Сингулярные вихри бета-плоскости: краткий обзор и недавние результаты

Г. М. Резник1,✉, С. В. Кравцов1,2

1 Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Москва, Россия

2 Университет штата Висконсин, Милуоки, США

✉ e-mail: greznikmd@yahoo.com

Аннотация

Цель. Работа представляет собой краткий обзор теории сингулярных вихрей бета-плоскости.

Методы и результаты. Главное внимание уделяется описанию долговременной эволюции отдельного сингулярного вихря: приводятся основные уравнения и интегралы движения, дается описание численной схемы расчета такой эволюции и излагаются некоторые результаты численных экспериментов. Показано, что эволюция вихря проходит два этапа. На начальной (квазилинейной) стадии излучение вихрем волн Россби в ближнюю зону создает в окрестности вихря нестационарный вторичный диполь (бета-круговороты), который приводит вихрь в движение (циклон дрейфует на северо-запад, антициклон – на юго-запад). На следующей (нелинейной) стадии становится важным излучение волн Россби в дальнюю зону и самовоздействие регулярной компоненты движения. Сингулярный циклон (антициклон) постепенно дрейфует внутрь антициклонического (циклонического) бета-круговорота, образуя с ним компактную вихревую пару, продолжающую движение к северо-западу (юго-западу); циклонический (антициклонический) бета-круговорот постепенно ослабевает и теряет связь с сингулярным вихрем. При этом вихрь взаимодействует с излученными им ранее волнами Россби, что приводит к колебаниям скорости его движения. Продолжительность квазилинейной стадии резко увеличивается с ростом амплитуды сингулярного вихря, для вихрей небольшой амплитуды она быстро проходит и сменяется нелинейной стадией. Впервые нелинейная стадия эволюции монополя открыта и описана в наших работах по динамике сингулярных вихрей на бета-плоскости.

Выводы. Развитая нами теория сингулярных вихрей бета-плоскости существенно расширяет наши знания об эволюции и динамике геофизических локализованных вихрей, играющих важную роль в крупномасштабной циркуляции океана и атмосферы.

Ключевые слова

обзор теории сингулярных вихрей бета-плоскости, волны Россби

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (Соглашение № 05.616.21.0120, уникальный идентификатор RFMEFI61619X0120).

Для цитирования

Резник Г. М., Кравцов С. В. Сингулярные вихри бета-плоскости: краткий обзор и недавние результаты // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 6. С. 720–739. EDN BXYRTR. doi:10.22449/0233-7584-2020-6-720-739

Reznik, G.M. and Kravtsov, S.V., 2020. Singular Vortices on a Beta-Plane: A Brief Review and Recent Results. Physical Oceanography, 27(6), pp. 659-676. doi:10.22449/1573-160X-2020-6-659-676

DOI

10.22449/0233-7584-2020-6-720-739

Список литературы

  1. Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. Синоптические вихри в океане // Л. : Гидрометеоиздат, 1982. 264 с.
  2. Reznik G. M. Dynamics of singular vortices on a beta-plane // Journal of Fluid Mechanics. 1992. Vol. 240. P. 405–432. doi:10.1017/S0022112092000144
  3. Reznik G. M., Dewar W. K. An analytical theory of distributed axisymmetric barotropic vortices on the β-plane // Journal of Fluid Mechanics. 1994. Vol. 269. P. 301–321. https://doi.org/10.1017/S0022112094001576
  4. Sutyrin G. G., Flierl G. R. Intense Vortex Motion on the Beta Plane: Development of the Beta Gyres // Journal of the Atmospheric Sciences. 1994. Vol. 51, iss. 5. P. 773–790. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1994)0510773:IVMOTB2.0.CO;2
  5. Llevellyn Smith S. G. The motion of a non-isolated vortex on the beta-plane // Journal of Fluid Mechanics. 1997. Vol. 346. P. 149–179. https://doi.org/10.1017/S0022112097006290
  6. Dynamical properties of vortical structures on the beta-plane / G. G Sutyrin [et al] // Journal of Fluid Mechanics. 1994. Vol. 268. P. 103–131 doi:10.1017/S002211209400128X
  7. Lam J. S-L., Dritschel D. G. On the beta-drift of an initially circular vortex patch // Journal of Fluid Mechanics. 2001. Vol. 436. P. 107–129. https://doi.org/10.1017/S0022112001003974
  8. Korotaev G. K., Fedotov A. B. Dynamics of an isolated barotropic eddy on a beta-plane // Journal of Fluid Mechanics. 1994. Vol. 264. P. 277–301. https://doi.org/ 10.1017/S0022112094000662
  9. Early J. J., Samelson R. M., Chelton D. B. The Evolution and Propagation of Quasigeostrophic Ocean Eddies // Journal of Physical Oceanography. 2011. Vol. 41, iss. 8. P. 1535–1554. https://doi.org/10.1175/2011JPO4601.1
  10. Kravtsov S., Reznik G. Numerical solutions of the singular vortex problem // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31. 066602. https://doi.org/10.1063/ 1.5099896
  11. Firing E., Beardsley R. C. The Behavior of a Barotropic Eddy on a β-Plane // Journal of Physical Oceanography. 1976. Vol. 6, iss. 1. P. 57–65. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1976)0060057:TBOABE2.0.CO;2
  12. Carnevale G. F., Kloosterziel R. C., Van Heijst G. J. F. Propagation of barotropic vortices over topography in a rotating tank // Journal of Fluid Mechanics. 1991. Vol. 233. P. 119–139. https://doi.org/10.1017/S0022112091000411
  13. Saffman P. G. Vortex Dynamics // Journal of Fluid Mechanics. 1993. Vol. 256. P. 720–723. https://doi.org/10.1017/S0022112093212939
  14. Reznik G. M., Kizner Z. Two-layer quasigeostrophic singular vortices embedded in a regular flow. Part I: Invariants of motion and stability of vortex pairs // Journal of Fluid Mechanics. 2007. Vol. 584. P. 185–202. https://doi.org/10.1017/S0022112007006386
  15. Reznik G., Kizner Z. Two-layer quasigeostrophic singular vortices embedded in a regular flow. Part 2. Steady and unsteady drift of individual vortices on a beta-plane // Journal of Fluid Mechanics. 2007. Vol. 584. P. 203–223. doi:10.1017/S0022112007006404
  16. Кляцкин К. В., Резник Г. М. О точечных вихрях на вращающейся сфере // Океанология. 1989. Т. 29, № 1. С. 21–27.
  17. Резник Г. М., Кравцов С. В. Динамика баротропного сингулярного монополя на бета-плоскости // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1996. Т. 32, № 6. С. 762–769.
  18. Arakawa A. Computational Design for Long-Term Numerical Integrations of the Equations of Atmospheric Motion // Journal of Computational Physics. 1966. Vol. 1. P. 119–143. http://dx.doi.org/10.1016/0021-9991(66)90015-5
  19. McWilliams J. C. A note on a consistent quasigeostrophic model in a multiply connected domain // Dynamics of Atmospheres and Oceans. Vol. 1, iss. 5. P. 427–441. https://doi.org/10.1016/0377-0265(77)90002-1
  20. Резник Г. М. Динамика локализованных вихрей на бета-плоскости // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46, № 6. С. 846–860.

Скачать статью в PDF-формате

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.