浅水方程式を解く:慣性重力波:地衡流:ケルビン波
$ H: 水深
$ \frac{du}{dt}-fv=-g\frac{\partial\eta}{\partial x}, \qquad \frac{du}{dt}+fu=-g\frac{\partial\eta}{\partial y}
$ \frac{\partial \eta}{\partial t}+\frac{\partial}{\partial x}((H+\eta)u)+\frac{\partial}{\partial y}((H+\eta)v)=0
つまり、非線形項を無視した形にして
u, v, ηは十分に小さいものとしているので,u^2は無視できる,としている
$ \tag{1} \frac{\partial u}{\partial x}-fv=-g\frac{\partial\eta}{\partial x}
$ \tag{2} \frac{\partial v}{\partial t}+fu=-g\frac{\partial\eta}{\partial y}
$ \tag{3} \frac{\partial \eta}{\partial t}+\frac{\partial}{\partial x}(Hu)+\frac{\partial}{\partial y}(Hv)=0
ここで、$ f, Hが空間的に一様であるとし(f平面近似)、 $ \tag{4} \frac{\partial}{\partial x}(2)-\frac{\partial}{\partial y}(1) \rightarrow f\left(\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial x}\right)=-\frac{\partial}{\partial t}\left(\frac{\partial v}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial x}\right)
$ \tag{5} \frac{\partial}{\partial t}\left(\frac{\partial}{\partial x}(1)+\frac{\partial}{\partial y}(2)\right) \rightarrow \frac{\partial^2}{\partial t^2}\left(\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y}\right)-f\frac{\partial}{\partial t}\left(\frac{\partial v}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial y}\right)+g\frac{\partial}{\partial t}\left(\frac{\partial^2 \eta}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 \eta}{\partial y^2}\right)=0
(5)に(4)を代入し,
$ \tag{6} \left(\frac{\partial^2}{\partial t^2}+f^2\right)\left(\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y}\right)+g\frac{\partial}{\partial t}\left(\frac{\partial^2 \eta}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 \eta}{\partial y^2}\right)=0
ここで,(3)式は$ H=\mathrm{const}にしたがって,
$ -\frac{1}{H}\frac{\partial \eta}{\partial t}= \frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y}
これを6式に代入することで,次の波動方程式(7)を得る.
$ \tag{7} \frac{\partial}{\partial t}\left(\left(\frac{\partial^2}{\partial t^2}+f^2 \right) \eta+gH \nabla_H^2 \eta\right)=0
ここで,波動解を複素数波で,
$ \eta=\eta_0 \exp(i(kx+ly-\sigma t+\phi))
と置く.
ただし,
$ iは虚数単位,
k, lはそれぞれx, y方向の波数で,$ \mathbf K=(k,l),
$ \sigmaは振動数,$ \phiは初期位相である.
(7)式に波動解を代入することで,
$ \tag{8} \sigma(\sigma^2-gH|\mathbf K|^2-f^2)=0
この解として,次の二つの分散関係式を得る.
$ \tag{9} \sigma=0
(9)式は定常であることを示す.つまり,
$ \frac{\partial}{\partial t}=0
$ \tag{10} \sigma=\pm \sqrt{gH|\mathbf K|^2+f^2}
ただし,波数が実数の時その最小値は$ fであって,これを慣性周期/惑星渦度という.
波数が虚数の時