气体动力学模型
答:巴甫洛夫
开普勒模拟实验室,圣安德鲁斯的房子,90安德鲁斯,剑桥CB4 1 dl,
1。介绍
飓风的形成和发展是非常重要的天气预报中心。计算机模拟本质上提高了预测飓风和允许模型的轨道(Dudhia 1993时et al . 1994年,Zhang et al . 2000年)。卫星大气的预测依赖于监控实际数据图像(Chelton 2000),多普勒风(标志et al . 1992),斜压扰动戴维斯(2001)和漩涡(栗原市1998)检测的飓风开始形成。然而,仿真模型非常复杂(刘1999,通2004)包括复杂的参数初始化方案仿真程序。一个更重要的问题是,飓风,因此不存在简单的物理模型的估计强度(DeMaria 1994, DeMaria 1999营2001年,深褐色和伊曼纽尔1998)是不够的,预测时间相对较短。在本文中,我们表明,大气密度变化可能产生引力不稳定会导致一场飓风的形成。这是由于self-gravitational收缩慢慢旋转的气态云。我们开发了一个重力体模型来模拟飓风的形成和动态。仿真程序使我们能够预测飓风和强度在早期阶段只使用两个初始参数、密度和速度。1997年飓风(荷兰)非常大可持续的大气气体旋转云1000公里的典型尺寸有像往常一样眼科中心和旋臂,其极端的速度超过30 m / s(1981年主席辛普森和Riehl办公室)。 They form above the warm oceans in tropical and subtropical regions (Whitney and Hobgood 1997) and the general conditions favoring their formation have been known for a long time (Gray 1968, McBride and Zehr 1981). Hurricanes are a consequence of the processes in the atmosphere under strong influence of the ocean and the Sun (Merrill 1988, DeMaria 1996). The earth's atmosphere is a very dynamical system. It has been observed that atmospheric pressure, temperature, precipitations and winds including upper winds vary with time (Miller 1958, Malkus and Riehl 1960). Also, variations in angular momentum of the atmosphere can affect the Earth's angular momentum, and consequently, the length of day (Rosen and Salstein 1983, Brzezinski et al. 2002). The original model of the hurricane proposed in this paper uses variation of density within the atmosphere resulting in gravitational instability and development of cloud's vorticity. Not only the gravitation of the Earth but also the gravitational interaction between gas molecules plays a very important role in global climate dynamics, particularly, in formation of hurricanes and tropical cyclones.
2。材料和方法
我们考虑使用多体的气云的数值模拟(体)模型。模型被用来模拟重力系统,如螺旋星系(巴甫洛夫和奶油蛋白甜饼2003 a)和土星(巴甫洛夫和奶油蛋白甜饼2003 b)。模型修改模拟self-gravitation相对薄盘状的气态云。模型使用两个物理原理- - -中央引力场来自云的质心和角动量守恒。体系统,重力施加在一个害怕th身体从其他机构相当于重力从虚拟质量Mi放在重心。Mi值取决于所有尸体的位置相对于他们的位置的身体。因此,整个系统的特点是一组虚拟质量Mi值不断变化的模拟期间由于身体的相对位置的变化。
我们模拟飓风的形成由于引力收缩的气态云。初云的大小大约是2000公里。该算法的目标是未来的实际应用。因此,我们引入仿真2500具尸体。这个号码对应一个网格50×50栅格间距40公里粗网格域大小对应用于监测和计算机模拟的跟踪飓风(罗森塔尔1970)。进一步简化获得初始条件的过程,我们使用随机分布位置的身体允许监视测量随机同样的地方,而不是在传统的网格间距矩形域。
云的旋转是由不同的线性运动的旋转地球表面大气层时赤道移动速度比在较大的纬度。有两个观察,帮助我们理解这一过程。外面观察到飓风形成的赤道线约200公里,在北半球逆时针旋转,在南半球顺时针。如果从赤道向北云形成其北部移动慢于南部,由于由西向东运动的地球表面生成一个逆时针方向旋转。因此,在南半球顺时针旋转是类似地生成的。如果云坐落在赤道,然后两个相反的力矩补偿。这就解释了冷静绵延200公里的赤道地带的存在。
3所示。结果
图1显示了云的氧化由于内部引力只有不影响周围的气氛。云的形状是椭圆磁盘。在引力收缩,磁盘转换成球形核心部分和一个双臂螺旋。2.34 x105秒(65小时)后收缩过程的眼睛开始发展。眼睛是一个地区向心力大于引力的。眼睛边缘附近的云的密度达到最大值。因为中间的密度增加更快,云开始下降的这部分地球表面(海洋表面)由于地球的引力。这将导致眼壁的形成。图2显示了详细眼睛的发展。之前见过,眼睛中间的密度增加。 This feature can be used as additional indication of hurricanes. During the contraction process, the cloud intensifies reaching the category 1 after 2.50x105 seconds. This stage corresponds to the appearance of the eye. With further contraction the hurricane approaches category 2 after 2.7x105 seconds, category 4 (3.5x105 s.) and category 5 (4.0x105 s.) after around 5 days.
图1所示。时间的发展慢慢旋转椭圆云在self-gravitational收缩。一个时间步等于1000秒。云逆时针方向旋转。1.0初始角速度x10-5 rad / s。云的转向角显示平均旋转相对于云的初始取向。
图1所示。时间的发展慢慢旋转椭圆云在self-gravitational收缩。一个时间步等于1000秒。云逆时针方向旋转。1.0初始角速度x10-5 rad / s。云的转向角显示平均旋转相对于云的初始取向。
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- 图2所示。的形成飓风的眼睛更详细所示。它开始形成过程的中间阶段。眼睛的边缘附近的密度随时间和周期形成致密的戒指是317步观察可以看到图。
图3显示了切向和径向速度的不同阶段的云。一开始,云旋转角速度的lxlO-5 rad / s和切向速度的身体形成一个linear-like径向依赖最大距离大约10 m / s的速度从中心1000公里。这个距离对应于最后的飓风半径的两倍。在收缩过程中,线性变换显著的依赖。尸体位于靠近中心开始旋转更快达到典型的极端飓风的眼睛附近的速度优势。速度依赖性形成一个光滑曲线显示,每个人贡献的过程是一个自同步到整个系统的动力。眼睛区域内,密度很低,速度几乎是零对应于平静的天气和干净的天空。这些特性通常观察到眼睛的地区的飓风。最大速度的增加在形成过程中相关的极端风伊曼纽尔(1999)提出的依赖。
模拟云的收缩在周围的气氛,我们引入了一个静止的外部引力场通过应用一个排斥力。这个模拟中使用的外磁场对旋转轴是对称的。这个同事与齐次周围的气氛。图4显示了引力收缩的结果相同的初始云如图1所示,但在不同外部引力场。飓风的强度随外磁场的增加而减小。之间的差异越少环境大气和云slower-rotating和较低的系统就形成了。云的密度的均衡与周围大气的密度不会导致热带气旋。
0 e + 0 1 e + 5 2 e + 5 3 e + 5 4 e + 5 5 e + 5 6 7 e e + 5 + 5 8 e + 5 9 e + 5距离(米)
图3所示。切向vrot和径向vr速度与距离中心的云所示为不同阶段的飓风的形成。
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图3所示。切向vrot和径向vr速度与距离中心的云所示为不同阶段的飓风的形成。
图4所示。模拟的结果图1中的最初的云一样但在周围的气体的存在不同的密度。外部引力场中央对称和由一个有效的密度图(a)为零,2 x10-2公斤m3 (b)和5 x10-2公斤m3 (c)。所有三个飓风经过450步的仿真所示。图(一)对应于图1所示的飓风(最后一个图)。显然,飓风的最大速度的减少和增加外部密度。飓风的最大速度(a)约为80 m / s的最大速度飓风(c)是65 m / s。飓风眼的直径(c)下降。
图4所示。模拟的结果图1中的最初的云一样但在周围的气体的存在不同的密度。外部引力场中央对称和由一个有效的密度图(a)为零,2 x10-2公斤m3 (b)和5 x10-2公斤m3 (c)。所有三个飓风经过450步的仿真所示。图(一)对应于图1所示的飓风(最后一个图)。显然,飓风的最大速度的减少和增加外部密度。飓风的最大速度(a)大约是80米/秒,而飓风(c)的最大速度是65米/秒。飓风眼的直径(c)下降。
4所示。讨论
在现实条件下,循环过程和表面风产生反馈机制当过质量的损失由于降雨补偿upwards-rising水蒸气流沿墙中间的飓风眼。之间的差别很质量和质量不断上升导致减少飓风的强度。大气中平衡的干扰可能导致更多的热带风暴。有自然因素,如太阳活动和当地季节天气可能影响飓风的创建。密度的变化也在其他行星。大幅密度梯度(称为ionopause)金星与太阳活动的气氛,因为这个星球上没有因此固有磁场和太阳风相互作用直接与电离层。因此,地球的磁气圈的主要自然障碍是飓风。
还有一个人为因素占主导地位,可以在未来全球气候。raybet雷竞技最新的变化大气的化学成分可以分散其资产(Henderson-Sellers et al . 1998年)。例如,重元素像二氧化碳一样,工业活动和森林消失的结果,可能会导致更频繁的飓风(克努森和Tulea 1999)。我们可以得出结论,引力模型解释了飓风的起源和可以帮助预测其在早期阶段形成。我们的模型使用最小参数做出可行的模拟程序的实际应用。实际仿真可以执行基于初始数据从测量大气气体密度和风速。飓风的模型一般可以申请任何热带气旋。少动态热带气旋具有质量和较小的云的规模,因此较弱的极端大风。
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