Трансформация кинетической энергии в циклонах умеренных широт

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................4
1.КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕГИЯ......................................11
1.1. Преобразование энергии в циклонах умеренных широт 11
1.2. Турбулентное движение в атмосфере.................14
1.3. Уравнение баланса кинетической энергии среднего движения........................................................17
1.4. Уравнение трансформации кинетической энергии......20
2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СОСТАВЛЯЮЩИХ ТРАНСФОРМАЦИИ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ........................................29
2.1. Расчет вертикальных движений......................29
2.2. Расчет составляющих кинетической энергии..........31
2.3. Подготовка исходного материала. .................36
3. ТРАНСФОРМАЦИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО БАРИЧЕСКОГО ГРАДИЕНТА....................39
3.1. Трансформация кинетической энергии под действием горизонтального барического градиента.............................39
3.2. Приток вихревой потенциальной энергии вследствие горизонтального турбулентного обмена..............................68
3.3. Приток вихревой потенциальной энергии за счет вертикального турбулентного обмена...................................73
3.4. Превращение вихревой потенциальной энергии в кинетическую энергию циклонов умеренных широт.......................77
3.5.Трансформация кинетической энергии за счет осредненной потенциальной энергии...........................................81
3.6.Влияние внутренних и внешних факторов на процесс трансформации кинетической энергии под действием силы барического
градиента в циклонах умеренных широт.......................85
4. ТРАНСФОРМАЦИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СИЛЫ СРЕДНЕМАСШТАБНОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ТРЕНИЯ......................................................92
4.1. Трансформация кинетической энергии вследствие горизонтального турбулентного обмена............................92
4.2. Трансформация кинетической энергии за счет вертикального турбулентного обмена..............................117
4.3. Влияние мезомасштабной турбулентности на процесс трансформация кинетической энергии в циклонах умеренных широт. . . .122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................131
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................133
13
Относительно доступной потенциальной энергии можно отметить, что изменение ДПЭ в области фронтальной системы циклона обусловлено ее эволюцией. При обострении фронтальной системы, т.е. при увеличении ее бароклинности, доступная потенциальная энергия возрастает, обратный процесс имеет место при уменьшении бароклинности. В пределах всей области занятой циклоном наблюдается непрерывное уменьшение ДПЭ в связи с ростом площади циклона, при котором становится значительным вклад периферийных частей вихря, обладающих небольшими запасами данного вида энергии. В связи с выходом системы фронтов за пределы циклонического вихря запасы ДПЭ на стадии заполнения невелики.
Важная роль в процессе развития циклонов принадлежит трансформации различных видов энергии.
В пограничном слое атмосферы, вследствие наличия составляющей вектора скорости, направленной поперек изобар в сторону низкого давления, наблюдается генерация кинетической энергии за счет силы горизонтального барического градиента. В средней и верхней тропосфере наблюдается превращение К во внутреннюю [50].
Основным источником К в средней и верхней тропосфере служат нелинейные взаимодействия возмущений различных масштабов и возмущений со средним потоком. В пограничном слое атмосферы наблюдается диссипация кинетической энергии вследствие турбулентного трения.
Генерации кинетической энергии является результатом обмена между потенциальной и внутренней энергиями [146]. Увеличение запасов вихревой кинетической энергии происходит за счет кинетической энергии крупномасштабного потока. Наиболее активно этот процесс протекает в области струйного течения. Необходимо также отметить, что в период существования циклонических образований значительную роль в эволюции играют превращения энергии скрытой теплоты фазовых переходов во внутреннюю при образовании облаков и осадков [50, 53].
14
Циклоны не являются замкнутыми системами, и процессы энергообмена с окружающей атмосферой вносят значительный вклад в формирование баланса того или иного вида энергии. Так, например, количество осадков, выпадающее за все время существования циклонов, превышает запасы водяного пара в них, что свидетельствует о многократном обновлении воздушных масс в процессе эволюции циклонических вихрей. Внешние по отношению к циклонам источники энергии во многих случаях сравнимы с внутренними, а в некоторых случаях даже превышают последние.
Процессы притока (оттока) различных видов энергии определяются циркуляцией воздуха в циклонах (конвергенцией или дивергенцией воздушных течений, направлением вертикальных движений). Причем процессы притока и оттока по горизонтали и вертикали взаимосвязаны. В целом, в циклонах, вследствие конвергенции течений в нижнем слое атмосферы наблюдается горизонтальный приток энергии к циклоническому вихрю с одновременным компенсационным оттоком через верхнюю границу циклона.
В заключение можно отметить, что оценка преобразования доступной потенциальной энергии в кинетическую дает коэффициент полезного действия такого перехода по данным [50] в подвижных циклонах от 0.2% до 2.8%, а в малоподвижных от 0.2% до 1.1%. Таким образом, циклоны являются очень неэффективными термодинамическими системами.
1.2 Турбулентное движение в атмосфере
Движения в атмосфере носят, большей частью, турбулентный характер. Отличительной чертой атмосферной турбулентности является ее многомас-штабность. Спектр атмосферных движений включает в себя движения с линейными размерами примерно от 10"3 м (движения микровихрей) до 10т м (движения планетарного масштаба) [20, 70, 89, 131].