南京信息工程大學(xué)動(dòng)力氣象學(xué)第3章

1、1編輯編輯ppt目的：對(duì)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，目的：對(duì)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，突出主要因子，研究運(yùn)動(dòng)的主要特征。突出主要因子，研究運(yùn)動(dòng)的主要特征。途徑：分析各因子（各項(xiàng)）大小，途徑：分析各因子（各項(xiàng)）大小， 大重要大重要 小次要小次要2編輯編輯ppt將任一物理量寫作： *Qqq 其中： Q特征量， 表示該物理量的一般大?。?常量；有量綱 無量綱量，量級(jí)在 100，表示物理量的具體大??；，表示物理量的具體大??；變量；沒有量綱變量；沒有量綱 *q3編輯編輯ppt 這里的q是廣義的，不僅包括氣象要素，還包括方程各項(xiàng)。 比較物理量的大小，可以比較特征量的大小。 如：已知：*,TttVuu*,TttVuu則：則：*tuT

2、Vtu是其無量綱量。的特征量，是*tutuTV4編輯編輯ppt在中緯度大尺度大氣運(yùn)動(dòng)，各物理量的特征量為： mHmLmsWmsV46121110;10;10;102310mNPh25010mNP（1000hPa） 0 PPz5編輯編輯ppt3010mkg3210mkgz0h 12110 :sm空氣分子的粘性系數(shù)1151424360022210292. 72sin210SSfsff對(duì)中高緯地區(qū)6編輯編輯pptVLsT510 對(duì)方程組進(jìn)行尺度分析：對(duì)方程組進(jìn)行尺度分析：水平尺度：大尺度為106 6m;中尺度為105m;小尺度為104m時(shí)間尺度：大尺度為105s;中尺度為104s;小尺度為103s7

3、編輯編輯pptufvwfxpzuwyuvxuutu21TVLV2HVWLPh01Wf0Vf02HV 10-4 10-4 10-5 10-3 10-6 10-3 10-6 ms-2其中： 2222222zuyuxuu222HVLVLV二、運(yùn)動(dòng)方程的尺度分析二、運(yùn)動(dòng)方程的尺度分析8編輯編輯pptvfuypzvwyvvxvutv21TVLV2HVWLPh01Vf02HV 10-4 10-4 10-5 10-3 10-3 10-6 ms-29編輯編輯pptwufgzpzwwywvxwutw21TwLVWHW2HPz01GVf02HW 10-7 10-7 10-8 101 101 10-3 10-9 m

4、s-210編輯編輯ppt 分子粘性力可以忽略 不考慮分子粘性和湍流粘性 “自由大氣”分子粘性很小短期天氣過程不計(jì)；氣候?qū)W中不能忽略！湍流邊界層，分子粘性力可略低層：湍流粘性力重要?dú)猓涣髡承粤陕宰杂纱蟾邔樱簩恿?，分子、?1編輯編輯ppt 取“零級(jí)近似”，即只保留量級(jí)最大項(xiàng)，得到的簡(jiǎn)化方程為：010101gzpfuypfvxp413134101010101010，垂直方向：水平方向精度：12編輯編輯ppt1、水平方向上： 01Vk fph水平氣壓梯度力水平科氏力0地轉(zhuǎn)平衡13編輯編輯ppt地轉(zhuǎn)平衡運(yùn)動(dòng)的特征：動(dòng)力學(xué)特征： 水平壓力梯度力與科氏力相平衡運(yùn)動(dòng)學(xué)特征： 風(fēng)沿等壓線吹；背風(fēng)而立，高壓在

5、右， 低壓在左（南半球相反）。地轉(zhuǎn)風(fēng)的表達(dá)式： PkfVhg1hgkfV114編輯編輯ppt南半球：0, 0f在南半球：高壓反氣旋逆時(shí)針15編輯編輯ppt16編輯編輯ppt垂直方向上： 01gzp靜力平衡 不僅適用于大尺度系統(tǒng)，還適于中小尺度系統(tǒng)。 17編輯編輯pptgdzdPZ坐標(biāo)向P坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ) 對(duì)上式從Z高度積分到大氣頂H： HzPzPgdzdPH)(HzHzHgdzzPgdzzPP)()(推論：垂直氣壓梯度力浮力 18編輯編輯ppt0yvxu三、連續(xù)方程的零級(jí)簡(jiǎn)化形式：水平無輻散四、熱力學(xué)方程的簡(jiǎn)化：（絕熱） 0)(wyTvxTutTd19編輯編輯ppt五、重要的無量綱數(shù)：“流

6、體力學(xué)”中進(jìn)行尺度分析的步驟：1）把方程各項(xiàng)寫作 “特征量無量綱量”的形式。2）化為“無量綱方程” ： 用方程中某一項(xiàng)的特征量同除方程的每一項(xiàng)（量綱齊次性原理）無量綱方程各項(xiàng)前面的系數(shù)無量綱（數(shù)）體現(xiàn)各項(xiàng)的相對(duì)重要性。 20編輯編輯ppt例：例：fvxpyuvxuutu1TVLV2LPh01Vf0 兩邊同除以科氏力的特征量 Vf021編輯編輯ppt*01)(vfxpyuvxuutuR特征科氏力項(xiàng)特征慣性力項(xiàng)VfLVR020VfLPVLTh001;其中：其中：非地轉(zhuǎn)。，滿足準(zhǔn)地轉(zhuǎn)；度很小，可忽略特征慣性力很小，加速001010,10RR22編輯編輯ppta) 中緯度大尺度運(yùn)動(dòng)： smVsf140

7、10,10mL610110100LfVR準(zhǔn)地轉(zhuǎn)23編輯編輯pptb) 中緯度中小尺度運(yùn)動(dòng)： smVsf14010,10mL51000010LfVR非地轉(zhuǎn)24編輯編輯pptc) 熱帶大尺度運(yùn)動(dòng)： smVsf15010,10mL61000010LfVR 非地轉(zhuǎn)25編輯編輯pptd) 海洋情形： smVsf14010,10mL41010010LfVR要使得準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 26編輯編輯ppt六、地轉(zhuǎn)偏差六、地轉(zhuǎn)偏差定義：定義：gVVV實(shí)際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)之差實(shí)際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)之差Vk fVk fVk fVk fPdtVdgh127編輯編輯ppt地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)： 00dtVdV天氣系統(tǒng)不變天氣系統(tǒng)不變 00dtV

8、dV地轉(zhuǎn)偏差是天氣系統(tǒng)變化的重要原因地轉(zhuǎn)偏差是天氣系統(tǒng)變化的重要原因 。準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論被廣泛應(yīng)用于大尺度大氣運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論被廣泛應(yīng)用于大尺度大氣運(yùn)動(dòng) 28編輯編輯ppt非地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)0010100gggVVVVVVVV29編輯編輯ppt七、七、熱成風(fēng)與大氣的斜壓性熱成風(fēng)與大氣的斜壓性 熱層風(fēng)定義：地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化 由由熱力作用引起的（一）正壓大氣和斜壓大氣“流體力學(xué)”中正壓流體和斜壓流體 ： ）鹽度斜壓流體：（氣壓的函數(shù)，正壓流體：密度僅僅是,()TPfPf30編輯編輯ppt力管項(xiàng)：力管項(xiàng)：P正壓流體：正壓流體：等壓面平行于等容等壓面平行于等容面，力管項(xiàng)為面，力管項(xiàng)為0斜壓流體：斜

9、壓流體：等壓面與等容面相等壓面與等容面相交，力管項(xiàng)不為交，力管項(xiàng)不為031編輯編輯ppt大氣： 大氣一般是斜壓的。),(,TPfRTPRTP質(zhì)。大氣具有斜壓流體的性，時(shí)，力管項(xiàng)（質(zhì)；大氣具有正壓流體的性，時(shí)，力管項(xiàng)（00)00)PPTT當(dāng) 32編輯編輯ppt大氣斜壓性與等壓面上溫度分布大氣斜壓性與等壓面上溫度分布不均勻相聯(lián)系不均勻相聯(lián)系熱力過程相對(duì)應(yīng)；熱力過程相對(duì)應(yīng)； 500Pha1月等溫線分布月等溫線分布南疏北密南疏北密中高緯度斜壓性中高緯度斜壓性-強(qiáng)于熱帶強(qiáng)于熱帶33編輯編輯ppt（二）熱成風(fēng)地轉(zhuǎn)風(fēng)，Z坐標(biāo)：坐標(biāo)： 關(guān)與等壓面的坡度有取決于，PPkfVg1都相等。則各高度上的都平行，若不同

10、高度上的等壓面gV熱成風(fēng)為零，反之亦然熱成風(fēng)為零，反之亦然34編輯編輯ppt等壓面上溫度分布均勻等壓面上溫度分布均勻正壓大氣情形，密度僅僅和氣壓有關(guān)正壓大氣情形，密度僅僅和氣壓有關(guān)P+與與P-之間二個(gè)氣之間二個(gè)氣柱重量相同，密度柱重量相同，密度相同相同高度也相同高度也相同 P+與與P-平行平行熱成風(fēng)為熱成風(fēng)為035編輯編輯ppt等壓面上溫度分布不均勻等壓面上溫度分布不均勻斜壓大氣情形，暖區(qū)密度減少，氣柱斜壓大氣情形，暖區(qū)密度減少，氣柱膨脹。膨脹。P+與與P-之間二個(gè)氣柱之間二個(gè)氣柱重量相同，密度暖區(qū)重量相同，密度暖區(qū)小于冷區(qū)小于冷區(qū)高度高度h1h2 P+與與P-不平行不平行熱成風(fēng)不為熱成風(fēng)不為

11、036編輯編輯ppt可見：熱成風(fēng)是與大氣的斜壓性相聯(lián)系，與熱力作用相關(guān)。kfkfpkfVg111已知地轉(zhuǎn)風(fēng)：已知地轉(zhuǎn)風(fēng)：地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化為： kpfpVg)(137編輯編輯ppt進(jìn)一步：進(jìn)一步：RTPp而1kTfPRpVPg)(等壓面上溫度分布的不均勻，引起了熱成風(fēng) 38編輯編輯ppt從以上討論可見：從以上討論可見： 正壓大氣，等壓面上溫度分布均正壓大氣，等壓面上溫度分布均勻，熱成風(fēng)為勻，熱成風(fēng)為0，上下運(yùn)動(dòng)一致。，上下運(yùn)動(dòng)一致。 斜壓大氣，等壓面上溫度分布不斜壓大氣，等壓面上溫度分布不均勻，熱成風(fēng)不為均勻，熱成風(fēng)不為0，上下運(yùn)動(dòng)不一致。，上下運(yùn)動(dòng)不一致。39編輯編輯ppt（三）討論例：（1）整層大氣的平均運(yùn)動(dòng)，體現(xiàn)的是上下相同的部分，屬于正壓分量動(dòng)力過程結(jié)果。 500hPa為對(duì)流層中層，體現(xiàn)的是大氣上下平均狀況，相當(dāng)正壓層。 上層與下層大氣的差，體現(xiàn)的是上下運(yùn)動(dòng)不同的部分，屬于斜壓分量熱力過程結(jié)果。 例如季風(fēng)指數(shù)：U（200Pha)-U(850Pha) 40編輯編輯ppt （2） 副熱帶高壓： 從對(duì)流層低層、到中層、直到高層，都表現(xiàn)為高壓（反氣旋） 相當(dāng)正壓系統(tǒng) 成因動(dòng)力性高壓一般用500Pha來表征副熱帶高壓 41編輯編輯ppt（3）冬夏季的青藏高原作用： 夏季：高層是反氣旋，低層是氣旋， 斜壓系統(tǒng) 成因：熱力作用； 冬