Введение к работе
Актуальность исследования. Tips изучении крупномасштабных движений в океане и атмосфера принято несколько условное разделение на две составлявшие - крупномасштабную щркудяцгя ж водно— выв Боз:„«уц8кяя (волны Россби). Волновые вогнущеняя обычно полагаются налогэнЕши на эту циркуляции. Изучение механизмов взаимодействия волн Россби с крутгаомасштабШЕЯ течениями является одноа из вагзеійззс задач как физической океанологии, так в геофизической гидродинамики в целом. До последнего времени в?а проблема преямущеетвенно рассматривалась .тгшь в контексте анализа линейной устойчивости течений в рамках сально цдзалнзнро-ванных моделей.
Одним нз наиболее вакных и сильных механизмов взаимодействия волн Россби и крупномасштабных течении является трансформация волн в критическом слое, где фазоЕая скорость еолкы в продольном направлении течения сравнивается с локальный значением поля скорости крупномасштабного течения. ВаяюЗ особенностью волн Россби в океане и атмосфере является их малая скорость распространения (диапазон характерных фазовых скоростей волн Россби практически полностью перекрывается с диапазоном скоростей характерных для крупноивсатабянх течении). Это делает явление "критического слоя" повсеместным и, соответственно, этот механизм взаимодействия волн и течений.
В большинстве работ посвященных трансформации волн Россби в критическом слое, следуя первоначальной постановке задачи (предложенной з работе Dickinson 1970), делается ряд упрощающих предпологений, весьма ограничительных в контексте геофизических приложений: о зональности и одномерности крупномасштабного потока и его баротропности н о монохроматичности волны, падающей на критический слой. В этой связи возникает необходимость построения более реалистичных моделей трансформации волн Россби в критическом слое адекватных типичным геофизнчеекзм ситуациям.
Целью работы является построение качественно новой теории взаимодействия волн Россби и крупномасштабных течений в критическом слое адекватной реальным геофизическим ситуациям и учитывающей реальную баротропно-бароклинную структуру крупномасатабных течений и конечность ширины спектра волновых возмущений.
Для достижения стой доли необходимо решить следующие Основные вадата:
1) Построить теорию трЕНсфорішцнії монохроматической ЕОЛНЫ
Россба в окрестности зонального критического слоя с учетса вер
тикальной изменчивесга поля скорости крупномасштабного течения
и вняскжть, где собственно реализуются критические слог в двумерно неоднородных течениях я каков характер поведеная волн в окрестности критического слоя.
-
Построать теорію трансформации волн России в окрестности критического слоя на зональном течении с учетом конечности ширины спектра волновых возмущений и наличия в среде дисенпативных факторов.
-
Исследовать влияние незональности реальных гидрофизических полей в океана и. атмосфере на динамику волн Россбк в окрестности критического слоя и рассмотреть предельные переходы незонального критического слоя в зональный и меридиональный критические слои.
-
Описать влияние слабо-турбулентного поля волн Россби на крупномасштабное течение и исследовать возможные режимы временной эволюции зонального баротропного потока в океане и зонального бароклинного потока в стратосфере.
Научная новизна. Динамика волн Россби в окрестности критического слоя произвольной ориентации впервые исследована с учетом как поперечной, так и вертикальной изменчивости крупномасштабного невозмуиенногр потока. При этом получены следующие основные результаты:
I) Показано, что общепринятое линейное решение для зонального баротропного критического слоя волн Россби является структурно неустойчивым по отношении к наличию у крупномасштабного невозмущенного течения бароклинной составляющей поля скорости. Показано, что для потоков направленных на запад критический слой волн Россби реализуется на некотором горизонте ?0 соответствующем абсолютному минимуму скорости невозмущенного потока по вертикали и является идеальным поглотителем волн. При этом, процесс трансформации волн Россби в окрестности критического слоя сопровождается вертикальной локализацией волновых движений по вертикали в окрестности уровня ?0 .
2) Показано, что при приближении к критическому слою в
процессе конкуренции двух факторов: неоднородности среды - стре
мящейся сфокусировать пакет волн России и дисперсии - стремя
щейся "размазать" волновой палат, неоднородность среди оказнва-
ется доминирующей, при этом пакет волн Россбн не увелачішает
свои размеры с течением вреі-геші.
Получено ххринцнляальное различие в релзггах трансформация . волн Россбп в окрестности критического слоя в .случаях атмосферы и океана: для типичных значении параметров крулкомасЕтабЕНХ течений в схеане реализуется лзнено-вязки2.режим, в то время как в атмосфере всегда реализуются нелинейные резнмы эволюция.
-
Найдены коэффициенты прохождения и отражения волной Россби незопального критического слоя. Волна либо преходит критический слой без искажений, либо происходит частичное поглощение волны в критическом слое без отражения. Показана структурная неустойчивость решений для невязкого зонального критического слоя по отношении к слабому повороту основного потока. Меридиональный критический слой является структурно устойчивым.
-
Исследовано обратное воздействие слабо турбулентного поля волн Россби на динамику крупномасштабного потока. Впервые, с покощью последовательной асимптотической процедуры, получено явное аналитическое выражение для напряженна Рейнольдса, как функция спектральной плотности волнового поля и градиентов поля скорости яевозмущеныого потока. Показано, что в протЕвополог-нооть общепринятой модели ди^узяопкой параыэтрязацнн турбуленг-ная вязкость волн Рсссбз является отрицательной, нелинейной я анизотропной.
-
Выведены новые, существенно более точные, чем известные ранее оценки параметров линейной баротропно-барсклинной неустойчивости зональных потоков на П> - плоскости. Получена новая оценка "квази-парабола" на фазовую скорость с неустойчивых возмущений, которая существенно ограничивает область фазовой скорости'неустойчивые возмущений для широкого диапазона безразмерных значений jS (безразмерное ft является отношением градиента планетарной завихренности к градиенту относительной завихренности). Область неустойчивости уменьшается и стремится к нулю при стремлении безразмерного параметра G, к бесконечности.
Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы при построении моделей крупномасштабной океанской циркуляции, для интерпретации данных натурных наблюдений в океане. В частности, полученное в работе выражение для вихревой "еязкосги" является нелинейным и отрицательным и, как следствие, позволяет списывать качественно новые режимы динамики крупномасштабных потоков по сравнению с общепринятой моделью диффузионного замыкания. Это яе выражение могет быть использовано также в модели внезапных стратосферных потеплений при замыкании системы уравнений для крупномасштабных потоков. Полученные новые оценки параметров неустойчивых возмущений существенно уточняют известные ранее оценки и могут быть эффективно использованы при интерпретации натурных измерений и при численном счете баротропно-баро-клинной неустойчивости.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Ш и ІУ международной конференции по нелинейным и турбулентным процессам в физике (Киев, 1987, 1989), на конференции "Проблемы турбулентности в океанологии" (Таллин, 1988), на ІУ Всесоюзной научно-технической конференции "Вклад молодых ученых и специалистов в рваение современных проблем океанологии и гидробиологии" (Севастополь, 1989), а также на семинарах института физики атмосферы АН СССР, Института прикладной физики АН СССР, Института океанологии АН СССР.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в шести статьях в следующих журналах: Доклады АН СССР; Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана; Океанология; Journal of Fluid mechanics ( a также в четырех тезисах в трудах выше перечисленных конференций. Всего опубликовано 10 работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Приложения. Объем диссертации 130 страниц основного текста, 18 рисунков. Список литературы содержит 94 наименования.
