The Influence of Cerebral Blood Flow and Carbon Dioxide on Neuromuscular Responses During Environmental Stress

Although reductions in cerebral blood flow (CBF) may be implicated in the development of central fatigue during environmental stress, the contribution from hypocapnia-induced reductions in CBF versus reductions in CBF per se has yet to be isolated. The current research program examined the influence of CBF, with and without consequent hypocapnia, on neuromuscular responses during hypoxia and passive heat stress. To this end, neuromuscular responses, as indicated by motor evoked potentials (MEP), maximal M-wave (Mmax) and cortical voluntary activation (cVA) of the flexor carpi radialis muscle during isometric wrist flexion, was assessed in three separate projects: 1) hypocapnia, independent of concomitant reductions in CBF; 2) altered CBF during severe hypoxia and; 3) thermal hyperpnea-mediated reductions in CBF, independent of hypocapnia. All projects employed a custom-built dynamic end-tidal forcing system to control end-tidal PCO2 (PETCO2), independent of the prevailing environmental conditions, and cyclooxygenase inhibition using indomethacin (Indomethacin, 1.2 mg·Kg-1) to selectively reduce CBF (estimated using transcranial Doppler ultrasound) without changes in PETCO2. A primary finding of the present research program is that the excitability of the corticospinal tract is inherently sensitive to changes in PaCO2, as demonstrated by a 12% increase in MEP amplitude in response to moderate hypocapnia. Conversely, CBF mediated reductions in cerebral O2 delivery appear to decrease corticospinal excitability, as indicated by a 51-64% and 4% decrease in MEP amplitude in response to hypoxia and passive heat stress, respectively. The collective evidence from this research program suggests that impaired voluntary activation is associated with reductions in CBF; however, it must be noted that changes in cVA were not linearly correlated with changes in CBF. Therefore, other factors independent of CBF, such as increased perception of effort, distress or discomfort, may have contributed to the reductions in cVA. Despite the functional association between reductions in CBF and hypocapnia, both variables have distinct and independent influence on the neuromuscular system. Therefore, future studies should control or acknowledge the separate mechanistic influence of these two factors.

L'élastographie ultrasonore dynamique vasculaire : une nouvelle modalité d'imagerie non-invasive pour la caractérisation mécanique de la thrombose veineuse

L’accident thromboembolique veineux, tel que la thrombose veineuse profonde (TVP) ou thrombophlébite des membres inférieurs, est une pathologie vasculaire caractérisée par la formation d’un caillot sanguin causant une obstruction partielle ou totale de la lumière sanguine. Les embolies pulmonaires sont une complication mortelle des TVP qui surviennent lorsque le caillot se détache, circule dans le sang et produit une obstruction de la ramification artérielle irriguant les poumons. La combinaison d’outils et de techniques d’imagerie cliniques tels que les règles de prédiction cliniques (signes et symptômes) et les tests sanguins (D-dimères) complémentés par un examen ultrasonographique veineux (test de compression, écho-Doppler), permet de diagnostiquer les premiers épisodes de TVP. Cependant, la performance de ces outils diagnostiques reste très faible pour la détection de TVP récurrentes. Afin de diriger le patient vers une thérapie optimale, la problématique n’est plus basée sur la détection de la thrombose mais plutôt sur l’évaluation de la maturité et de l’âge du thrombus, paramètres qui sont directement corrélées à ses propriétés mécaniques (e.g. élasticité, viscosité). L’élastographie dynamique (ED) a récemment été proposée comme une nouvelle modalité d’imagerie non-invasive capable de caractériser quantitativement les propriétés mécaniques de tissus. L’ED est basée sur l’analyse des paramètres acoustiques (i.e. vitesse, atténuation, pattern de distribution) d’ondes de cisaillement basses fréquences (10-7000 Hz) se propageant dans le milieu sondé. Ces ondes de cisaillement générées par vibration externe, ou par source interne à l’aide de la focalisation de faisceaux ultrasonores (force de radiation), sont mesurées par imagerie ultrasonore ultra-rapide ou par résonance magnétique. Une méthode basée sur l’ED adaptée à la caractérisation mécanique de thromboses veineuses permettrait de quantifier la sévérité de cette pathologie à des fins d’amélioration diagnostique. Cette thèse présente un ensemble de travaux reliés au développement et à la validation complète et rigoureuse d’une nouvelle technique d’imagerie non-invasive élastographique pour la mesure quantitative des propriétés mécaniques de thromboses veineuses. L’atteinte de cet objectif principal nécessite une première étape visant à améliorer les connaissances sur le comportement mécanique du caillot sanguin (sang coagulé) soumis à une sollicitation dynamique telle qu’en ED. Les modules de conservation (comportement élastique, G’) et de perte (comportement visqueux, G’’) en cisaillement de caillots sanguins porcins sont mesurés par ED lors de la cascade de coagulation (à 70 Hz), et après coagulation complète (entre 50 Hz et 160 Hz). Ces résultats constituent les toutes premières mesures du comportement dynamique de caillots sanguins dans une gamme fréquentielle aussi étendue. L’étape subséquente consiste à mettre en place un instrument innovant de référence (« gold standard »), appelé RheoSpectris, dédié à la mesure de la viscoélasticité hyper-fréquence (entre 10 Hz et 1000 Hz) des matériaux et biomatériaux. Cet outil est indispensable pour valider et calibrer toute nouvelle technique d’élastographie dynamique. Une étude comparative entre RheoSpectris et la rhéométrie classique est réalisée afin de valider des mesures faites sur différents matériaux (silicone, thermoplastique, biomatériaux, gel). L’excellente concordance entre les deux technologies permet de conclure que RheoSpectris est un instrument fiable pour la mesure mécanique à des fréquences difficilement accessibles par les outils actuels. Les bases théoriques d’une nouvelle modalité d’imagerie élastographique, nommée SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography »), sont présentées et validées sur des fantômes vasculaires. Cette approche permet de caractériser les propriétés mécaniques d’une inclusion confinée (e.g. caillot sanguin) à partir de sa résonance (amplification du déplacement) produite par la propagation d’ondes de cisaillement judicieusement orientées. SWIRE a également l’avantage d’amplifier l’amplitude de vibration à l’intérieur de l’hétérogénéité afin de faciliter sa détection et sa segmentation. Finalement, la méthode DVT-SWIRE (« Deep venous thrombosis – SWIRE ») est adaptée à la caractérisation de l’élasticité quantitative de thromboses veineuses pour une utilisation en clinique. Cette méthode exploite la première fréquence de résonance mesurée dans la thrombose lors de la propagation d’ondes de cisaillement planes (vibration d’une plaque externe) ou cylindriques (simulation de la force de radiation par génération supersonique). DVT-SWIRE est appliquée sur des fantômes simulant une TVP et les résultats sont comparés à ceux donnés par l’instrument de référence RheoSpectris. Cette méthode est également utilisée avec succès dans une étude ex vivo pour l’évaluation de l’élasticité de thromboses porcines explantées après avoir été induites in vivo par chirurgie.

Évaluation de l’effet des vagues de bateau sur les conditions hydrauliques près des berges en milieu fluvial

Les vagues de bateau ajoutent une pression supplémentaire sur les berges de rivières et doivent être considérées dans les modèles de prédiction des taux de recul des berges. L’objectif de cette étude est d’examiner le rôle des vagues de bateau sur l’écoulement et le transport en suspension le long des berges en milieu fluvial. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons un transect perpendiculaire à la berge de quatre courantomètres électromagnétiques (ECMs) mesurant deux dimensions de l’écoulement et deux turbidimètres (OBSs) placés dos à dos, orientés vers la berge et le large pour mesurer les conditions moyennes et turbulentes de l’écoulement longitudinal et vertical ainsi que les flux de sédiments en suspension provoqués par les vagues. Une chaloupe à moteur de 16 pieds, équipée d’un moteur 40 hp, a été utilisée afin de générer des vagues. Nous avons mesuré l’effet de trois distances à partir de la berge (5, 10, 15 m) et trois vitesses de bateau (5, 15 et 25 km/h) et cinq répliques de chaque combinaison de distance et de vitesse ont été réalisées, totalisant 45 passages. Nous avons caractérisé la variabilité des conditions d’écoulement, de vagues et de transport de sédiments et nous avons réalisé des analyses spectrales afin de séparer les portions oscillatoire et turbulente de l’écoulement généré par les vagues de bateau. L’effet de la distance et de la vitesse du bateau sur le transport de sédiments est non-linéaire et la réponse sédimentaire induite par les passages de bateau montre une variabilité importante entre les répliques et les deux sondes OBS, ce qui suggère un changement morphologique induit par les vagues de bateau. Les corrélations entre les variables d’écoulement et de transport montrent l’importance des relations entre le cisaillement et la puissance de la portion turbulente de l’écoulement avec le transport de sédiments. Cette étude a permis de quantifier les relations entre la dynamique des vagues et les flux de concentrations de sédiments en suspension, ce qui représente une contribution importante au développement de mesures de mitigation dans les environnements fluviaux où les berges sont fragilisées par le trafic plaisancier.

Quantitative ultrasound imaging during shear wave propagation for application related to breast cancer diagnosis

Dans le contexte de la caractérisation des tissus mammaires, on peut se demander ce que l’examen d’un attribut en échographie quantitative (« quantitative ultrasound » - QUS) d’un milieu diffusant (tel un tissu biologique mou) pendant la propagation d’une onde de cisaillement ajoute à son pouvoir discriminant. Ce travail présente une étude du comportement variable temporel de trois paramètres statistiques (l’intensité moyenne, le paramètre de structure et le paramètre de regroupement des diffuseurs) d’un modèle général pour l’enveloppe écho de l’onde ultrasonore rétrodiffusée (c.-à-d., la K-distribution homodyne) sous la propagation des ondes de cisaillement. Des ondes de cisaillement transitoires ont été générés en utilisant la mèthode d’ imagerie de cisaillement supersonique ( «supersonic shear imaging » - SSI) dans trois fantômes in-vitro macroscopiquement homogènes imitant le sein avec des propriétés mécaniques différentes, et deux fantômes ex-vivo hétérogénes avec tumeurs de souris incluses dans un milieu environnant d’agargélatine. Une comparaison de l’étendue des trois paramètres de la K-distribution homodyne avec et sans propagation d’ondes de cisaillement a montré que les paramètres étaient significativement (p < 0,001) affectès par la propagation d’ondes de cisaillement dans les expériences in-vitro et ex-vivo. Les résultats ont également démontré que la plage dynamique des paramétres statistiques au cours de la propagation des ondes de cisaillement peut aider à discriminer (avec p < 0,001) les trois fantômes homogènes in-vitro les uns des autres, ainsi que les tumeurs de souris de leur milieu environnant dans les fantômes hétérogénes ex-vivo. De plus, un modéle de régression linéaire a été appliqué pour corréler la plage de l’intensité moyenne sous la propagation des ondes de cisaillement avec l’amplitude maximale de déplacement du « speckle » ultrasonore. La régression linéaire obtenue a été significative : fantômes in vitro : R2 = 0.98, p < 0,001 ; tumeurs ex-vivo : R2 = 0,56, p = 0,013 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,59, p = 0,009. En revanche, la régression linéaire n’a pas été aussi significative entre l’intensité moyenne sans propagation d’ondes de cisaillement et les propriétés mécaniques du milieu : fantômes in vitro : R2 = 0,07, p = 0,328, tumeurs ex-vivo : R2 = 0,55, p = 0,022 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,45, p = 0,047. Cette nouvelle approche peut fournir des informations supplémentaires à l’échographie quantitative statistique traditionnellement réalisée dans un cadre statique (c.-à-d., sans propagation d’ondes de cisaillement), par exemple, dans le contexte de l’imagerie ultrasonore en vue de la classification du cancer du sein.

Écologie et implications trophiques de la cyanobactérie Lyngbya wollei dans le fleuve Saint-Laurent

Les proliférations nuisibles de la cyanobactérie filamenteuse benthique Lyngbya wollei qui forme des tapis déposés sur les sédiments ont augmenté en fréquence au cours des 30 dernières années dans les rivières, lacs et sources de l'Amérique du Nord. Lyngbya wollei produit des neurotoxines et des composés organiques volatils (géosmin, 2-méthylisobornéol) qui ont des répercussions sur la santé publique de même que des impacts d'ordre socioéconomiques. Cette cyanobactérie est considérée comme un habitat et une source de nourriture de piètre qualité pour les invertébrés en raison de sa gaine robuste et de sa production de toxines. Les proliférations de L. wollei ont été observées pour la première fois en 2005 dans le fleuve Saint-Laurent (SLR; Québec, Canada). Nous avons jugé important de déterminer sa distribution sur un tronçon de 250 km afin d'élaborer des modèles prédictifs de sa présence et biomasse en se basant sur les caractéristiques chimiques et physiques de l'eau. Lyngbya wollei était généralement observé en aval de la confluence de petits tributaires qui irriguent des terres agricoles. L’écoulement d’eaux enrichies à travers la végétation submergée se traduisait par une diminution de la concentration d’azote inorganique dissous (DIN), alors que les concentrations de carbone organique dissous (DOC) et de phosphore total dissous (TDP) demeuraient élevées, produisant un faible rapport DIN :TDP. Selon nos modèles, DOC (effet positif), TP (effet négatif) et DIN :TDP (effet négatif) sont les variables les plus importantes pour expliquer la répartition de cette cyanobactérie. La probabilité que L. wollei soit présent dans le SLR a été prédite avec exactitude dans 72 % à 92 % des cas pour un ensemble de données indépendantes. Nous avons ensuite examiné si les conditions hydrodynamiques, c'est-à-dire le courant généré par les vagues et l'écoulement du fleuve, contrôlent les variations spatiales et temporelles de biomasse de L. wollei dans un grand système fluvial. Nous avons mesuré la biomasse de L. wollei ainsi que les variables chimiques, physiques et météorologiques durant trois ans à 10 sites le long d'un gradient d'exposition au courant et au vent dans un grand (148 km2) lac fluvial du SLR. L'exposition aux vagues et la vitesse du courant contrôlaient les variations de biomasses spatiales et temporelles. La biomasse augmentait de mai à novembre et persistait durant l'hiver. Les variations interannuelles étaient contrôlées par l'écoulement de la rivière (niveau d'eau) avec la crue printanière qui délogeait les tapis de l'année précédente. Les baisses du niveau d'eau et l'augmentation de l'intensité des tempêtes anticipées par les scénarios de changements climatiques pourraient accroître la superficie colonisée par L. wollei de même que son accumulation sur les berges. Par la suite, nous avons évalué l'importance relative de L. wollei par rapport aux macrophytes et aux épiphytes. Nous avons examiné l'influence structurante de l'échelle spatiale sur les variables environnementales et la biomasse de ces producteurs primaires (PP) benthiques. Nous avons testé si leur biomasse reflétait la nature des agrégats d'habitat basées sur l'écogéomorphologie ou plutôt le continuum fluvial. Pour répondre à ces deux questions, nous avons utilisé un design à 3 échelles spatiales dans le SLR: 1) le long d'un tronçon de 250 km, 2) entre les lacs fluviaux localisés dans ce tronçon, 3) à l'intérieur de chaque lac fluvial. Les facteurs environnementaux (conductivité et TP) et la structure spatiale expliquent 59% de la variation de biomasse des trois PP benthiques. Spécifiquement, les variations de biomasses étaient le mieux expliquées par la conductivité (+) pour les macrophytes, par le ratio DIN:TDP (+) et le coefficient d'extinction lumineuse (+) pour les épiphytes et par le DOC (+) et le NH4+ (-) pour L. wollei. La structure spatiale à l'intérieur des lacs fluviaux était la plus importante composante spatiale pour tous les PP benthiques, suggérant que les effets locaux tels que l'enrichissement par les tributaire plutôt que les gradients amont-aval déterminent la biomasse de PP benthiques. Donc, la dynamique des agrégats d'habitat représente un cadre général adéquat pour expliquer les variations spatiales et la grande variété de conditions environnementales supportant des organismes aquatiques dans les grands fleuves. Enfin, nous avons étudié le rôle écologique des tapis de L. wollei dans les écosystèmes aquatiques, en particulier comme source de nourriture et refuge pour l'amphipode Gammarus fasciatus. Nous avons offert aux amphipodes un choix entre des tapis de L. wollei et soit des chlorophytes filamenteuses ou un tapis artificiel de laine acrylique lors d'expériences en laboratoire. Nous avons aussi reconstitué la diète in situ des amphipodes à l'aide du mixing model (d13C et δ15N). Gammarus fasciatus choisissait le substrat offrant le meilleur refuge face à la lumière (Acrylique>Lyngbya=Rhizoclonium>Spirogyra). La présence de saxitoxines, la composition élémentaire des tissus et l'abondance des épiphytes n'ont eu aucun effet sur le choix de substrat. Lyngbya wollei et ses épiphytes constituaient 36 et 24 % de l'alimentation in situ de G. fasciatus alors que les chlorophytes, les macrophytes et les épiphytes associées représentaient une fraction moins importante de son alimentation. Les tapis de cyanobactéries benthiques devraient être considérés comme un bon refuge et une source de nourriture pour les petits invertébrés omnivores tels que les amphipodes.

Numerical Simulation of Electroosmotic Flow with Step Change in Zeta Potential

Electroosmotic flow is a convenient mechanism for transporting polar fluid in a microfluidic device. The flow is generated through the application of an external electric field that acts on the free charges that exists in a thin Debye layer at the channel walls. The charge on the wall is due to the chemistry of the solid-fluid interface, and it can vary along the channel, e.g. due to modification of the wall. This investigation focuses on the simulation of the electroosmotic flow (EOF) profile in a cylindrical microchannel with step change in zeta potential. The modified Navier-Stoke equation governing the velocity field and a non-linear two-dimensional Poisson-Boltzmann equation governing the electrical double-layer (EDL) field distribution are solved numerically using finite control-volume method. Continuities of flow rate and electric current are enforced resulting in a non-uniform electrical field and pressure gradient distribution along the channel. The resulting parabolic velocity distribution at the junction of the step change in zeta potential, which is more typical of a pressure-driven velocity flow profile, is obtained.

The counter-propagating Rossby-wave perspective on baroclinic instability. I: Mathematical basis

It is shown that Bretherton's view of baroclinic instability as the interaction of two counter-propagating Rossby waves (CRWs) can be extended to a general zonal flow and to a general dynamical system based on material conservation of potential vorticity (PV). The two CRWs have zero tilt with both altitude and latitude and are constructed from a pair of growing and decaying normal modes. One CRW has generally large amplitude in regions of positive meridional PV gradient and propagates westwards relative to the flow in such regions. Conversely, the other CRW has large amplitude in regions of negative PV gradient and propagates eastward relative to the zonal flow there. Two methods of construction are described. In the first, more heuristic, method a ‘home-base’ is chosen for each CRW and the other CRW is defined to have zero PV there. Consideration of the PV equation at the two home-bases gives ‘CRW equations’ quantifying the evolution of the amplitudes and phases of both CRWs. They involve only three coefficients describing the mutual interaction of the waves and their self-propagation speeds. These coefficients relate to PV anomalies formed by meridional fluid displacements and the wind induced by these anomalies at the home-bases. In the second method, the CRWs are defined by orthogonality constraints with respect to wave activity and energy growth, avoiding the subjective choice of home-bases. Using these constraints, the same form of CRW equations are obtained from global integrals of the PV equation, but the three coefficients are global integrals that are not so readily described by ‘PV-thinking’ arguments. Each CRW could not continue to exist alone, but together they can describe the time development of any flow whose initial conditions can be described by the pair of growing and decaying normal modes, including the possibility of a super-modal growth rate for a short period. A phase-locking configuration (and normal-mode growth) is possible only if the PV gradient takes opposite signs and the mean zonal wind and the PV gradient are positively correlated in the two distinct regions where the wave activity of each CRW is concentrated. These are easily interpreted local versions of the integral conditions for instability given by Charney and Stern and by Fjørtoft.

The counter-propagating Rossby-wave perspective on baroclinic instability. Part III: Primitive-equation disturbances on the sphere

Baroclinic instability of perturbations described by the linearized primitive quations, growing on steady zonal jets on the sphere, can be understood in terms of the interaction of pairs of counter-propagating Rossby waves (CRWs). The CRWs can be viewed as the basic components of the dynamical system where the Hamiltonian is the pseudoenergy and each CRW has a zonal coordinate and pseudomomentum. The theory holds for adiabatic frictionless flow to the extent that truncated forms of pseudomomentum and pseudoenergy are globally conserved. These forms focus attention on Rossby wave activity. Normal mode (NM) dispersion relations for realistic jets are explained in terms of the two CRWs associated with each unstable NM pair. Although derived from the NMs, CRWs have the conceptual advantage that their structure is zonally untilted, and can be anticipated given only the basic state. Moreover, their zonal propagation, phase-locking and mutual interaction can all be understood by ‘PV-thinking’ applied at only two ‘home-bases’—potential vorticity (PV) anomalies at one home-base induce circulation anomalies, both locally and at the other home-base, which in turn can advect the PV gradient and modify PV anomalies there. At short wavelengths the upper CRW is focused in the mid-troposphere just above the steering level of the NM, but at longer wavelengths the upper CRW has a second wave-activity maximum at the tropopause. In the absence of meridional shear, CRW behaviour is very similar to that of Charney modes, while shear results in a meridional slant with height of the air-parcel displacement-structures of CRWs in sympathy with basic-state zonal angular-velocity surfaces. A consequence of this slant is that baroclinically growing eddies (on jets broader than the Rossby radius) must tilt downshear in the horizontal, giving rise to up-gradient momentum fluxes that tend to accelerate the barotropic component of the jet.

Numerical simulation of baroclinic waves with a parameterized boundary layer

A dry three-dimensional baroclinic life cycle model is used to investigate the role of turbulent fluxes of heat and momentum within the boundary layer on mid-latitude cyclones. Simulations are performed of life cycles for two basic states, both with and without turbulent fluxes. The different basic states produce cyclones with contrasting frontal and mesoscale-flow structures. The analysis focuses on the generation of potential-vorticity (PV) in the boundary layer and its subsequent transport into the free troposphere. The dynamic mechanism through which friction mitigates a barotropic vortex is that of Ekman pumping. This has often been assumed to be also the dominant mechanism for baroclinic developments. The PV framework highlights an additional, baroclinic mechanism. Positive PV is generated baroclinically due to friction to the north-east of a surface low and is transported out of the boundary layer by a cyclonic conveyor belt flow. The result is an anomaly of increased static stability in the lower troposphere which restricts the growth of the baroclinic wave. The reduced coupling between lower and upper levels can be sufficient to change the character of the upper-level evolution of the mature wave. The basic features of the baroclinic damping mechanism are robust for different frontal structures, with and without turbulent heat fluxes, and for the range of surface roughness found over the oceans.

The influence of viscous and latent heating on crystal-rich magma flow in a conduit

The flow dynamics of crystal-rich high-viscosity magma is likely to be strongly influenced by viscous and latent heat release. Viscous heating is observed to play an important role in the dynamics of fluids with temperature-dependent viscosities. The growth of microlite crystals and the accompanying release of latent heat should play a similar role in raising fluid temperatures. Earlier models of viscous heating in magmas have shown the potential for unstable (thermal runaway) flow as described by a Gruntfest number, using an Arrhenius temperature dependence for the viscosity, but have not considered crystal growth or latent heating. We present a theoretical model for magma flow in an axisymmetric conduit and consider both heating effects using Finite Element Method techniques. We consider a constant mass flux in a 1-D infinitesimal conduit segment with isothermal and adiabatic boundary conditions and Newtonian and non-Newtonian magma flow properties. We find that the growth of crystals acts to stabilize the flow field and make the magma less likely to experience a thermal runaway. The additional heating influences crystal growth and can counteract supercooling from degassing-induced crystallization and drive the residual melt composition back towards the liquidus temperature. We illustrate the models with results generated using parameters appropriate for the andesite lava dome-forming eruption at Soufriere Hills Volcano, Montserrat. These results emphasize the radial variability of the magma. Both viscous and latent heating effects are shown to be capable of playing a significant role in the eruption dynamics of Soufriere Hills Volcano. Latent heating is a factor in the top two kilometres of the conduit and may be responsible for relatively short-term (days) transients. Viscous heating is less restricted spatially, but because thermal runaway requires periods of hundreds of days to be achieved, the process is likely to be interrupted. Our models show that thermal evolution of the conduit walls could lead to an increase in the effective diameter of flow and an increase in flux at constant magma pressure.

The response of a uniform horizontal temperature gradient to heating

The response of a uniform horizontal temperature gradient to prescribed fixed heating is calculated in the context of an extended version of surface quasigeostrophic dynamics. It is found that for zero mean surface flow and weak cross-gradient structure the prescribed heating induces a mean temperature anomaly proportional to the spatial Hilbert transform of the heating. The interior potential vorticity generated by the heating enhances this surface response. The time-varying part is independent of the heating and satisfies the usual linearized surface quasigeostrophic dynamics. It is shown that the surface temperature tendency is a spatial Hilbert transform of the temperature anomaly itself. It then follows that the temperature anomaly is periodically modulated with a frequency proportional to the vertical wind shear. A strong local bound on wave energy is also found. Reanalysis diagnostics are presented that indicate consistency with key findings from this theory.

Impact of Tibetan Orography and Heating on the Summer Flow over Asia

The influence on the summer flow over Asia of both the orographic and thermal forcing of the Tibetan Plateau is investigated using a sequence of idealised experiments with a global primitive equation model. The zonally averaged flow is prescribed and both realistic and idealised orography and heating are used. There is some similarity between the responses to the two forcings when applied separately. The upper tropospheric Tibetan anticyclone is predominantly forced by the heating but also weakly by the orography. Below this, both forcings tend to give air descending in an equatorward anticyclonic circulation down the isentropes to the west and rising in a similar poleward circulation to the east. However the heating-only response has a strong ascending southwesterly flow that is guided around the south and south-east of the orography when it is included. On the northern side, the westerly flow over the orography gives ascent on the upslope and descent on the downslope. It is found that heating over the Plateau leads to a potential vorticity (PV) minimum and that if it is sufficiently strong the flow is unstable, producing a quasi-biweekly oscillation. During this oscillation the Tibetan anticyclone changes between a single centre over the southwestern side of the Plateau and a split/double structure with centres over China and the Middle East. These characteristics are similar to observed variability in the region. Associated with this quasi-biweekly oscillation are significant variations in the strength of the ascent over the Plateau and the Rossby wave pattern over the North Pacific. The origin of the variability is instability associated with the zonally extended potential vorticity PV minimum on a θ-surface, as proposed by Hsu and Plumb (2000). This minimum is due to the tendency to reduce the PV above the heating over the Plateau and to advection by the consequent anticyclone of high PV around from the east and low PV to the west. The deep convection to the south and southeast of the Plateau tends to suppress the quasi-biweekly oscillation because the low PV produced above it acts to reduce the meridional PV gradient reversal. The occurrence of the oscillation depends on the relative magnitude of the heating in the two regions.

Inertia-Gravity Waves Emitted from Balanced Flow: Observations, Properties, and Consequences

This paper describes laboratory observations of inertia–gravity waves emitted from balanced fluid flow. In a rotating two-layer annulus experiment, the wavelength of the inertia–gravity waves is very close to the deformation radius. Their amplitude varies linearly with Rossby number in the range 0.05–0.14, at constant Burger number (or rotational Froude number). This linear scaling challenges the notion, suggested by several dynamical theories, that inertia–gravity waves generated by balanced motion will be exponentially small. It is estimated that the balanced flow leaks roughly 1% of its energy each rotation period into the inertia–gravity waves at the peak of their generation. The findings of this study imply an inevitable emission of inertia–gravity waves at Rossby numbers similar to those of the large-scale atmospheric and oceanic flow. Extrapolation of the results suggests that inertia–gravity waves might make a significant contribution to the energy budgets of the atmosphere and ocean. In particular, emission of inertia–gravity waves from mesoscale eddies may be an important source of energy for deep interior mixing in the ocean.

On the generation mechanisms of short-scale unbalanced modes in rotating two-layer flows with vertical shear

We report on the results of a laboratory investigation using a rotating two-layer annulus experiment, which exhibits both large-scale vortical modes and short-scale divergent modes. A sophisticated visualization method allows us to observe the flow at very high spatial and temporal resolution. The balanced long-wavelength modes appear only when the Froude number is supercritical (i.e. $F\,{>}\,F_\mathrm{critical}\,{\equiv}\, \upi^2/2$), and are therefore consistent with generation by a baroclinic instability. The unbalanced short-wavelength modes appear locally in every single baroclinically unstable flow, providing perhaps the first direct experimental evidence that all evolving vortical flows will tend to emit freely propagating inertia–gravity waves. The short-wavelength modes also appear in certain baroclinically stable flows. We infer the generation mechanisms of the short-scale waves, both for the baro-clinically unstable case in which they co-exist with a large-scale wave, and for the baroclinically stable case in which they exist alone. The two possible mechanisms considered are spontaneous adjustment of the large-scale flow, and Kelvin–Helmholtz shear instability. Short modes in the baroclinically stable regime are generated only when the Richardson number is subcritical (i.e. $\hbox{\it Ri}\,{<}\,\hbox{\it Ri}_\mathrm{critical}\,{\equiv}\, 1$), and are therefore consistent with generation by a Kelvin–Helmholtz instability. We calculate five indicators of short-wave generation in the baroclinically unstable regime, using data from a quasi-geostrophic numerical model of the annulus. There is excellent agreement between the spatial locations of short-wave emission observed in the laboratory, and regions in which the model Lighthill/Ford inertia–gravity wave source term is large. We infer that the short waves in the baroclinically unstable fluid are freely propagating inertia–gravity waves generated by spontaneous adjustment of the large-scale flow.

Spontaneous generation and impact of inertia-gravity waves in a stratified, two-layer shear flow

Inertia-gravity waves exist ubiquitously throughout the stratified parts of the atmosphere and ocean. They are generated by local velocity shears, interactions with topography, and as geostrophic (or spontaneous) adjustment radiation. Relatively little is known about the details of their interaction with the large-scale flow, however. We report on a joint model/laboratory study of a flow in which inertia-gravity waves are generated as spontaneous adjustment radiation by an evolving large-scale mode. We show that their subsequent impact upon the large-scale dynamics is generally small. However, near a potential transition from one large-scale mode to another, in a flow which is simultaneously baroclinically-unstable to more than one mode, the inertia-gravity waves may strongly influence the selection of the mode which actually occurs.