第一章地转适应过程要点.ppt

高 等 动 力 气 象 学 （动力气象学II） 王 文 大 气 科 学 学 院 死记硬背能让你通过大学4年，但是会榨干接下来的40年。 ? ——语出印度电影《三傻大闹宝莱坞》 ? 中国学生回到家里，家长问“今天你学了什么知识？”；犹太学生的家长问“你今天问了什么问题？”。? ——钱颖一 大气动力学的理论框架： 准地转理论 大气动力学的主要研究方法： 涡旋动力学，能量学，波动学。 均匀介质 非均匀介质 正压Rossby波——涡度守恒 斜压Rossby波——位涡守恒 地形作用和β效应的等价性 波流相互作用 波作用量、EP通量 教材： 刘式适等，大气动力学，北京大学出版社，2011 吕美仲等，动力气象学，气象出版社，2004 参考书目： 刘式达，大气涡旋动力学，气象出版社，2011 巢纪平，热带大气和海洋动力学，气象出版社，2009 徐祥德等，外源强迫与波流作用动力学原理，海洋出版社，2002 人们早就发现，在中、高纬度地区，大尺度天气系统这样一类运动有着明显的特点，即在大多数场合下气压场和风场基本处于“地转平衡”状态，风场接近于地转风。即使在纬度为10o左右的低纬度地带，如果观察在数天内的平均场同样可以发现，准地转关系也还有一定效力。在自转地球上，象天气系统这样一类大气运动大体上是重力、气压梯度力和科里奥利力处于准平衡的状态。 如果在某时刻的风场明显地偏离于地转风，却因科里奥利力和重力的经常和强大的作用，大气运动自身就包含有不断调整到准平衡状态的动力过程，结果使得原来的地转偏差减弱，建立起新的地转平衡。这就是所谓地转适应过程。研究地转适应过程对于了解大气运动的基本规律是很重要的，因为通过这方面的研究不仅可以深入了解适应过程本身及其规律性，同时也可以揭示一些大气系统随时间演变过程的某些方面。 准地转运动产生的物理背景 第一，大气运动发生在重力场中，在重力的作用下，90%的大气质量堆积在紧靠地球固定边界的一层次中。 对于均值大气而言，p=ρgH。H称之为大气标高(scale height)，即 相当于对流层的平均高度——特征厚度(H)，由此可见，重力场中大气高度的尺度是受到限制的。 第二，大气运动发生在旋转流场中，科里奥力限制了水平气压梯度力。 与 运动无关，称为罗斯贝变形半径(在大气中约为3000km)。L0可视为旋转大气中一固有的水平尺度，它是一个与波动本身特性无关、只与流体深度和地球旋转有关的特征参数。我们可以将它理解为：在旋转特征周期(2Ω)-1这一时间尺度上，波速为c0的浅水重力波传播的特征距离。可看出，当L≥L0时，科氏力是重要的，L≤L0时，相对而言，科氏力不重要。 第三，若科氏力对运动有重要作用，水平气压梯度力也应与科氏力同量级 故有 设大气平均位温为 ，赤道与极地平均位温差为 ，地球线速度量级为 f0a，则U与地球线速度之比为 大气运动的最终能源是太阳辐射能，由于地球和太阳的相对位置在天文学上是固定的，因此由太阳辐射能造成的平均温度(或平均位温)受到限制，从而对于一定水平尺度的运动，其速度尺度也受到限制。此外，由太阳辐射能造成的赤道与极地之间的平均位温差远小于其位温本身，即 ，又(L0/a)21，故有 由此可见，大气运动的速度尺度不但受到限制，而且相对地球的线速度是异常缓慢的。 由辐射平衡所形成的经向温度差(间隔10o纬度)最大值为14K。间隔10o纬度的经向距离约为 103km，若取ΔT =15K，T*=250K，L =1000km，L0=3000km，则可算得Ro=0.54（1），故平均而言中纬度大尺度运动必是准地转的。 同时还可看出，若要求Ro1，则要求 因此，当运动的水平尺度一定时，在这个尺度上温度差愈小，运动愈接近地转运动；这个尺度上温度差愈大，运动中非地转成份就愈大。此外，低纬处罗斯贝变形半径大，当其它条件一定时，中纬度的大尺度运动比低纬更容易接近地转运动。 概括地说，中纬度大尺度运动所以是准水平、准地转的，这是外界的一些固有条件对运动制约的结果。这些固有条件是： ①重力场的作用使大气质量向靠近地球固定边界一薄层中堆积，从而制约了铅直气压梯度，限制了大气运动的铅直尺度；②地球旋转作用制约了水平气压梯度，限制了大气运动的水平尺度；③地球和太阳几何位置相对固定，使地球南北接受的太阳辐射能受到限制，从而制约了大气的水平速度尺度。 这样使得中纬度大尺度运动是一种缓慢运动，根据泰勒-普劳德曼定理可以推论出它必然具有准水平、准地转的特征。 在f平面上，线性运动方程组 涡度方程 散度方程 当f=0时 可见，在惯性坐标系中，线性理论给出的涡淀场为常定的，涡旋场动能不参与同其它形