横向环流

最后更新于2022年7月4日星期一|湖泊生态系统

均匀层中环流的产生

为了描述水平电流的空间模式，通常使用一个称为涡量Z的变量，它被定义为水平速度矢量u的旋度(一种数学运算，用符号Vx表示，涉及空间导数)，即

V dv du dx dy

一个流体粒子描述逆时针(或气旋)循环的流场将具有正的涡度;一个具有负涡度的流场反过来会使流体粒子顺时针(或逆时针)旋转anti-cyclonica增加)。Z的大小等于a的角速度的两倍流体包裹: Z值越大，粒子的循环速度就越快。在这里，控制深度平均流的涡量Z演化的方程是水平速度，以理解在HBs和SMLs中产生环流的机制。忽略涡度的平流和扩散控制方程对于厚度h(x, y, t)的均匀层Z，可写成dZ f + Z\ (dh dh dh\ " ft dr(VJ u+u dX+v d-y) +Vn«)~Vxl Ph

eq. 13右边的三项表示封闭盆地中涡度的源和汇。气旋或反气旋涡度的产生取决于这些项的平衡，它们代表:

1.由于层厚的时间变化，或由于流动进入厚度较大或较小的区域(例如，倾斜的底部)而产生涡度，从而导致流体柱的拉伸和/或压扁(图2.1);

2.由风应力tw和/或底部水深测量的空间变化引起的顶部边界涡度通量(图2.2);

3.底部应力(tb)与盆地深度比值的旋度所引起的底部边界涡量通量。

第3项是唯一的涡度汇。所有其他术语都是来源。项(1)与均匀层厚度h的空间和/或时间变化(通常具有振荡性质)有关。在分层水体中，它的存在是错综复杂的内部波运动。在内波引起的振荡电流的影响下，水包裹将描述开放的轨迹，每次振荡后都有较小的净位移。因此，由第(1)项创建的全流域净环流的特征是平均速度(当对几个波周期进行平均时)远远小于瞬时值。这种环流被称为残余环流，它本质上是气旋。残余环流的定义与直接环流相反，直接环流是由空间变化的风直接驱动的(第2项)。这种类型环流中的水包将以大的旋转模式连续移动，水包的平均速度在大小和方向上与瞬时速度相似。与残余环流相反，直接环流可以是气旋环流，也可以是反气旋环流，这取决于湖面上风的空间变化(见表2中的Clear lake)。

均质盆地中的地形环流

在突然施加的风作用下，HB中Z的演变可以是一级的，描述为风和湖水深的空间变化的结果(即eqn[13]右边的第二项)。此描述仅在风应力发生后的一段时间内有效，与f_1相比，风应力必须较短，因此科里奥利力(见基本概念)和底部摩擦可以安全地忽略。环流受地形效应或风的空间变化率控制的程度可以使用简单的标度参数进行评估，方法是打破eqn[13]中的第二个源项，如下所示

在这里，符号A应用于一个变量，指的是该变量的大小在整个盆地的变化。第一项表示湖面上风应力的大小和/或方向的变化。第二个是垂直于深度变化方向的风作用的结果，它被称为拓扑矩。时，风应力的空间变异性对拓扑弯矩起主导作用

: 图2湖泊三维剖面图。(1)经受挤压或拉伸的流体块的体积守恒和循环。当流体包裹移动到较浅的区域时，涡度减小，反之亦然。(2)风应力tw的旋度引起的涡度。

在平坦盆地(A H«0)，环流的主要来源是风应力的旋度。然而，在水深变化更真实的湖泊中，风应力和深度变化都控制着湖泊环流。对于几乎均匀的风沿狭窄和倾斜的湖泊主轴作用的情况，环流的唯一来源是拓扑矩，由此产生的环流具有双环流模式的特征:在风向轴的右侧tw/h的旋度为正，产生气旋涡度，而在左侧anti-cyclonic底部摩擦(到目前为止，在我们对环流的分析中没有包括在内)倾向于抵消风输入的涡度，但这是在地形环流建立之后。

均匀体中的地形波

由于科里奥利力作用于初始的双旋模式，它将趋向于逆时针旋转(见图4)。这种运动模式被称为地形波或涡度波。它是自由的，因为它不依赖于外部强迫的存在(即，它只要求初始双环流已经预先建立)，并且具有一个特征频率s，其规模为s«Xflk [16]

这里l是一个单位常数，l是一个长度标度，表示倾斜边的大小在湖中， k是波的波数，对于最严重的第一模态，k = 2p/P (P为周长)。对于典型值f = 10~4 s-1, I = 104 m, k = 10-5 m-1, s为10~5阶，因此s << f。

尽管经典水动力学已经认识到湖泊中出现涡度波的可能性，但从速度矢量以eqn[16]给出的频率的气旋旋转中可以看出，真实湖泊中存在涡度波的证据稀疏而微弱(见图4)。这部分是因为风几乎从未消失过，而且极有可能与现有的地形波相互作用。中强风具有足够的冲量，可改变现有环流模式，建立新的盆地尺度地形环流。此外,

图3安大略湖冬季大尺度环流，由不同站点收集的观测数据重建(如黑色细箭头所示)。图中的数字表示进行测量的深度:1 = 15m和5 = 75 m。箭头的大小表示电流的大小。灰色粗而弯曲的箭头表示从数据中解释的环流。黑色粗箭头表示主要风向。来自Beletsky D, Saylor JH和Schwab DJ(1999)五大湖的平均环流。五大湖研究25:78-93。经国际五大湖研究协会授权转载。

图4模拟开始后(a) 16.5、(b) 17.5、(c) 18.5和(d) 19.5天，用里加湾湖泊环流2d模型计算的归一化流函数。电流将平行于等流函数的线。连续线为气旋环流，虚线为双环流中的反气旋环流。粗体箭头表示风的方向。改编自Raudsepp U, Beletsky D, and Schwab DJ(2003)里加湾盆地尺度地形波。海洋物理学报33:1129-1140。版权所有2003年美国气象学会。转载经美国气象学会许可。

时变的风向也会影响环流模式:数值实验表明，气旋旋转风会增强盆地尺度的地形波，而反气旋旋转风往往会破坏地形波。在浅海地区，直流风强迫和底部摩擦主导涡度平衡，不太可能观测到地形波。因此，只有在最深的地方，才能找到地形波的证据。

风强迫的空间变异性

在SML或HB中发展的特定风驱动环流模式与湖面上风应力的时空变化密切相关(见eqn[13])。虽然空间中单点风应力的时间变异性可以用高分辨率风传感器(例如声波风速计)来表征，但表征其空间变异性已被证明是一项艰巨的任务。近年来，人们对湖泊风应力场的空间变异性进行了大量的研究。这可以通过应用大气环流的动态模型来实现，也可以通过位于湖上和湖周围的风传感器阵列来测量风速和方向(例如，参见Kinneret湖的图5)。体气动公式通常用于从风速中得出风应力值。到目前为止，由于现有传感器的分辨率非常低，直接描述风应力场的技术(散射测量法)仅应用于海洋尺度。

为描述大小不一的湖泊上风场特征而进行的研究表明，在天气尺度和局地尺度上都存在相当程度的空间变异性。风场的天气尺度变异性只会影响大尺度的湖泊(如五大湖)。在局地尺度上，诸如地表热和/或水分性质的空间变化、表面粗糙度或地形等因素可以改变甚至产生大气边界层的流动。它们很可能都在所有湖泊附近玩耍。地形最显著的影响是环境天气风的空气动力学改变。湖泊周围的地形特征，在其他一些影响中，会导致周围风改变方向(偏转效应)，并产生动量区域

不足或尾迹(遮蔽效应)。这些效应与湖泊应用尤其相关，因为它们在湖泊通常所在的区域地形的较低水平上诱导了空间变化的风场。

其他流通来源

海岸线不规则(海岬、半岛、岛屿、海湾等)或流入/流出特征(即开放边界)也可以作为SML和HB中涡量的来源(见图6)。海岸线不规则或流入/流出特征在多大程度上可以产生涡旋结构将取决于流的几何和水力特征，如

•特征的长度尺度L;在半岛的情况下，与湖的宽度相比，这个长度尺度决定了水流被阻塞的程度，半岛有效地将盆地分为子盆地;

•它们的锐度(即海岸线方向的变化是突然的还是平滑的)，可以用曲率半径Rw来表征;

•流入速度，或更一般地说，由海岸线特征引起的水平速度的空间梯度:

•动量水平传递的速率;而且

•科里奥利力，它表示流体在响应地球旋转时倾向于转向的速率，其特征是惯性频率f。

对于平滑的特征和小的速度梯度，水流会被转移，但它们会倾向于沿着海岸线，不会形成环流模式。

图6形成速度梯度的海岸线特征示意图。无扰动速度的大小为U;L表示特征的特征长度尺度，Rw表示特征的锐度。该方案可以代表进入湖泊的河流的一部分，半岛的一部分，或海湾的一部分。

对于尖锐的特征和大的速度梯度，极有可能会形成旋转模式。量纲分析和实验室实验表明，如果出口角的锐度大于惯性半径，即:

环流形成和海岸线附着之间的分界线还没有很好地建立起来，可能取决于诸如流经主体或流入水中的实际水流剖面等细节。在任何情况下，海岸线附近不规则水流的行为是由水运动的非线性性质控制的。

海岸线附近的水平程度上产生的环流违规将最有可能规模大小的违规行为,而且在大多数情况下,这些环流将只能本地(非盆地)(参见图7)。在半岛和岛屿的情况下大的总宽度湖相比,大型循环可以修改在一定程度上,盆地两侧的阻碍应对风一样,实际上,是独立的,具有与上述单个湖泊相似的旋回结构。与河流射流相关的涡旋只会在非常大的流入时驱动盆地尺度的涡旋模式。以上康斯坦茨湖为例，据估计，观测到的盆地尺度气旋环流(12 000 m宽)只能由来自阿尔卑斯莱茵河约1500 m3 s-1的极端流入事件驱动。

继续阅读:垂直循环

这篇文章有用吗?

横向环流

均质盆地中的地形环流

均匀体中的地形波

风强迫的空间变异性

其他流通来源

相关的帖子