Suite

9 : Tourbillon - Géosciences


Avant la discussion sur les courants océaniques, il y a un autre concept clé qui doit être introduit : la vorticité. Essentiellement, le tourbillon est le même que la rotation dans un plan horizontal. Mathématiquement, le tourbillon (zeta) est défini comme :

[zeta=dfrac{dv}{dx}-dfrac{du}{dy} label{8.1}]

Ce qui est aussi juste la boucle de vitesse.

[zeta=vec{∇⃗} imes vec{v}]

Un tourbillon positif signifie que le fluide tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, tandis qu'un tourbillon négatif implique une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre. En utilisant les équations d'équilibre de quantité de mouvement horizontale ((1.2a)) et ((1.2b)) de la section 1, une équation de vorticité peut être construite, décrivant le développement temporel de la vorticité d'une parcelle de fluide. Sous l'hypothèse que la densité du fluide est constante, cette équation devient :

[dfrac{dzeta}{dt}=dfrac{dleft(dfrac{dv}{dt} ight)}{dx}-dfrac{dleft(dfrac{du}{dt } ight)}{dy}= -fleft(dfrac{du}{dx}+dfrac{dv}{dy} ight)-eta v+K_h left(dfrac{d^2 zeta}{dx^2}+dfrac{d^2zeta}{dy^2} ight)+K_vdfrac{d^2zeta}{dz^2} label{8.2} ]

avec (eta=dfrac{df}{dy}). Les termes du côté droit de l'équation peuvent être interprétés comme suit : (-fleft(dfrac{du}{dx}+dfrac{dv}{dy} ight)) dit que la divergence horizontale ou la convergence de l'écoulement entraîne une rotation due à la force de Coriolis ; (eta v) est ce qu'on appelle l'effet (eta) : lorsqu'une parcelle se déplace dans la direction méridienne (nord-sud), elle a tendance à tourner, car la force de Coriolis est plus forte d'un côté du colis que de l'autre côté ; les autres termes indiquent simplement une diffusion turbulente du tourbillon.


Dynamique atmosphérique de l'échelle synoptique à l'échelle locale lors d'une intense tempête de poussière frontale sur le bassin du Sistan à l'hiver 2019

20 ms &moins1 ) associée à l'intrusion d'un front froid depuis les hautes latitudes. Le creux de tourbillon potentiel (PV) d'altitude a évolué en un minimum de coupure dans la moyenne et la haute troposphère et a déclenché des conditions météorologiques instables sur l'Afghanistan et le nord du Pakistan. À la surface, des courants de densité émanant de nuages ​​convectifs profonds et renforcés par les vents descendants des montagnes, ont provoqué une érosion massive des sols. Le passage du front froid a réduit la température de

10 °C et augmenté la pression atmosphérique de

10 hPa, alors que la visibilité était limitée à moins de 200 m. La topographie accidentée a joué un rôle majeur dans la modulation de la dynamique atmosphérique, du champ de vent, des émissions de poussière et des voies de transport. Le modèle méso-NH simule de grandes quantités de charge de poussière de masse colonnaire (> 20 g m & moins2 ) sur Sistan, tandis que le panache de poussière intense se déplaçait principalement en dessous de 2 km et augmentait la matière particulaire (PM10) concentrations jusqu'à 1800 µg m &moins3 chez Zabol. La tempête de poussière se déplaçait initialement dans un chemin en forme d'arc au-dessus du bassin du Sistan, puis elle s'est propagée. Des panaches de poussière couvraient une vaste zone du sud-ouest de l'Asie, atteignant le nord de la mer d'Arabie et le désert du Thar un à deux jours plus tard, alors qu'ils affectaient fortement les propriétés des aérosols à Karachi, au Pakistan, en augmentant la profondeur optique des aérosols (AOD > 1.2) et la fraction de mode grossier à


Les caractéristiques de la structure, de la déformation et du tourbillon cinématique de la zone de faille de détachement de Wulian, péninsule du Shandong, Chine

En tant que l'une des unités tectoniques vitales du complexe de noyau métamorphique de Wulian (MCC), la zone de faille de détachement de Wulian (WDFZ), qui s'est développée dans la péninsule de Jiaodong, sépare la plaque inférieure des roches métamorphiques à ultrahaute pression (UHP) dans ceinture de la plaque supérieure du bassin du Crétacé inférieur de Zhucheng et du sous-sol du bassin. La zone de faille est généralement orientée NNE avec un pendage à l'ouest le long de la partie sud du MCC et s'étend au NE avec un pendage à l'WNW le long de la partie nord. La zone de faille présente une extension en forme de tuile ondulée sur le plan, principalement composée de brèches de faille et de mylonite et transite vers le bas vers le gneiss mylonitique. Dans l'ensemble, la zone de faille de détachement montre une extension de haut en ouest ou une extension WNW. En calculant la moyenne harmonique, on obtient un indice de Flynn K de 0,98 à 2,0, et la valeur moyenne est d'environ 1,35 dans la zone de faille. D'après la construction polaire de Mohr, le clivage de crénulation extensionnel, le RS/θ, et le quartz C-méthodes du tissu axial, nous acquérons des valeurs moyennes de vorticité cinématique de 0,64-0,97, 0,76-0,93, 0,6-0,92 et 0,63-0,98 avec des valeurs moyennes de 0,83, 0,80, 0,78 et 0,86, respectivement, pour la mylonite et la promylonite. Les résultats des mesures de déformation et les valeurs de vorticité cinématique indiquent que la WDFZ est une zone de cisaillement ductile normale développée dans le cadre d'extension. La piste cinématique montre que la valeur de la vorticité cinématique diminue progressivement du NW au SE dans son ensemble. Un cisaillement simple domine dans les parties médiane et supérieure de la zone de cisaillement, ce qui se traduit par une valeur de vorticité plus élevée (>0,75, jusqu'à 0,98), un faible taux d'amincissement et un K valeur. En revanche, vers le mur, le cisaillement pur est augmenté de manière significative, montrant une valeur de vorticité inférieure (<0,70, faible à 0,64), un taux d'éclaircissage relativement élevé et un K valeur. Combiné au contexte géotectonique, le développement et l'évolution de la WDFZ devraient répondre à l'amincissement de la lithosphérique et à la destruction du craton de Chine du Nord (NCC). En conséquence, la WDFZ peut être définie comme une zone de cisaillement normal amincissante développée dans le cadre tectonique d'extension et le résultat combiné du cisaillement simple causé par l'extension de la croûte et le cisaillement pur entraîné par le soulèvement rapide de la paroi inférieure et l'upwelling magmatique.


3.3 Variations dues à des méthodes de calcul différentes

La PV est un produit couramment fourni dans les ensembles de données de réanalyse, mais principalement sur un ensemble limité de niveaux isentropiques et/ou isobares. Comme mentionné dans la Sect. 2, seul MERRA-2 fournit la PV au niveau du modèle, tandis que CFSR/CFSv2 fournit le tourbillon relatif et ERA-Interim fournit le tourbillon absolu. Pour aider à comprendre dans quelle mesure la méthode utilisée pour calculer le PV peut affecter les différences entre les réanalyses, la figure 5 montre les différences climatologiques entre le sPV basé sur les vents, la pression et la température et le sPV basé sur le tourbillon fourni par chaque réanalyse.

Figure 5Les différences entre le sPV de chaque réanalyse ont fourni le tourbillon ou le PV et le sPV calculé à partir des champs horizontaux de vent, de pression et de température de cette réanalyse. Les contours superposés montrent la climatologie de chaque réanalyse en fonction du tourbillon fourni par les réanalyses.

Cette analyse indique que les différences résultant des différentes méthodes de calcul de PV sont considérablement plus faibles que les différences trouvées entre le REM et les champs de réanalyse : la plage de la barre de couleur sur cette figure est 10 fois plus petite que celle utilisée dans la figure 3. Pour la plupart, les différences résultant du calcul différent de PV sont comprises entre 0,01 × 10 - 4 s −1 , et dans les pires cas seul jusqu'à 0,1 × 10 - 4 s -1 (c'est-à-dire que la différence entre le calcul de la PV de différentes manières pour une seule réanalyse n'est que jusqu'à 10 % de la différence de la PV de cette réanalyse par rapport au REM). Les différences quotidiennes RMS résultant des différentes méthodes de calcul de PV sont également faibles (voir Fig. A2), pas plus grandes que 0,3 × 10 - 4 s −1 et généralement meilleures que 0,05 × 10 - 4 s −1 .

Bien que ces différences résultant des différentes méthodes de calcul de PV soient faibles, de telles différences peuvent être pertinentes pour de nombreuses études : par exemple, la force du vortex polaire est souvent évaluée à l'aide de gradients PV le long de son bord (voir la section 4.3 ci-dessous), où le les plus grandes différences sont observées en hiver sur la figure 5. De plus, PV est souvent utilisé comme une partie des critères de coïncidence, pour lesquels de petites différences peuvent faire la différence en comparant une parcelle d'air qui était à l'intérieur du bord du vortex avec une qui était à l'extérieur, ou celui qui était dans la troposphère à un dans la stratosphère. En outre, il a déjà été démontré que de nombreuses études sont affectées négativement par l'utilisation de produits de grille de niveau de pression plus grossiers par rapport à ceux des niveaux de modèles natifs, par exemple, pour les études de la haute troposphère et de la basse stratosphère (UTLS) (par exemple, Manney et al. , 2017 Tegtmeier et al., 2020) . Il serait donc utile que les centres de réanalyse fournissent des PV au niveau des modèles dans les futurs produits de réanalyse. Pour les réanalyses actuelles, il serait utile que les utilisateurs effectuent leur analyse en utilisant la PV dérivée aux niveaux du modèle (par opposition à l'utilisation de la PV fournie à des niveaux discrets) pour les situations où ces analyses peuvent être sensibles aux valeurs exactes de la PV ou de ses gradients. .

Figure 6Moyenne climatologique saisonnière REM de latitude équivalente et écart type pour différentes saisons (deux colonnes de gauche). Différence de latitude équivalente entre chaque réanalyse et le REM (colonnes de droite). Les contours superposés montrent la climatologie respective de chaque champ de réanalyse.


9 : Tourbillon - Géosciences

Tous les articles publiés par MDPI sont rendus immédiatement disponibles dans le monde entier sous une licence en libre accès. Aucune autorisation particulière n'est requise pour réutiliser tout ou partie de l'article publié par MDPI, y compris les figures et les tableaux. Pour les articles publiés sous licence Creative Common CC BY en accès libre, toute partie de l'article peut être réutilisée sans autorisation à condition que l'article original soit clairement cité.

Les articles de fond représentent la recherche la plus avancée avec un potentiel important d'impact élevé dans le domaine. Les articles de fond sont soumis sur invitation individuelle ou sur recommandation des éditeurs scientifiques et font l'objet d'un examen par les pairs avant leur publication.

L'article de fond peut être soit un article de recherche original, une nouvelle étude de recherche substantielle qui implique souvent plusieurs techniques ou approches, ou un article de synthèse complet avec des mises à jour concises et précises sur les derniers progrès dans le domaine qui passe systématiquement en revue les avancées les plus passionnantes dans le domaine scientifique. Littérature. Ce type d'article donne un aperçu des orientations futures de la recherche ou des applications possibles.

Les articles du Choix de l'éditeur sont basés sur les recommandations des éditeurs scientifiques des revues MDPI du monde entier. Les rédacteurs en chef sélectionnent un petit nombre d'articles récemment publiés dans la revue qui, selon eux, seront particulièrement intéressants pour les auteurs ou importants dans ce domaine. L'objectif est de fournir un aperçu de certains des travaux les plus passionnants publiés dans les différents domaines de recherche de la revue.


Dynamique des fluides computationnelle

15.1.2 Solution basée sur la méthode lagrangienne

Cette solution est une méthode pour décrire le mouvement des particules fluides se déplaçant avec le temps et tente d'approcher un tourbillon et une vitesse continus de l'écoulement avec les éléments discrets, tels qu'un nombre fini de très petits tourbillons et de particules fluides à la place de grilles spatiales. Comme techniques représentatives de cette méthode, la méthode du vortex et la méthode des particules ont été utilisées.

Méthode Vortex

Une distribution de vorticité continue du champ d'écoulement est représentée discrètement par un certain nombre d'éléments de vortex très petits, et l'équation de transport de vorticité est résolue numériquement. Suivre le mouvement des éléments de vortex transportés avec l'écoulement et surveiller le changement de vorticité de chaque élément de vortex à chaque instant fournit une méthode pour résoudre analytiquement l'écoulement instable.

Méthode des particules

L'analyse du champ d'écoulement est effectuée en suivant le mouvement de la masse de fluide virtuel au lagrangien. Dans la méthode particulaire, l'équation aux dérivées partielles est discrétisée sans utiliser de grille. Les particules dans la méthode des particules ne sont pas destinées à être des entités physiques mais sont des points de calcul qui se déplacent avec le flux. Ils sont introduits à la place des points de grille pour le calcul fluide. Par conséquent, une frontière mobile, telle que la surface libre, peut être suivie directement par le mouvement des particules.


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Tourbillon

À moins que vous ne modélisiez la dynamique des fluides, il n'est probablement pas si important d'y penser trop. Nous n'avons pas de moyen complet de mesurer le tourbillon à l'échelle miso, et nous avons toujours une certaine quantité des deux présentes. Donc, pour nous tous, météorologues non PHD, l'utilisation de l'hélicité relative à la tempête dérivée d'un modèle (une mesure de la vorticité dans le sens du courant) est assez bonne. Quantité d'instabilité, limites d'écoulement, interactions avec d'autres tempêtes, toutes sortes de choses peuvent affecter la tempête. Personnellement, je trouve qu'il est plus facile de classer les valeurs d'hélicité et le risque de tornade dans les catégories suivantes, tout en laissant une certaine marge de manœuvre à "la météo qui fait des choses météorologiques qui nous surprennent" et à l'incapacité de rendre compte avec précision des processus à misoéchelle :

edit: valeurs approximatives du haut de ma tête. Vous voudrez peut-être utiliser d'autres valeurs et n'oubliez jamais que les tempêtes ne suivent pas les règles créées par l'homme

1) Très peu probable (<50)
2) Possible (75-150)
3) Tornades probables (150-250)
4) Fortes tornades probables (250-400)
5) Trop de cisaillement, cas de bord fous (400+)

Jeff Snyder

Comme indiqué, la vorticité horizontale peut être décomposée en composantes longitudinales et transversales. Considérez la composante fluviale comme celle qui est alignée avec le vecteur de vent relatif à la tempête car les parcelles d'air suivant le vent relatif à la tempête sont tournées vers le haut dans le courant ascendant, il existe une corrélation positive entre l'emplacement du courant ascendant et l'emplacement du tourbillon vertical max (c'est-à-dire qu'il y a essentiellement un mésocyclone). Si l'écoulement est tel qu'il n'y a qu'un tourbillon transversal, les extrema de vitesse verticale sont disloqués des extrema de tourbillon vertical. Comme nous nous intéressons souvent aux mésocyclones, nous nous intéressons surtout à la vorticité dans le sens de l'écoulement. La rotation du vecteur vent relatif à la tempête avec la hauteur affecte directement le tourbillon dans le sens du cours d'eau. Si le profil de cisaillement vertical est unidirectionnel (ce qui n'exige PAS que le profil du vent soit unidirectionnel - un beau profil de vent virant peut toujours produire un hodographe en ligne droite et un cisaillement non directionnel), il n'y a pas de tourbillon dans le sens du courant à moins que/jusqu'à ce que le mouvement de la tempête s'écarte l'hodographe, ce qui entraînera alors un retournement du vecteur vent relatif à la tempête avec la hauteur et indiquera ainsi une certaine vorticité dans le sens du cours d'eau.

Comme Rob H l'a noté, au lieu de s'inquiéter du tourbillon dans le sens du courant par rapport au tourbillon transversal, utilisez l'hélicité relative à la tempête - la SRH est une mesure du tourbillon dans le sens du courant disponible pour être "estimé" dans une tempête. Selon l'hodographe, la SRH peut être extrêmement sensible au mouvement de la tempête, ce qui peut être difficile à prévoir avec une grande certitude, car le mouvement d'une tempête convective peut être très sensible aux processus non linéaires à l'échelle de la tempête qui sont pratiquement impossibles à prévoir. .

Edit : Ce fil -- Aide de vorticité -- de l'époque peut être utile !

James Caruso

Jeff Snyder

Dans l'image ci-dessus, les vents sont du sud-est à la surface et virent au sud-ouest en altitude. En règle générale, les vitesses du vent devraient diminuer de la sfc jusqu'à une certaine hauteur (la hauteur à laquelle l'hodographe est le plus proche de l'origine), puis augmenter au-dessus de cette hauteur.


Une étude comparative de la structure de la vitesse et de la vorticité dans les tuyaux et les couches limites aux nombres de Reynolds de frottement jusqu'à $10^$

Cette étude présente les résultats d'une campagne de mesure unique en son genre qui comprend des mesures simultanées des vecteurs de vitesse et de vorticité complets dans les écoulements de canalisation et de couche limite dans des conditions de résolution spatiale et de nombre de Reynolds adaptées. La comparaison des écoulements turbulents canoniques offre un aperçu du ou des rôles joués par des caractéristiques uniques à l'une ou à l'autre. Les écoulements dans les canalisations et dans la couche limite à gradient de pression zéro sont souvent comparés dans le but d'élucider les rôles de la géométrie et d'une condition aux limites libres sur les écoulements à paroi turbulente. Les efforts expérimentaux antérieurs à cette fin se sont concentrés principalement sur la composante de vitesse dans le sens du courant, tandis que les simulations numériques directes sont à des nombres de Reynolds relativement faibles. En revanche, cette étude présente des mesures expérimentales des trois composantes de la vitesse et du tourbillon pour les nombres de Reynolds de frottement $Re_>$ allant de 5000 à 10 000. Des différences dans les deux contraintes transversales normales de Reynolds existent dans toute la couche logarithmique et la couche de sillage à des nombres de Reynolds qui dépassent ceux des ensembles de données numériques existants. Les profils d'enstrophie turbulente montrent également des différences s'étendant du bord extérieur de la couche de diagraphie à la limite extérieure de l'écoulement. Les profils d'asymétrie et d'aplatissement des composantes de vitesse et de vorticité impliquent l'existence d'un « noyau au repos » dans l'écoulement du tuyau, comme décrit par Kwon et al. ( J. Fluid Mech. , vol. 751, 2014, pp. 228-254) pour le débit du canal à un niveau inférieur de $Re_>$ , et caractériser l'étendue de son influence dans la conduite. Les différences observées entre les profils statistiques de vitesse et de vorticité sont ensuite discutées dans le contexte d'une différence structurelle entre l'intermittence de l'écoulement libre dans la couche limite et l'intermittence du «noyau de repos» dans le tuyau qui est détectable à des distances de paroi aussi petites que 5 % de la épaisseur de couche.


Voir la vidéo: 9. Vorticity 1 of 2 (Octobre 2021).