Динамическая метеорология (стр. 4 )

Угол между осью декартовой системы координат и касательной к линии тока , отсчитываемый против вращения часовой стрелки, обозначим через (рис.5).

Рис. 5

Этот угол характеризует направление ветра и меняется от точки к точке и с течением времени . Кривизна линии тока выражается частной производной от по

(1.8.1)

Кривизна нормали к линии тока

(1.8.2)

Если линии тока или нормали к ним поворачивают влево при положительных приращениях аргументов, то угол увеличивается, и кривизна этих линий будет положительной или циклонической. Если же соответствующие кривые поворачивают вправо в направлении роста аргумента, то кривизна их будет отрицательной или антициклонической.

При положительной (циклонической) кривизне нормалей линии тока расходятся по течению (рис. 6а), а при отрицательной (антициклонической) кривизне нормалей линии тока сходятся по течению (рис. 6б).

Рис. 6

Кривизна траектории , т. е. поворот пути частицы, рассчитанный на единицу пройденного расстояния, определяется из выражения полной производной от угла по времени

откуда

(1.8.3)

Спроектируем вектор скорости на оси декартовой системы координат:

(1.8.4)

Дифференцируя соотношение (1.8.4) по и , находим:

Направим ось по касательной к линии тока , тогда будем иметь: .

Учитывая, что и , получим:

(1.8.5)

(1.8.6)

Пользуясь формулами (1.8.5) и (1.8.6), найдем выражение горизонтальной дивергенции скорости в натуральных координатах

Итак,

(1.8.7)

Из формулы (1.8.7) следует, что горизонтальная дивергенция скорости определяется двумя факторами: изменением модуля скорости вдоль линий тока и сходимостью или расходимостью линий тока.

Величина положительна при увеличении модуля скорости в направлении потока, отрицательна при уменьшении скорости и равна нулю, если скорость в направлении потока не меняется.

Величина положительна при расходимости линий тока, отрицательна при сходимости и равна нулю в случае параллельных линий тока.

Определим теперь выражение вертикальной составляющей вихря скорости в натуральной системе координат. В декартовых координатах выражается формулой

Заменяя производные и согласно формулам (1.8.5) и (1.8.6), получаем выражение для вертикальной составляющей вихря скорости в натуральных координатах

(1.8.8)

Отсюда следует, что вертикальная составляющая вихря скорости, с кинематической точки зрения, определяется кривизной линий тока (завихренностью воздушных потоков) и изменением модуля скорости ветра в направлении, перпендикулярном движению (в направлении нормалей к линиям тока).

Величина положительна при циклонической кривизне, отрицательна при антициклонической кривизне и обращается в нуль в случае прямолинейных линий тока.

Производная отрицательна, если скорость ветра растет вправо относительно направления потока, положительна при увеличении скорости ветра влево от направления движения и равна нулю, если скорость ветра поперек потока не меняется.

1.9. Вычисление дифференциальных характеристик полей метеорологических величин методом конечных разностей

Определение градиентов, лапласианов, дивергенции и вихря скорости сводится к вычислению производных по направлению координатных осей от данной скалярной величины или от составляющих вектора.

Так как измерения метеорологических величин производится в отдельных точках, то их аналитическая зависимость от координат неизвестна. Поэтому поля метеорологических величин обычно задаются графически при помощи карт распределения соответствующих величин или дискретно в узлах некоторой сетки. В связи с дискретным заданием метеорологических функций для нахождения производных используются методы численного дифференцирования. Искомая производная в данной точке поля, согласно теореме Лагранжа о конечных приращениях, заменяется отношением конечных разностей и вычисляется ее приближенное значение.

Рассмотрим метод центральных разностей, наиболее часто применяемый в практике приближенных вычислений.

Предположим, что задано двумерное поле величины в узлах некоторой регулярной сетки и требуется в некоторой точке 0 определить производные и .

Поместим в точку 0 начало системы координат и опишем около этой точки окружность радиуса . Точки пересечения окружности с осью обозначим цифрами 1 и 3, а с осью – цифрами 2 и 4. (рис.7).

Рис. 7

Тогда производные от по и в точке 0 приближенно можно определить как отношения конечных разностей вида:

(1.9.1)

Такие разности называются центральными в отличие от односторонних, выражаемых соотношениями вида . Нетрудно показать, что вычисление производных с помощью отношений центральных разностей является более точным, чем с помощью односторонних разностей. Действительно, заменим и их тейлоровскими разложениями:

Пользуясь этими разложениями, получим:

или:

то есть в первом случае мы имеем аппроксимацию производных со вторым порядком точности, а во втором – лишь с первым порядком. Поэтому в дальнейшем пространственные производные будем заменять отношением центральных разностей.

Горизонтальный градиент скалярной величины определится соотношением