静态稳定的大气和海洋
在第一章中,我们考虑流体静力学平衡在大气和海洋,由垂直重力加速度是平衡的压力梯度力。这里我们研究流体在垂直位移流体静力平衡。垂直运动一个包裹内的流体受到绝热膨胀或压缩,因此它的温度会改变。包裹垂直移动,它可能成为温暖或凉爽比周围流体在一个特定的水平。如果包裹变得或多或少的密度比周围的流体,它将受到一个加速度向下或者向上。阿基米德'principle,活跃的地壳隆起等于流离失所的周围流体的重量。因此一个包裹的流体垂直流离失所的浮力。如果浮力作用于推覆体返回其初始位置,然后流体静态稳定。如果推覆体加速远离其初始位置,然后流体静态不稳定。如果推覆体与周围环境保持平衡,然后流体在中性平衡状态。
的静态稳定气氛是很重要的解释和预测的积云对流和严重的风暴、降雨量、边界层湍流,和大规模的大气动力学。海洋的静态稳定边界层湍流的决心很重要,内部混合对流,深水的形成。
7.1稳定标准
理解静态大气和海洋的稳定性,并确定标准稳定性,考虑一个小质量,或包裹流离失所的垂直静止流体和流体静力学平衡。最初包裹周围的流体热力学状态一样,是在同一垂直水平。一旦包裹流离失所远离其初始位置,其热力学状态可能会不同于相应的垂直层次的环境。包裹中的变量是用最好的(例如,7”)来区分与周围的环境(例如,T)以下采用简化的假设包裹方法:
1)包裹保留其身份,不与它的环境。
2)包裹运动不打扰它的环境。
3)包裹调整瞬间的压力p”周围的环境压力p的液体包裹。
4)包裹等熵地移动,所以其潜在温度6 '保持不变。
这些简化的影响将被认为是在解决基本问题。
流体环境被认为是在流体静力学平衡,可表示如下(1.33)
考虑一个小包裹在垂直方向上的位移。从牛顿第二运动定律,加速度的包裹必须等于重力和压力梯度的总和。因此,我们可以写以下包裹的加速度的表达式:
哪里是乌斯”是包裹的垂直速度。假设3)和dp / dz = dp / dz =使用,我们获得
这个词(7.3)的右边是浮力的包裹。如果包裹密度小于它的环境,那么它将向上加速。减少重力一词常被用来表示负的浮力。
我们可以写(7.3)的纵向密度梯度通过考虑一个小包裹从其原始位置的垂直位移。在最初的位置让z = 0, p0 ' = p0包裹密度。利用泰勒定理,我们扩大包裹的密度初始位置我们可以忽略高阶项涉及权力z的垂直位移很小。同样的,我们写的密度环境
包裹是稳定的垂直位移,所以任何垂直位移是紧随其后的是加速包裹回到其初始位置,dp的必须超过相应的纵向密度变化的环境,dp。Brunt-Vaisala频率,N,被定义为
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