Критические уровни бризовой циркуляции в рамках линейной теории

М.В. Шокуров✉, Н. Ю. Краевская

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: shokurov.m@gmail.com

Аннотация

Цель. Цель настоящей работы – получить решение в линейной постановке задачи о влиянии критических уровней на инерционно-гравитационную волну с масштабом, характерным для бризовой циркуляции, при наличии перпендикулярного берегу среднего фонового синоптического ветра с вертикальным сдвигом скорости.

Методы и результаты. Для решения поставленной задачи использовалось обобщенное уравнение Тейлора – Гольдштейна с учетом вращения Земли. Анализ значений коэффициентов показал, что на экваторе для генерируемой источником тепла на поверхности гравитационной внутренней волны с суточной частотой существует единственный критический уровень, на котором волна поглощается. В тропиках инерционно-гравитационная волна суточного периода проходит два критических уровня и расположенную между ними область затухания. В средних широтах генерируемая волна, начиная с поверхности, находится в зоне затухания, проходит критический уровень и распространяется выше него. Для анализа поведения решения рассматривалась задача Коши о прохождении волны через критический уровень. Решение вблизи критического уровня было получено численно.

Выводы. Для выбранных значений стратификации и скорости фонового ветра рассчитаны коэффициенты поглощения вертикального потока импульса на экваторе и потока момента импульса в тропиках и средних широтах. Значение коэффициента поглощения на экваторе полностью согласуется с результатами работ, опубликованных ранее. Сравнивая значения коэффициентов поглощения вертикального потока импульса/момента импульса на разных широтах, можно отметить, что наибольшее затухание происходит на 15°, наименьшее – на 45°.

Ключевые слова

линейная теория, бризовая циркуляция, внутренние гравитационные волны, критический уровень, стратификация, сдвиговое течение

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме FNNN-2021-0002 «Фундаментальные исследования процессов взаимодействия в системе океан – атмосфера, определяющих региональную пространственно-временную изменчивость природной среды и климата». Авторы благодарят рецензента за полезные замечания, которые способствовали улучшению статьи.

Для цитирования

Шокуров М. В., Краевская Н. Ю. Критические уровни бризовой циркуляции в рамках линейной теории // Морской гидрофизический журнал. 2022. Т. 38, № 6. С. 620–636. EDN HXGABB. doi:10.22449/0233-7584-2022-6-620-636

Shokurov, M.V. and Kraevskaya, N.Yu., 2022. Critical Levels of the Sea Breeze Circulation within the Framework of Linear Theory. Physical Oceanography, 29(6), pp. 602-618. doi:10.22449/1573-160X-2022-6-602-618

DOI

10.22449/0233-7584-2022-6-620-636

Список литературы

  1. Haurwitz B. Comments on the sea-breeze circulation // Journal of the Atmospheric Sciences. 1947. Vol. 4, iss. 1. P. 1–8. doi:10.1175/1520-0469(1947)0040001:COTSBC2.0.CO;2
  2. Rotunno R. On the Linear Theory of the Land and Sea Breeze //Journal of the Atmospheric Sciences. 1983. Vol. 40, iss. 8. P. 1999–2009. doi:10.1175/1520-0469(1983)0401999:OTLTOT2.0.CO;2
  3. Niino H. The Linear Theory of Land and Sea Breeze Circulation // Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II. 1987. Vol. 65, iss. 6. P. 901–921. https://doi.org/10.2151/jmsj1965.65.6_901
  4. Steyn D. G., McKendry I. G. Quantitative and Qualitative Evaluation of a Three-Dimensional Mesoscale Numerical Model Simulation of a Sea Breeze in Complex Terrain // Monthly Weather Review. 1988. Vol. 116, iss. 10. P. 1914–1926. doi:10.1175/1520-0493(1988)1161914:QAQEOA2.0.CO;2
  5. Gille S. T., Llewellyn Smith S. G. When land breezes collide: Converging diurnal winds over small bodies of water // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2013. Vol. 140, iss. 685. P. 2573–2581. doi:10.1002/qj.2322
  6. Anjos M., Lopes A. Sea breeze front identification on the northeastern coast of Brazil and its implications for meteorological conditions in the Sergipe region // Theoretical and Applied Climatology. 2019. Vol. 137. P. 2151–2165. doi:10.1007/s00704-018-2732-x
  7. Simpson J. E. Gravity Currents in the Laboratory, Atmosphere, and Ocean //Annual Review of Fluid Mechanics. 1982. Vol. 14. P. 213–234. doi:10.1146/annurev.fl.14.010182.001241
  8. Mitsumoto S., Ueda H., Ozoe H. A Laboratory Experiment on the Dynamics of the Land and Sea Breeze // Journal of the Atmospheric Sciences. 1983. Vol. 40, iss. 5. P. 1228–1240. doi:10.1175/1520-0469(1983)0401228:ALEOTD2.0.CO;2
  9. Pearce R. P. The calculation of a sea‐breeze circulation in terms of the differential heating across the coastline // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1955. Vol. 81, iss. 349. P. 351–381. doi:10.1002/qj.49708134906
  10. Pielke R. A. A Three-Dimensional Numerical Model of the Sea Breezes Over South Florida // Monthly Weather Review. 1974. Vol. 102, iss. 2. P. 115–139. doi:10.1175/1520-0493(1974)1020115:ATDNMO2.0.CO;2
  11. Chen X., Zhang F., Zhao K. Diurnal Variations of the Land-Sea Breeze and its Related Precipitation over South China // Journal of the Atmospheric Sciences. 2016. Vol. 73, iss. 12. P. 4793–4815. doi:10.1175/JAS-D-16-0106.1
  12. Kimura R. Eguchi T. On Dynamical Processes of Sea- and Land-Breeze Circulation // Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II. 1978. Vol. 56, iss. 2. P. 67–85. https://doi.org/10.2151/jmsj1965.56.2_67
  13. Porson A., Steyn D. G., Schayes G. Sea-breeze scaling from numerical model simulations, Part I: Pure sea breezes // Boundary-Layer Meteorology. 2007. Vol. 122, iss. 1. P. 17–29. doi:10.1007/s10546-006-9090-4
  14. Antonelli M., Rotunno R. Large-Eddy Simulation of the Onset of the Sea Breeze // Journal of the Atmospheric Sciences. 2007. Vol. 64, iss. 12. P. 4445–4457. doi:10.1175/2007JAS2261.1
  15. Schmidt F. H. An elementary theory of the land- and sea-breeze circulation // Journal of the Atmospheric Sciences. 1947. Vol. 4, iss. 1. P. 9–20. doi:10.1175/1520-0469(1947)0040009:AETOTL2.0.CO;2
  16. Walsh J. E. Sea Breeze Theory and Applications // Journal of the Atmospheric Sciences. 1974. Vol. 31, iss. 8. P. 2012–2026. doi:10.1175/1520-0469(1974)0312012:SBTAA2.0.CO;2
  17. Qian T., Epifanio C. C., Zhang F. Linear Theory Calculations for the Sea Breeze in a Background Wind: The Equatorial Case // Journal of the Atmospheric Sciences. 2009. Vol. 66, iss. 6. P. 1749–1763. doi:10.1175/2008JAS2851.1
  18. Jiang Q. On Offshore Propagating Diurnal Waves // Journal of the Atmospheric Sciences. 2012. Vol. 69, iss. 5. P. 1562–1581. doi:10.1175/JAS-D-11-0220.1
  19. Du Y., Rotunno R. Diurnal Cycle of Rainfall and Winds near the South Coast of China // Journal of the Atmospheric Sciences. 2018. Vol. 75, iss. 6. Р. 2065–2082. doi:10.1175/JAS-D-17-0397.1
  20. Booker J. R., Bretherton F. P. The critical layer for internal gravity waves in a shear flow // Journal of Fluid Mechanics. 1967. Vol. 27, iss. 3. P.513–539. doi:10.1017/S0022112067000515
  21. Miles J. W. On the stability of heterogeneous shear flows // Journal of Fluid Mechanics. 1961. Vol. 10, iss. 4. P. 496–508. doi:10.1017/S0022112061000305
  22. Jones W. L. Propagation of internal gravity waves in fluids with shear flow and rotation // Journal of Fluid Mechanics. 1967. Vol. 30, iss. 3. P. 439–448. doi:10.1017/S0022112067001521
  23. Grimshaw R. Internal gravity waves: critical layer absorption in a rotating fluid // Journal of Fluid Mechanics. 1975. Vol. 70, iss. 2. P. 287–304. doi:10.1017/S0022112075002030
  24. Слепышев А. А., Воротников Д. И. Вертикальный перенос импульса инерционно-гравитационными внутренними волнами в бароклинном потоке // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 4. С. 3–15. doi:10.22449/0233-7584-2017-4-3-15
  25. Du Y., Rotunno R., Zhang F. Impact of Vertical Wind Shear on Gravity Wave Propagation in the Land–Sea-Breeze Circulation at the Equator // Journal of the Atmospheric Sciences. 2019. Vol. 76, iss. 10. P. 3247–3265. doi:10.1175/JAS-D-19-0069.1

Скачать статью в PDF-формате