Конвективное перемешивание. Турбулентный обмен в океане

Размещено на http: //www. allbest. ru/

КЫРГЫЗСКО - РОССИЙСКИЙ СЛАВЯНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА МЕТЕОРОЛОГИИ, ЭКОЛОГИИ И ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Лабораторная работа №4:

«Конвективное перемешивание. Турбулентный обмен в океане»

Преподаватель:

Доцент Бакиров К.Б.

Выполнил:

Ильинич А.

Бишкек 2016

Цель работы:

Рассчитать элементы осенне-зимней конвекции. Для расчетов использовать данные вертикального распределения по температуре и солености воды на стандартных горизонтах за осенний период

Порядок выполнения работы: Расчет вертикального конвективного перемешивания в период зимнего охлаждения.

Пояснения к таблице расчета конвекции:

1 - глубина горизонта в метрах;

2 - температура воды в °С;

3 - соленость воды в ‰;

4 - условный удельный объем V_t = 10^-3v-900.

5 - средняя (взвешенная) температура воды между поверхностью моря и данным горизонтом, вычисляется по формуле:

конвекция турбулентный океан охлаждение

= УTсрДz/УДz ,

где Tср - средняя температура воды между двумя соседними горизонтами, Дz - расстояние между этими горизонтами;

6 - средняя (взвешенная) соленость воды между поверхностью моря и данным горизонтом, вычисляется по аналогичной формуле;

7 - соленость воды S_t, соответствующая условному удельному объему на данном горизонте и температуре замерзания t. По графику вертикального распределения S_t и в месте пересечения кривых определить критическую глубину конвекции;

8 - общая температура воды перемешавшихся слоев (температура сформировавшегося однородного слоя). Выше критической глубины конвекции она определяется по условному удельному объему на данном горизонте и средней солености . Ниже критической глубины она равна температуре замерзания t, соответствующей данному удельному объему;

9 - осолонение однородного слоя, необходимое для того, чтобы конвекция достигла данного горизонта, то есть, чтобы удельный объем однородного слоя равнялся удельному объему на данном горизонте;

10 - разность между средней температурой воды , которую имел бы однородный слой, если бы теплоотдачи в атмосферу не было, и средней температурой T_c , устанавливающейся при достижении конвекцией данного горизонта. Разность ? Tc представляет понижение температуры, необходимое для того, чтобы конвекция достигла данного горизонта;

11 - количество тепла в ккал, которое должно быть отдано каждым квадратным сантиметром поверхности моря в атмосферу для того, чтобы конвекция достигла данного горизонта. Вычисляется по формуле:

q_t= 0,1 (? T_c) z₁,

где z - глубина горизонта в метрах; 0.1 - переводной множитель. Сравнивая эту потенциальную теплоотдачу с реальной, возможной в данных климатических условиях, можно судить о глубине проникновения конвективного перемешивания;

12 - толщина льда (в сантиметрах), который должен образоваться на поверхности моря для того, чтобы произошло осолонение слоя конвекции на величину

ДS = ?S_t.

Вычисляется по формуле:

i =110zДS/S_t.

Сравнение этой потенциальной толщины льда с толщиной льда, реально образующегося в море при данных климатических условиях, позволяет оценить пределы развития конвекции при соленостной стадии.

13 - количество тепла в ккал, отдаваемое каждым квадратным сантиметром поверхности за счет образования льда толщиной i. Вычисляется по формуле:

q_i=? iс_i= 0.072i,

где ? = 80 кал/г - теплота плавления льда (при S_i = 0), i = толщина льда в см, с = 0,9 - плотность льда (в множитель 0,072 входит также переводной множитель 0,1);

14 - общее количество тепла, отдаваемое с каждого квадратного сантиметра поверхности моря при условии достижения конвекцией данной глубины, вычисляется по формуле:

Уq = q_T+ q_i.

Для определения максимальной глубины конвекции, максимального нарастания льда и показателей замерзания и вентиляции строится график зависимости количества отдаваемого водой тепла от глубины проникновения конвекции.

Контрольные вопросы

1. Каким действием внешних сил вызывается свободная, вынужденная конвекции?

Вынужденная конвекция вызвана действием внешних сил пограничного и внутреннего трения. Например, течения и динамическая турбулентность. Вынужденная конвекция развивается преимущественно по горизонтали и редко по вертикали. Свободная (естественная) конвекция вызвана действием внешних сил при наличии неоднородности плотности жидкости в различных точках пространства. Проявляется свободная конвекция преимущественно в движении водных масс в вертикальном направлении.

2. Назовите основные формы конвективного движения?

Обычно различают две основные формы конвективного движения: ячеистую и в виде конвективных элементов. По пространственно-временным масштабам конвекция может быть разделена на три типа: крупномасштабная, мезомасштабная и мелкомасштабная.

3. Как называется увеличение плотности поверхностных вод океана при совместном изменении температуры и солености?

Увеличение плотности поверхностного слоя океана осуществляется за счет как понижения температуры (термическая) и увеличения солености (соленостная), так и совместного изменения данных параметров (термохалинная).

4. За счет чего происходит понижение температуры и повышение солености поверхностных вод океана?

Понижение температуры поверхности океана происходит в основном за счет длинноволнового излучения в атмосферу, испарения и турбулентной теплоотдачи, а увеличение солености - за счет осолонения поверхностных слоев воды при испарении и ледообразовании.

5. Что такое критическая глубина конвекции, показатели замерзания и вентиляции?

Максимальная глубина конвекции (Hм) определяется по точке на кривой, соответствующей полному количеству тепла, отдаваемого водой в данном районе. Если максимальная глубина конвекции проникает до дна (без ледообразования), то необходимая для этого теплоотдача является показателем вентиляции. Соответствующее моменту достижения конвекцией глубины Нкр количество отданного морем тепла называется показателем замерзания qT .

6. Как определить критическую и максимальную глубину конвекции, дату начала ледообразования в морской и солоноватой воде?

Для определения максимальной глубины конвекции, максимального нарастания льда и показателей замерзания и вентиляции строится график зависимости количества отдаваемого водой тепла от глубины проникновения конвекции.

7. Назовите формулу турбулентного потока.

Формула турбулентного потока:

Q = -A(ДC/Дz)

A - коэффициент пропорциональности называется динамическим коэффициентом турбулентного обмена (кг/м с).

8. Что такое активные и пассивные примеси в океане?

Активной примесью называется характеристика морской воды, изменение которой может оказывать влияние на турбулентный обмен. Например, температура и соленость изменяют плотность морской воды и вертикальную устойчивость, которая влияет на турбулентность.

Пассивные примеси характеристики, изменения которых не влияют на турбулентный обмен. Это растворенные газы и органические вещества, взвеси.

9. Назовите формулы переноса тепла солей и количества движения через площадку?

Вертикальный поток тепла, представляющий перенос теплосодержания частиц воды в единицу времени через единичную горизонтальную площадку состоит из конвективного и вертикального турбулентного потоков тепла:

Q=с

Коэффициент - коэффициент вертикального турбулентного обмена;

c_pA_Tz - коэффициент вертикальной турбулентной теплопроводности:

k_Tz - коэффициент вертикальной турбулентной температуропроводности.

Перенос солей через площадку Вертикальный турбулентный поток солей представляет поток солесодержания (Ф = 0.001S) в единицу времени через единичную горизонтальную площадку за счет вихревого движения частиц воды:

Q_Sz=с=-A_Sz=-сk_Sz

A_Sz - коэффициент вертикальной турбулентной диффузии примеси,

k_Sz - коэффициент вертикальной турбулентности примеси.

10. С точки зрения генерации турбулентности, на какие слои разделяется океан?

С точки зрения генерации турбулентности, океан разделяется на три слоя: а) верхний перемешанный слой, где главный вклад в генерацию турбулентности вносит опрокидывание поверхностных волн; б) основная толща океана, где главный вклад вносит неустойчивость внутренних волн; в) придонный пограничный слой, где главный вклад вносит неустойчивость приливных волн и основных течений.

Задачи

Определить необходимое понижение средней температуры слоя, при котором конвективное перемешивание достигнет глубины 200м:

z 50 200

T(°С) 12,0 7,0

S (‰) 34,8 34,9

T_oбщ = 9,7°С T_1,2 = 8°С

ДT =9,7-8 = 0,3°С

ДT = T_общ - T_1,2

Определить суммарную теплоотдачу слоя 0 - 100 м при конвекции. При перемешивании температура понизилась на ДТ = 12 °С, соленость повысилась на ДS = 3‰, =32,5‰.

q_t = 0,1z * ДТ

q_t = 120ккал

i =1,1zДS/

i = 10,2

q_i=? iс_i= 0.072i

q_i = 0,73ккал

q = q_t + q_i = 120,73ккал

Критерием возникновения и развития обеих форм свободной конвекции является число Рэлея Ra.

Критерием возникновения турбулентности в стратифицированном океане является кинематическое число Ричардсона Ri.

Гидродинамическая неустойчивость определяется критерием Рейнольдса Re > ReKp, причем ReKp = 2000.

Размещено на Аllbest.ru