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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.14.2014.tde-15092021-094004
Document
Author
Full name
André Seiji Wakate Teruya
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2014
Supervisor
Committee
Raupp, Carlos Frederico Mendonça (President)
Bonatti, Jose Paulo
Dias, Pedro Leite da Silva
Title in Portuguese
Energética dos modos normais da dinâmica atmosférica não-hidrostática
Keywords in Portuguese
interações não-lineares
modelos não-hidrostáticos
Modos normais
ondas acústicas
ondas de gravidade
Abstract in Portuguese
O presente trabalho analisou a energética linear e fracamente não-linear dos modos normais de um modelo atmosférico global, baroclínico, compressível, não-hidrostático e incluindo a geometria esférica da Terra. Os modos normais correspondem às soluções de ondas lineares livres das equações governantes do modelo em questão na presença de um estado básico em repouso e em equilíbrio hidrostático. No entanto, para simplificar a análise matemática, considerou-se ainda um estado básico isotérmico. Esses modos foram determinados, seguindo o procedimento descrito no artigo de \cite. Em seguida,foi computada a energia total bem como cada uma de suas componentes para os modos acústico-inerciais e de gravidade-inerciais e analisada a variação dessas energias com o número de onda zonal. Da energética dos modos, foi possível concluir que os efeitos não-hidrostáticos são mais acentuados nos modos gravito-inerciais mais curtos. Além disso, foi mostrado que a energia dos modos acústico-inerciais está concentrada nas energias do tipo elástica e cinética vertical. Entretanto, a energia cinética vertical diminui, enquanto a energia elástica aumenta com o aumento do número de onda zonal. Para aprofundar o estudo sobre a dinâmica dos modos normais do modelo em questão, realizou-se o estudo das interações fracamente não-lineares permitidas pelo modelo. Mais especificamente, foram analisadas as trocas de energia de um tripleto ressonante composto por dois modos acústico-inerciais e um modo gravito-inercial. Em experimentos numéricos foi possível mostrar que mesmo os modos de altíssima frequência (com períodos de oscilação temporal de aproximadamente $15$ segundos) podem realizar trocas significativas de energia cujo período de oscilação característico pode variar de algumas horas até um período de aproximadamente vinte dias. Além disso, mostrou-se que essas trocas de energia modulam as perturbações dos campos de vento e pressão.
Title in English
Energetics of Glocal Nonhydrostatic Normal Modes
Keywords in English
acoustic waves
gravity waves
nonhydrostatic model
nonlinear interactions
normal modes
Abstract in English
In the present monograph the linear and weakly nonlinear energetics of the normal modes of a nonhydrostatic, compressible, and baroclinic global atmospheric model was analized. The normal modes are the linear free wave solutions of a dynamical system linearized around a basic state that is hydrostatic and at rest. Nevertheless, it was assumed an isothermal basic state, so the mathematical treatment of the problem becomes less cumbersome. The eigenfunctions of this set of linearized equations are obtained by the method proposed by \cite{kasahara2000}. Then the total energy associated with the perturbations and its components are derived from the governing equations in their Eulerian representation. Next, the functional relation between these energies and the zonal wavenumber of the inertia-gravity and acoustic-inertia modes is analyzed. From the normal mode's energetics it is shown that the nonhydrostatic effects are more apparent on the shorter inertia-gravity modes. It is also shown that the vertical kinetic energy and the elastic energy of the acoustic-inertia modes are the dominant kind of energy of these modes. Although as the zonal wavenumber becomes bigger, the importance of the elastic energy grows and the vertical kinetic energy becomes less significant.
 
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Publishing Date
2021-09-22
 
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