофическим равновесием).
Роль числа RoПри одинаковой величине барического градиента балансирующие его ускорения могут быть различными для движений с разным

Слайд 21Основное равновесие атмосферы при синоптическом анализе
Влияние молекулярной вязкости на эти

потоки несущественно.
Главными динамическими факторами являются сила барического градиента и сила

Кориолиса.
С относительной ошибкой около 10% можно использовать уравнения горизонтального движения синоптического масштаба в виде


Основное равновесие атмосферы при синоптическом анализеВлияние молекулярной вязкости на эти потоки несущественно.Главными динамическими факторами являются сила барического

Слайд 22Основные выводы:

Основные выводы:

Слайд 23Геострофическая модель -- основная концепцуальная модель прогноза погоды

Геострофическая модель -- основная концепцуальная модель прогноза погоды

Слайд 24Геострофическое равновесие
И его основные свойства

Геострофическое равновесиеИ его основные свойства

Слайд 25Разложение силы Кориолиса на горизонтальную и вертикальную составляющие

Разложение силы Кориолиса на горизонтальную и вертикальную составляющие

Слайд 26Геострофическое равновесие
Это принятая векторная запись геострофического равновесия.
Индексы ()s, указатели плоских

векторов, обычно опускают!

Геострофическое равновесиеЭто принятая векторная запись геострофического равновесия.Индексы ()s, указатели плоских векторов, обычно опускают!

Слайд 27Вспомним вектора:

Вспомним вектора:

Слайд 28Решение векторного уравнения геострофического равновесия


Для справки:

Решение векторного уравнения  геострофического равновесияДля справки:

Слайд 29Задача: НАПРАВЛЕНИЕ геострофического ветра
Используя правило правой руки, убедиться, что геострофический

ветер направлен в северном полушарии влево от градиента давления, а

значит по отношению к изобарам в соответствие с законом Бейс-Балло
Задача: НАПРАВЛЕНИЕ геострофического ветраИспользуя правило правой руки, убедиться, что геострофический ветер направлен в северном полушарии влево от

Слайд 30Как векторное произведение, вектор направлен влево от вектора градиента давления

и перпендикулярен ему

Следует помнить, что геострофический ветер не может

«дуть» – это приближенная оценка, а не реальный природный феномен.

Правило Бейс-Балло

Как векторное произведение,  вектор направлен влево от вектора  градиента давления и перпендикулярен ему Следует помнить,

Слайд 31Задача: а что меняется в южном полушарии?
Ответ: единичный вектор вертикали

–к там будет иметь направление противоположное вектору угловой скорости вращения

земли
Поэтому разложение угловой скорости будет иметь вид
Задача: а что меняется в южном полушарии?Ответ: единичный вектор вертикали –к там будет иметь направление противоположное вектору

Слайд 32Задача: НАПРАВЛЕНИЕ геострофического ветра
Используя правило правой руки, убедиться, что геострофический

ветер направлен в южном полушарии вправо от градиента давления
Модифицировать правило

Бейс-Балло в этом случае
Задача: НАПРАВЛЕНИЕ геострофического ветраИспользуя правило правой руки, убедиться, что геострофический ветер направлен в южном полушарии вправо от

Слайд 33Зачем он нужен ?

В свободной атмосфере (выше 1 км) ветер

по скорости и направлению очень близок к геострофическому

Зачем он нужен ?В свободной атмосфере (выше 1 км) ветер по скорости и направлению очень близок к

Слайд 34Способ оценки.

Рабочая формула для вычисления модуля скорости геострофического ветра
Пример оценки

величины скорости геострофического ветра:

Способ оценки.Рабочая формула для вычисления модуля скорости геострофического ветраПример оценки величины скорости геострофического ветра:

Слайд 35Геострофический ветер не может быть определен на экваторе!
Расположение осей стандартной

системы координат на экваторе
Вектор угловой скорости вращения Земли в

этой стандартной системе координат имеет вид .

Вектор силы Кориолиса имеет компоненты



Геострофический ветер не может быть определен на экваторе!Расположение осей стандартной системы координат на экваторе Вектор угловой скорости

Слайд 36Уравнения геострофического баланса у экватора имеют вид

Отсюда следует, что
аналогом

геострофического потока у экватора будет движение в вертикальном направлении,
при

условии образования вдоль экватора экстремума барического поля.
Рассчитать горизонтальные скорости по этим равенствам невозможно.
Поэтому говорят, что геострофический ветер у экватора не определим.
Уравнения геострофического баланса у экватора имеют видОтсюда следует, что аналогом геострофического потока у экватора будет движение в

Слайд 37Геострофического ветра в изобарической системе координат
Переход к изобарической системе

координат
Высота изобарической поверхности p=const – теперь стала функцией : z(t,x,y,p)

Геострофического ветра  в изобарической системе координат Переход к изобарической системе координатВысота изобарической поверхности p=const – теперь

Слайд 38Изменение геострофического ветра с высотой между изобарическими поверхностями

– этот вектор

называется « термический ветер»

Изменение геострофического ветра с высотой  между изобарическими поверхностями– этот вектор называется « термический ветер»

Слайд 39Термический ветер в лаборатории
Мы заполняем цилиндрический резервуар водой (глубина 15

см), и вращаем его очень медленно - не более чем

в 0,8 об / мин (или даже меньше) в против часовой стрелки.
В центре мы размещаем оловянный цилиндр 15 см в диаметре со льдом. Оставляем на 20 минут для установления. Затем кидаем
нескольких кристаллов марганцовки. Они падают вертикально на дно. Полосы не остаются вертикальными: они наклоняются в азимутальном направлении все сильнее с увеличением высотой от дна. Мы посыпаем кусочки черной бумаги на поверхность и они движутся в том же направлении, но быстрее, чем, вращается стол (суперротация).
Термический ветер в лабораторииМы заполняем цилиндрический резервуар водой (глубина 15 см), и вращаем его очень медленно -

Слайд 40Запомнить!
Изменение вектора геострофического ветра с высотой выражается как в увеличение

скорости, так и в изменении направления.
Вектор термического ветра, перпендикулярен

термическому градиенту т.е. «дует» вдоль изотерм средней температуры слоя от p1 до p2
Квази Бейс-Балло: термический ветер «дует» вдоль изотерм так, чтобы (если встать к нему спиной), слева оказывалась область холода (в северном полушарии)
Запомнить!Изменение вектора геострофического ветра с высотой выражается как в увеличение скорости, так и в изменении направления. Вектор

Слайд 41Пример термического ветра 1: объяснение струйного течения
В широтной зоне от

30 до 40 N зональный градиент температуры в тропосфере достигает

200С/1000 км. Задать недостающие параметры и оценить скорость ветра на высоте 8 км. (U(0)=0)
Пример термического ветра 1:  объяснение струйного теченияВ широтной зоне от 30 до 40 N зональный градиент

Слайд 42Смотри рисунок!

Смотри рисунок!

Слайд 43Пример термического ветра 2: Наклон фронтальных зон в атмосфере

Пример термического ветра 2: Наклон фронтальных зон в атмосфере

Слайд 44Оценка угла наклона фронта и изобарической поверхности
Для фронта
U3-U1=10[м/с], Т3=273К, Т1=283К,

Тср=278К
Тогда tgα= lTср/g = 0.0036 (=0.20) при ϕ=450
Для изобаричесой поверхности:
dp=pxdx+pzdz=0

откуда
tgβ=dz/dx=-px/pz=(ρlV/ρg)=0.00013=(0.00740)
Хотя оба угла очень малы, но
tgα / tgβ = 28
Т.е. если изобару изображать под углом 10 к горизонтали, то фронт следует изобразить под углом 300 к горизонтали
Оценка угла наклона фронта и изобарической поверхностиДля фронтаU3-U1=10[м/с], Т3=273К, Т1=283К, Тср=278КТогда tgα= lTср/g = 0.0036 (=0.20) при

Слайд 45Баротропность
Если температура горизонтально однородна, то горизонтальный барический градиент зависит только

от изменений плотности. Это легко доказать с помощью уравнения состояния


В

этом случае (реки) изобарические поверхности должны быть параллельны изостерическим (поверхностям постоянной плотности).
Такое состояние является баротропным.
В этом случае термический ветер ОТСУТСТВУЕТ!


БаротропностьЕсли температура горизонтально однородна, то горизонтальный барический градиент зависит только от изменений плотности. Это легко доказать с

Слайд 46Математическое выражение баротропности плоскопараллельного потока
Если якобиан давления и плотности

равен нулю, то поток баротропен

Математическое выражение баротропности плоскопараллельного потока Если якобиан давления и плотности равен нулю, то поток баротропен

Слайд 47Бароклинность
Если температура горизонтально НЕОДНОРОДНА, то горизонтальный барический градиент зависит от

изменений плотности и температуры. Это легко доказать с помощью уравнения

состояния


В этом случае (атмосфера, океан) изобары поверхности не должны совпадать с изотермами по направлению( на одной и той же изобарической поверхности).
Такое состояние является бароклинным.
При нем термический ветер обязательно существует
Это значит, что изменение вектора ветра с высотой является признаком бароклинности атмосферы.


БароклинностьЕсли температура горизонтально НЕОДНОРОДНА, то горизонтальный барический градиент зависит от изменений плотности и температуры. Это легко доказать

Слайд 48Математическое выражение бароклинности плоскопараллельного потока
В атмосфере якобиан давления и

плотности пропорционален якобиану давления и температуры. Если изобары и изотермы

не параллельны, он не равер нулю, т.е. атмосфера бароклинна!
Математическое выражение бароклинности плоскопараллельного потока В атмосфере якобиан давления и плотности пропорционален якобиану давления и температуры. Если

Слайд 50В бароклинной атмосфере образуются изобаро-изостерические соленоиды

В бароклинной атмосфере образуются изобаро-изостерические соленоиды

Слайд 51Адвекции температуры
Величина АT называется в метеорологии адвективным изменением температуры или

адвекцией температуры
Если АT >0, то воздух в выбранном пункте

нагревается. В этом случае говорят об адвекции тепла.
Если АT < 0, то воздух в выбранном пункте охлаждается. В этом случае говорят об адвекции холода.


Адвекции температурыВеличина АT называется в метеорологии адвективным изменением температуры или адвекцией температуры Если АT >0, то воздух

Слайд 52Геострофическая адвекция температуры выражается через поворот ветра с высотой

Геострофическая адвекция температуры выражается через поворот ветра с высотой

Слайд 53Геострофическая адвекция температуры
При повороте геострофического ветра с высотой по

часовой стрелке (положение А) происходит перенос более теплого воздуха в

сторону более холодного (адвекция тепла),
а при повороте геострофического ветра с высотой против часовой стрелке (положение Б) происходит перенос более холодного воздуха в сторону более теплого (адвекция холода).
Геострофическая адвекция температуры При повороте геострофического ветра с высотой по часовой стрелке (положение А) происходит перенос более

Слайд 54Геострофическая адвекция температуры (а значит и термический ветер!) выражает бароклинность

атмосферы
Чем сильнее ветер меняет направление с высотой, тем сильнее бароклинность

атмосферы
Геострофическая адвекция температуры (а значит и термический ветер!) выражает бароклинность атмосферыЧем сильнее ветер меняет направление с высотой,

Слайд 55Геострофическая адвекция и и спиральность геострофического потока (забежим вперед)
Спиральность ветра

пропорциональна геострофической адвекции температуры

Геострофическая адвекция и и спиральность геострофического потока (забежим вперед)Спиральность ветра пропорциональна геострофической адвекции температуры

Слайд 56Память о войне:
Возрастание α с высотой есть поворот ветра против

часовой стрелки (влево), т.е. свидетельство адвекции холода.
Убывание α с высотой

есть поворот ветра по часовой стрелки (вправо), т.е. свидетельство адвекции тепла.


Память о войне:Возрастание α с высотой есть поворот ветра против часовой стрелки (влево), т.е. свидетельство адвекции холода.Убывание

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать доклад-презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое TheSlide.ru?

Это сайт презентации, докладов, проектов в PowerPoint. Здесь удобно  хранить и делиться своими презентациями с другими пользователями.


Для правообладателей

Яндекс.Метрика