高等大气动力学复习重点.docxVIP

.. 高等大气动力学 1、自由大气： 是指行星边界层以上，湍流摩擦力可忽略，空气运动不受地表摩擦影响的大气。大致在 1.5km 以上，水平气压梯度力和科氏力相平衡（准地转）。在中、高纬度，自由大气中空气运动基本遵守地转风或梯度风法则，气流几乎与等压线平行。 D 是由于空气的内摩擦或湍流动量传输所导致的的耗散力，忽略 D 就是所谓的“自由大气 近似，除靠近地表面的“摩擦层”以外，对于以一天为时间单位的运动来说，使用自由大气近似大体上是可以的。 2、绝热近似： 在空气运动的短期变化过程中，可以认为空气微团与外界无热量交换，这就是绝热过程。热力学第一定律可写成热流量方程的形式： 忽略 dQ/dt 就是“绝热”近似，除靠近地表的“热力边界层”内、位于平流层中的臭氧层内 以及有着严重的水汽相变过程的区域外， 对于以一天为时间单位的运动来说， 使用绝热近似大体上是可以的。 3、薄层近似： 大气中 90%以上的质量集中在离地表的一薄层中， 其有效厚度约为几十公里， 远比地球平均半径小， 因此在推导球坐标系下的基本方程组时， 可取 r a z a (z 0) ， 其中 a 是地球半径， z 是离地表的铅直高度。球坐标的运动方程中，当 r 处于系数时， r 用 a 代替；当 r 处于微商地位时，用 z 代替 r。这一近似郭晓岚称之为薄层近似。 4、标准层结近似： 针对热力学量（ p,ρ ,θ ,T）引入一个垂直方向的标准分布，亦即所谓的标准层结（气候态）。我们据此引入标准层结近似，在运动、连续、热力学及状态方程中将 这些热力学量表示成标准分布加上一个扰动量。 这样在预报、 诊断等问题中只计算扰动量或 其变量，而把标准分布视为已知。好处在于降低了方程的非线性程度， 易于求解， 从而减少 了计算误差。 0 z x, y, z,t ; 0 5、地球流体的基本属性 ⑴层结性 ，使之更具“弹性”。密度和温度在垂直方向上的分布是不均匀的，这种介质的物理性质的不均匀分布，使大气具有层结的分布。 ⑵旋转性 ，使之更具“刚性”。由于地球自转的存在，流体出现沿着等压线流动的趋势。如地转风、台风的存在。 ⑶斜压性 ，使之更具“活性”。指的是具有斜压大气性质的系统。如温带气旋就是具有斜压 性的系统。 ⑷热力学属性（气压场、温度场、湿度场）与动力学属性（流场）耦合，而非相互独立。 ⑸多尺度特性， 不同时空尺度的运动之间存在复杂的非线性相互作用。 ;. .. 6、大气中存在的主要运动类型 ⑴无辐散运动， 即纯粹的涡旋运动， 是大气运动最基本运动的形式之一。 无辐散运动条件为 u v ，引进流函数 ψ ， u , v x 表示水平流场，而涡度为 v u 2 x y y x y ⑵无旋运动， 是大气运动的另一基本形式。若运动是无旋的，则 v u ，引入势函 x 0 y 数 χ ， u x , v y 。因此，无旋运动中流体将沿着速度势的水平梯度方向运动，而水平 散度为 u v 2 x y ⑶波动， 也是大气运动的一种重要形式，有 ①重力波： 是流体介质在重力作用下产生的一种波动， 它的产生与垂直运动联系在一起， 即 要求垂直速度 w=0 。重力波一种横波。分为重力内波和重力外波。 重力外波： 是指处于大气上、下边界的空气（不可压缩流体），受到垂直扰动，偏离平衡位 置后，在重力作用下产生的波动； 重力内波： 是指在大气内部，由大气的稳定层结和重力的作用而形成的。 ②惯性波： 是一种以相速度向西传播的波动，大气中的扰动在科氏力的作用下会产生惯性， 这种振荡在空间的传播上就形成了惯性波，它是一种横波。 ③重力惯性波： 是一种在重力和科里奥利力共同作用下产生的大气波动。 ④Rossby 波： 是在准水平的大尺度运动中，由于 β 效应维持绝对涡度守恒形成的。其本质 上是涡旋，但以波动形式传播。 7、 Taylor-Proudman 定理 均质流体的定常运动， f， ρ 为常量，其方程为 f u 1 p ，其分量形式为 1 p f v 1 p p v g 0 fv x 同时乘以 z x z g ，得到 f z ； ；又因为 z ， 1 p z u 1 p z u g fu y f z y z f 0 z z 从而得到 v u 0 。 z z 这就是 Taylor-Proudman 定理，它表示在均质流体的定常缓慢运动中，地球的旋转效应使大气运动趋于二维化（准水平的）。 8、重要的无量纲数 Kibel 数 1 U / u f 0 f 0 U t ～ f v  局地惯性力 科氏力 它也是惯性扰动时间尺度与运动时间尺度之比，其实 f 0 1 也是地转适应时间尺度。当 1 时，局地惯性力相对于科氏力可忽略；当 1 时，必须考虑局地惯性力的作用。 它可区别运动的快慢