The focus of this thesis is the effect of planetary curvature on the heat transfer efficiencyaccross latitudes in planetary atmospheres and oceans. We investigate both theoreticallyand numerically a physically-based parametrization of baroclinic turbulence inthe Boussinesq Eady model to include variations of the Coriolis parameter with latitude.In this model, a rapidly rotating density-stratified fluid is subjected to a meridional temperaturegradient in thermal wind balance with a uniform vertically sheared zonal flowand the effect of planetary curvature is captured by the parameter β.A normal mode projection of the Eady model with β was inconclusive to properlydescribe meridional heat transfers and the zonal structures usually observed in planetaryflows. However, the DNS solver CORAL allows us to perform 3D high-Reynolds numericalsimulations to seek an extension of the ’vortex-gas’ scaling theory for baroclinic turbulence.Planetary curvature reduces heat transfer between latitudes through the emergenceof coherent zonal structures while the flow remain mainly quasi-geostrophic. The meridionalbuoyancy flux displays the same functional dependence on the control parametersthan for the two-layer model within the framework of quasi-geostrophy.With similar arguments than for the Eady problem, it is shown that in a perturbativefashion for small β, the vertical profiles of meridional buoyancy flux are no longer depthinvariant.The flux decreases at least exponentially with height. The buoyancy transportis shown to be along mean isopycnals, whereas potential vorticity is transported onlyalong instantaneous isopycnals. Overall, the vortex-gas theory and its extension to theβ-plane lead to good predictions for heat transfer in the quasi-geostrophy limit for 3Dflows and weak β. The theory becomes less precise as we increase β. / Fokus för denna avhandling är effekten av planetarisk krökning på värmeöverföringseffektivitetenöver breddgrader i planetariska atmosfärer och hav. Vi undersöker båda teoretisktoch numeriskt en fysiskt baserad parametrisering av baroklinisk turbulens iBoussinesq Eady-modellen för att inkludera variationer av Coriolis-parametern med latitud.I denna modell utsätts en snabbt roterande densitetsskiktad vätska för en meridional temperaturgradient i termisk vindbalans med ett jämnt vertikalt klippt zonflödeoch effekten av planetarisk krökning fångas av parametern β.En normallägesprojektion av Eady-modellen med β var inte övertygande till korrektbeskriv meridionala värmeöverföringar och de zonstrukturer som vanligtvis observeras i planetariskaflöden. DNS-lösaren CORAL tillåter oss dock att utföra 3D high-Reynolds numeriskasimuleringar för att söka en förlängning av skalningsteorin för 'virvelgas' för baroklinisk turbulens.Planetarisk krökning minskar värmeöverföringen mellan breddgrader genom uppkomstenav koherenta zonstrukturer medan flödet förblir huvudsakligen kvasi-geostrofiskt. Meridionalenflytkraftsflöde visar samma funktionella beroende av styrparametrarnaän för tvåskiktsmodellen inom ramen för kvasi-geostrofi.Med liknande argument än för Eady-problemet visas det i ett störandeFör små β är de vertikala profilerna för meridional flytkraft inte längre djupvarianta.Fluxet minskar åtminstone exponentiellt med höjden. Flyttransportenhar visat sig vara längs genomsnittliga isopycnals, medan potentiell vorticitet endast transporteraslängs momentana isopycnals. Sammantaget, vortex-gasteorin och dess utvidgning tillβ-plan leder till goda förutsägelser för värmeöverföring i kvasi-geostrofigränsen för 3Dflyter och svagt β. Teorin blir mindre exakt när vi ökar β.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-309197 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Meunier, Julie |
| Publisher | KTH, Strömningsmekanik och Teknisk Akustik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2021:375 |
Page generated in 0.0121 seconds