Details zum E-Book

Podstawy dynamiki atmosfery

Podstawy dynamiki atmosfery

Lech Łobocki

E-book

Podręcznik adresowany jest do studentów studiów I i II stopnia kierunków leżących w dyscyplinach inżynierii środowiska i nauk o Ziemi i środowisku, doktorantów, nauczycieli akademickich i pracowników naukowych, zajmujących się meteorologią ogólną, stosowaną i dynamiczną, oceanografią fizyczną, fizyką atmosfery lub geofizyczną dynamiką płynów. Ze względu na obserwowane obecnie różnice w przygotowaniu studentów podejmujących kursy w tym obszarze, sporo miejsca znalazły w książce elementy wiedzy, wykładanej często w ramach odrębnych kursów z matematyki, termodynamiki i dynamiki płynów (rozdziały 1-4 oraz dodatki). Dzięki temu, uspójniono terminologię tych obszarów, wraz z zapisem równań i wzorów i ujednoliceniem stosowanych w nich symboli - co znacznie usprawnia odwoływanie się do wiedzy podstawowej. Zagadnienia specyficzne dla geofizycznej dynamiki płynów omówiono w kolejnych rozdziałach, obejmujących tu zarówno elementarne pojęcia dotyczące form ruchu zrównoważonego i wirowości, jak i dość szczegółowy wykład dwóch podstawowych teorii geofizycznych - teorii płytkiej wody i teorii quasi-geostroficznej, adresowany do średnio zaawansowanych czytelników - po którym następuje omówienie głównych typów niestabilności hydrodynamicznych, obserwowanych w przepływach geofizycznych. Na bazie tej wiedzy, w rozdziale 14 wyjaśniona zostaje ewolucja struktur ruchu w atmosferze - cyrkulacji ogólnej, cyklogenezy umiarkowanych szerokości geograficznej i wiatrów lokalnych. Rozdział 15 poświęcony jest dolnej troposferze - nacechowanego obecnością turbulencji obszarowi, w którym koncentruje się przebywanie i działalność człowieka, i poprzez który zachodzi wymiana masy, pędu i energii między atmosferą, a powierzchnią planety.

 Spis tresci  
  Od autora  
  Spis symboli i oznaczen  
  1 Pole skalarne     1
    1.1 Pojecie pola     1
    1.2 Iloczyn skalarny     2
    1.3 Izopowierzchnie i izolinie     4
    1.4 Pochodne czastkowe     5
    1.5 Pochodna lokalna     7
    1.6 Gradient pola skalarnego     8
    1.7 Rózniczka zupełna     13
  2 Termodynamika i statyka atmosfery     16
    2.1 Budowa atmosfery     16
      2.1.1 Układ, stan układu i procesy termodynamiczne     17
      2.1.2 Równanie stanu     20
    2.2 Pierwsza zasada termodynamiki     25
      2.2.1 Entalpia     27
      2.2.2 Ciepło własciwe     28
      2.2.3 Przemiana adiabatyczna i temperatura potencjalna     29
    2.3 Druga zasada termodynamiki     30
      2.3.1 Cykl Carnota     31
      2.3.2 Postulat Clausiusa     33
      2.3.3 Postulat Kelvina     34
      2.3.4 Twierdzenie Carnota     35
      2.3.5 Temperatura termodynamiczna     37
      2.3.6 Nierównosc Clausiusa     38
      2.3.7 Entropia     39
      2.3.8 Scisliwosc i rozszerzalnosc cieplna     44
      2.3.9 Równania Maxwella     46
      2.3.10 Równowaga fazowa: równanie Clausiusa-Clapeyrona     47
      2.3.11 Ciepło utajone. Równanie Kirchhoffa     51
    2.4 Statyka atmosfery     52
      2.4.1 Atmosfera jednorodna     52
      2.4.2 Atmosfera izotermiczna     53
      2.4.3 Atmosfera stałogradientowa     54
    2.5 Równowaga pionowa     55
      2.5.1 Gradient sucho-adiabatyczny     55
      2.5.2 Gradient wilgotno-adiabatyczny     59
      2.5.3 Diagramy aerologiczne     64
    2.6 Niezmienniki procesów zachodzacych z udziałem kondensacji     67
  3 Pole wektorowe i kinematyka     71
    3.1 Przestrzen liniowa (wektorowa)     73
    3.2 Iloczyn wektorowy     77
    3.3 Linie pradu i trajektorie     78
    3.4 Opis ruchu w układach Eulera i Lagrange’a     79
    3.5 Pochodna substancjalna     80
    3.6 Ruch linii materialnej     81
    3.7 Kinematyka pola wiatru     82
      3.7.1 Dywergencja     82
      3.7.2 Wirowosc     85
      3.7.3 Krazenie     87
      3.7.4 Tensory     88
      3.7.5 Niezmienniki tensorów     91
      3.7.6 Notacja sumacyjna Einsteina     95
      3.7.7 Tensor symetryczny i antysymetryczny     99
      3.7.8 Odkształcenie     100
      3.7.9 Deformacja w przepływie płaskim     107
    3.8 Opis ruchu we współrzednych naturalnych     108
    3.9 Przykłady obliczen     110
      3.9.1 Operatory rózniczkowe we współrzednych sferycznych     111
      3.9.2 Nieregularnie rozmieszczone dane     113
    3.10 Potencjał skalarny pola wektorowego     114
    3.11 Potencjał wektorowy     115
    3.12 Linie i rurki wirowe     117
    3.13 Przepływ płaski     118
    3.14 Wzory Greena     121
    3.15 Jednoznacznosc     121
    3.16 Wyznaczanie pola z jego zródeł i wirów     123
  4 Prawa zachowania masy, pedu i energii     129
    4.1 Objetosciowe i masowe natezenie przepływu     129
    4.2 Równanie ciagłosci     131
    4.3 Równanie transportu wielkosci zachowawczych     132
    4.4 Równanie ruchu     134
      4.4.1 Siły objetosciowe     136
      4.4.2 Siły powierzchniowe     143
      4.4.3 Równanie Naviera-Stokesa     149
      4.4.4 Funkcja Exnera .     157
    4.5 Równanie zachowania energii     157
      4.5.1 Bilans energii mechanicznej     158
      4.5.2 Bilans energii wewnetrznej     166
      4.5.3 Bilans energii całkowitej     168
      4.5.4 Równanie Bernoulli’ego     168
  5 Układy współrzednych     174
    5.1 Zestawienie równan zachowania     174
    5.2 Zapis równan ruchu we współrzednych sferycznych     175
    5.3 Płaszczyzny i f     181
    5.4 Transformacje współrzednej pionowej     181
      5.4.1 Współrzedne izobaryczne     184
      5.4.2 Współrzedne izentropowe     188
  6 Ruch zrównowazony     191
    6.1 Analiza skalowa. Przyblizenie geostroficzne i hydrostatyczne     191
    6.2 Wiatr geostroficzny     193
    6.3 Wiatr cyklostroficzny     194
    6.4 Ruch inercyjny     195
    6.5 Liczba Rossby’ego     196
    6.6 Wiatr gradientowy     198
    6.7 Wiatr w atmosferze tarciowej     201
    6.7.1 Model Ekmana     202
    6.8 Odchylenie ageostroficzne w atmosferze swobodnej     204
    6.9 Wiatr termiczny     205
    6.10 Twierdzenie Taylora-Proudmana     207
  7 Wirowość     209
    7.1 Równanie wirowosci     209
    7.2 Wirowosc potencjalna     216
    7.3 Twierdzenie Kelvina o cyrkulacji     222
    7.4 Twierdzenie Bjerknesa     223
    7.5 Model barotropowy     225
  8 Ruchy falowe     227
    8.1 Kinematyka ruchu falowego     228
    8.2 Fale dzwiekowe     234
      8.2.1 Bezposrednia eliminacja algebraiczna     236
      8.2.2 Metoda mnozników Lagrange’a     239
      8.2.3 Zwiazki dyspersyjne poprzez wyznacznik układu     240
    8.3 Fale grawitacyjne     240
      8.3.1 Oscylacje grawitacyjne     240
      8.3.2 Fale grawitacyjne     242
      8.3.3 Opór falowy     250
      8.3.4 Podsumowanie     253
  9 Analiza skalowa     254
    9.1 Skale zjawisk atmosferycznych     256
    9.2 Skale i wartosci charakterystyczne     256
    9.3 Równanie ruchu: liczby podobienstwa     258
    9.4 Stan odniesienia     259
    9.5 Linearyzacja i analiza równan zachowania     263
      9.5.1 Równanie stanu     264
      9.5.2 Równanie ruchu     265
      9.5.3 Równanie zachowania energii     267
      9.5.4 Równanie ciagłosci     269
    9.6 Przyblizenie hydrostatyczne     269
    9.7 Efekty scisliwosci i wyporu     272
      9.7.1 Skalowanie     273
      9.7.2 Przyblizenie nieelastyczne     275
      9.7.3 Przyblizenie Boussinesqa     283
      9.7.4 Przepływy niescisliwe     288
    9.8 Podsumowanie     293
  10 Analiza wymiarowa     295
    10.1 Niezaleznosc wymiarowa     297
    10.2 Twierdzenie Buckinghama     298
    10.3 Podobienstwo     301
    10.4 Podsumowanie     302
  11 Model płytkiej wody     303
    11.1 Konstrukcja modelu     303
    11.2 Bilans energii mechanicznej     305
    11.3 Wielkosci niezmiennicze     309
      11.3.1 Wysokosc wzgledna     309
      11.3.2 Wirowosc potencjalna Rossby’ego     310
    11.4 Mody własne     311
      11.4.1 Powierzchniowe fale grawitacyjne     312
      11.4.2 Oscylacje inercyjne     313
      11.4.3 Fale inercyjno-grawitacyjne     313
    11.5 Rozwiazania zagadnien brzegowych     314
    11.6 Adaptacja geostroficzna     318
      11.6.1 Promien deformacji Rossby’ego     318
      11.6.2 Przemiany energii w procesie adaptacji     324
      11.6.3 Adaptacja rozkładu masy i pola predkosci     327
    11.7 Przepływ strefowy w płaszczyznie     328
  12 Teoria quasi-geostroficzna     330
    12.1 Quasi-geostroficzny model płytkiej wody     332
    12.2 Wirowosc quasi-geostroficzna     336
    12.3 Fale Rossby’ego     339
    12.4 Atmosfera o zmiennej gestosci     342
      12.4.1 Oscylacje pionowe     343
      12.4.2 Zarys przyblizenia     343
      12.4.3 Przyblizenie quasi-geostroficzne     349
      12.4.4 Quasi-geostroficzna wirowosc potencjalna     351
    12.5 Podsumowanie     355
  13 Niestabilnosci w przepływach geofizycznych     357
    13.1 Niestabilnosc barotropowa     358
      13.1.1 Niestabilnosc Kelvina-Helmholtza     358
      13.1.2 Warunek konieczny niestabilnosci Rayleigha     360
      13.1.3 Niestabilnosc w strefie scinania     365
    13.2 Niestabilnosc baroklinowa     370
    13.3 Stabilnosc przepływów ze scinaniem     376
      13.3.1 Podsumowanie     381
  14 Cyrkulacja atmosferyczna     382
    14.1 Ogólna cyrkulacja atmosfery     382
    14.2 Cyklony umiarkowanych szerokosci geograficznych     384
    14.3 Wiatry lokalne     391
      14.3.1 Cyrkulacje bryzowe     391
      14.3.2 Wiatry lokalne nad nachylonym podłozem     393
      14.3.3 Przepływy w terenie urzezbionym     396
  15 Warstwa graniczna     402
    15.1 Usrednianie i filtracja     406
    15.2 Równania usrednione     411
    15.3 Strumienie turbulencyjne     412
    15.4 Kinetyczna energia turbulencji     415
      15.4.1 Bilans energii kinetycznej przepływu sredniego     415
      15.4.2 Bilans energii kinetycznej turbulencji     416
    15.5 Przestrzenne skale turbulencji     420
    15.6 Hipoteza Boussinesqa     428
    15.7 Warstwa przyziemna     430
      15.7.1 Zwiazki przy równowadze obojetnej     431
      15.7.2 Szorstkosc aerodynamiczna     432
      15.7.3 Skala długosci Obuchowa     432
      15.7.4 Teoria podobienstwa warstwy przyziemnej     434
    15.8 Potencjalna energia turbulencji     447
    15.9 Domykanie równan Reynoldsa     450
      15.9.1 Modele pierwszego rzedu     451
      15.9.2 Modele z wyzszym rzedem zamykania     451
    15.10 Efekty wypornosciowe pary wodnej     468
    15.11 GWA nad niejednorodnym podłozem     469
    15.12 Dobowy cykl GWA     469
    15.13 Konwekcyjna warstwa graniczna     472
    15.14 Stabilna warstwa graniczna     477
  16 Zakonczenie     490
  A Rachunek wektorowy     493
    A.1 Tozsamosci rachunku wektorowego     493
    A.2 Kartezjanski układ współrzednych     495
  B Tozsamosci trygonometryczne     496
  C Liczby zespolone     497
  D Szeregi Fouriera     499
  E Równania rózniczkowe zwyczajne     502
  F Numeryczny model GWA     506
    F.1 Równania transportu     506
    F.2 Siatka modelu     506
    F.3 Transformacja współrzednej pionowej     507
    F.4 Metoda numeryczna     508
  Bibliografia     512
  Indeks     532
  • Titel: Podstawy dynamiki atmosfery
  • Autor: Lech Łobocki
  • ISBN: 978-83-7814-851-7, 9788378148517
  • Veröffentlichungsdatum: 2020-08-27
  • Format: E-book
  • Artikelkennung: e_1qge
  • Verleger: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej