Адаптация, устойчивость, фронтогенез в геофизической гидродинамике (1098011)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙРЕВОЛЮЦИИ, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиКАЛАШНИК Максим ВалентиновичАДАПТАЦИЯ, УСТОЙЧИВОСТЬ, ФРОНТОГЕНЕЗВ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ГИДРОДИНАМИКЕСпециальность 25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наук⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯Москва – 20082Работа выполнена в Государственном учреждении "Научно-производственноеобъединение "Тайфун", г. ОбнинскОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наук, профессорЗырянов Валерий Николаевич, Институт водных проблем РАНДоктор физико-математических наук, профессорПоказеев Константин Васильевич, физический факультет МГУим.
М.В. ЛомоносоваДоктор физико-математических наукРезник Григорий Михайлович, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАНВедущая организация:Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАНЗащита состоится _______________________________________ на заседанииДиссертационного совета Д 501.001.63 при МГУ им. М.В. Ломоносова поадресу: 119992, Москва, Ленинские горы, физический факультет,аудиторияС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУАвтореферат разослан _______________________________________________Ученый секретарьДиссертационного совета Д 501.001.63кандидат физ.-мат.
наукВ.Б. Смирнов3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ геофизической гидродинамике – гидродинамике природных сред – рассматриваются движения вращающейся жидкости, стратифицированной в поле силы тяжести. Уравнения гидродинамики для этих движений имеют класс точных стационарных решений,описывающих так называемые сбалансированные состояния – состояния геострофического, циклострофического, гидростатического балансов. Как показывают наблюдения, стационарные движения атмосферы и океана близки к сбалансированным. Так, геострофический баланс – баланс между градиентом давления и силой Кориолиса – характерен длякрупномасштабных зональных атмосферных течений в средних широтах (на картах погодыветер направлен по изобарам).
Баланс между градиентом давления и центробежной силой –циклострофический баланс – наблюдается в интенсивных атмосферных вихрях (тропические циклоны, торнадо), а также в закрученных газовых потоках, создаваемых в разнообразных технических устройствах. Вертикальное распределение термодинамических параметров в атмосфере и океане с большой точностью описывается уравнением гидростатики(гидростатического баланса).К числу актуальных и приоритетных задач геофизической гидродинамики относятсятеоретические исследования:- процессов установления сбалансированных состояний (процессов адаптации);- гидродинамической устойчивости этих состояний;- процессов формирования разрывов в сбалансированных состояниях (процессовфронтогенеза).Исследования в этих направлениях представляют большую научную и практическую ценность. Они создают основу для прогнозирования и понимания природы формирования широкого круга явлений, таких как атмосферные и океанические фронты, циклоны,антициклоны, синоптические вихри в океане.К настоящему времени уже разработаны некоторые основополагающие, базовыетеории указанных процессов.
Здесь нужно отметить классическую линейную теорию геострофической адаптации (Rossby (1937), Обухов (1949), Bannon (2001)), квазигеострофическую теорию гидродинамической неустойчивости крупномасштабных сдвиговых течений(Pedlosky (1970), Дикий (1976), Дымников, Филатов (1990)), теорию деформационногофронтогенеза (Hoskins, Bretherton (1972), Шакина (1985), Blumen (1995)).Вместе с тем, многие теоретические вопросы еще далеки от окончательного решения. Сюда относится разработка нелинейной теории процессов приспособления в атмосфе-4ре и океане, теории адаптации в стратифицированных двухкомпонентных средах (соленаяморская вода, влажный воздух), теории гидродинамической устойчивости, основанной наанализе полных (нефильтрованных) уравнений, применение достаточно новых и нетрадиционных подходов в теории устойчивости (вариационный метод, немодальный подход).Крайне недостаточно изучены также физические механизмы формирования атмосферных иокеанических фронтов, что в значительной степени связано со спецификой возникающихздесь математических задач.
Движения вращающейся стратифицированной жидкости неописываются уравнениями гиперболического типа, для которых хорошо развита теория образования разрывов. Физика природных фронтов также принципиально отличается от физики образования ударных волн в газовой динамике.Из вышеизложенного следует актуальность тематики диссертационной работы.Цель и задачи исследованияОсновная цель диссертационной работы состоит в теоретическом исследованиипроцессов адаптации, гидродинамической неустойчивости, фронтогенеза в атмосфере иокеане, а также моделировании этих процессов в лабораторных условиях.Для достижения основной цели в диссертации решены задачи в следующих направлениях:1. Теоретическое исследование процессов нелинейного геострофического (циклострофического, гидростатического) приспособления в стратифицированных вращающихсясредах.2. Теоретическое исследование новых и малоизученных типов гидродинамическойнеустойчивости вращающихся сдвиговых течений.3.
Развитие новых представлений о формировании фронтальных поверхностей (поверхностей разрыва) в стратифицированной вращающейся жидкости.4. Теоретическое и экспериментальное исследование волновых и вихревых движений жидкости во вращающихся параболических сосудах.Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту:1. В рамках линейной теории геострофической адаптации исследован вопрос о перераспределении полной начальной энергии между энергиями геострофического и волновогокомпонентов. Показано, что в задаче с нулевым начальным полем скорости в кинетическуюэнергию геострофического компонента переходит менее половины реализованной потенциальной энергии, а остальная (бо́льшая) часть идет на генерацию волновых движений.Аналогичная оценка, получена и в нелинейном случае.52.
Для осесимметричных и плоских движений несжимаемой вращающейся жидкостиразвита нелинейная теория геострофического (циклострофического) приспособления. Сиспользованием лагранжевых законов сохранения массы и углового (геострофического)моментов, сформулированы замкнутые системы уравнений для определения финальныхсостояний баланса по начальным данным и построен ряд их точных решений.3. Предложено рациональное объяснение вихревого эффекта Ранка – формированияаномально низких (отрицательных) температур на оси быстро вращающегося газового потока в вихревой трубе. Показано, что подобные температуры устанавливаются в процессеприспособления осесимметричных движений идеального газа к состояниям циклострофического баланса (баланса между градиентом давления и центробежной силой).4.
Разработана гидродинамическая теория несбалансированного фронтогенеза, связывающая образование атмосферных и океанических фронтов с процессом нелинейногогеострофического приспособления в непрерывно стратифицированной среде. Показано, чтоиз гладких начальных полей в процессе приспособления могут формироваться разрывныегеострофические состояния.
Установлены критерии образования фронтов, описаны характерные геометрические конфигурации поверхностей разрыва.5. В рамках теории деформационного фронтогенеза построен класс точных аналитических решений, описывающих процесс формирования холодного фронта в деформационном поле типа седла.6. Изучен новый механизм формирования температурных неоднородностей в стратифицированных двухкомпонентных средах, связанный с процессами гидростатического игеострофического и приспособления.
Показано, что на финальной стадии процесса гидростатического приспособления в соленой морской воде формируется долгоживущий термохалинный "след" с вертикальными разрывными распределениями, характерными для тонкой структуры океана.7. В рамках полной (нефильтрованной) системы уравнений гидродинамики исследована линейная устойчивость некоторых важных классов вращающихся сдвиговых течений(тангенциальные разрывы, свободные слои сдвига).
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
