高等大氣動(dòng)力學(xué)-復(fù)習(xí)重點(diǎn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)高等大氣動(dòng)力學(xué)1、自由大氣：是指行星邊界層以上，湍流摩擦力可忽略，空氣運(yùn)動(dòng)不受地表影響的。大致在1.5km以上，水平氣壓梯度力和科氏力相平衡（準(zhǔn)地轉(zhuǎn)）。在中、高緯度，自由大氣中空氣運(yùn)動(dòng)基本遵守或法則，幾乎與平行。D是由于空氣的內(nèi)摩擦或湍流動(dòng)量傳輸所導(dǎo)致的的耗散力，忽略D就是所謂的“自由大氣近似，除靠近地表面的“摩擦層”以外，對(duì)于以一天為時(shí)間單位的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，使用自由大氣近似大體上是可以的。2、絕熱近似：在空氣運(yùn)動(dòng)的短期變化過(guò)程中，可以認(rèn)為空氣微團(tuán)與外界無(wú)熱量交換，這就是絕

2、熱過(guò)程。熱力學(xué)第一定律可寫(xiě)成熱流量方程的形式：忽略dQ/dt就是“絕熱”近似，除靠近地表的“熱力邊界層”內(nèi)、位于平流層中的臭氧層內(nèi)以及有著嚴(yán)重的水汽相變過(guò)程的區(qū)域外，對(duì)于以一天為時(shí)間單位的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，使用絕熱近似大體上是可以的。3、薄層近似：大氣中90%以上的質(zhì)量集中在離地表的一薄層中，其有效厚度約為幾十公里，遠(yuǎn)比地球平均半徑小，因此在推導(dǎo)球坐標(biāo)系下的基本方程組時(shí)，可取，其中a是地球半徑，z是離地表的鉛直高度。球坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方程中，當(dāng)處于系數(shù)時(shí)，r用a代替；當(dāng)處于微商地位時(shí)，用z代替r。這一近似郭曉嵐稱(chēng)之為薄層近似。4、標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)近似：針對(duì)熱力學(xué)量（p,T）引入一個(gè)垂直方向的標(biāo)準(zhǔn)分布，亦即所謂的標(biāo)準(zhǔn)

3、層結(jié)（氣候態(tài)）。我們據(jù)此引入標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)近似，在運(yùn)動(dòng)、連續(xù)、熱力學(xué)及狀態(tài)方程中將這些熱力學(xué)量表示成標(biāo)準(zhǔn)分布加上一個(gè)擾動(dòng)量。這樣在預(yù)報(bào)、診斷等問(wèn)題中只計(jì)算擾動(dòng)量或其變量，而把標(biāo)準(zhǔn)分布視為已知。好處在于降低了方程的非線(xiàn)性程度，易于求解，從而減少了計(jì)算誤差。5、地球流體的基本屬性 = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 層結(jié)性，使之更具“彈性”。密度和溫度在垂直方向上的分布是不均勻的，這種介質(zhì)的物理性質(zhì)的不均勻分布，使大氣具有層結(jié)的分布。 = 2 * GB2 * MERGEFORMAT 旋轉(zhuǎn)性，使之更具“剛性”。由于地球自轉(zhuǎn)的存在，流體出現(xiàn)沿著等壓線(xiàn)流動(dòng)的趨勢(shì)。如地轉(zhuǎn)風(fēng)、臺(tái)風(fēng)的存在。 = 3 *

4、 GB2 * MERGEFORMAT 斜壓性，使之更具“活性”。指的是具有性質(zhì)的系統(tǒng)。如溫帶氣旋就是具有斜壓性的系統(tǒng)。 = 4 * GB2 * MERGEFORMAT 熱力學(xué)屬性（氣壓場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)）與動(dòng)力學(xué)屬性（流場(chǎng)）耦合，而非相互獨(dú)立。 = 5 * GB2 * MERGEFORMAT 多尺度特性，不同時(shí)空尺度的運(yùn)動(dòng)之間存在復(fù)雜的非線(xiàn)性相互作用。6、大氣中存在的主要運(yùn)動(dòng)類(lèi)型 = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 無(wú)輻散運(yùn)動(dòng)，即純粹的渦旋運(yùn)動(dòng)，是大氣運(yùn)動(dòng)最基本運(yùn)動(dòng)的形式之一。無(wú)輻散運(yùn)動(dòng)條件為，引進(jìn)流函數(shù)，表示水平流場(chǎng)，而渦度為 = 2 * GB2 * MERGEFORMAT 無(wú)旋

5、運(yùn)動(dòng)，是大氣運(yùn)動(dòng)的另一基本形式。若運(yùn)動(dòng)是無(wú)旋的，則，引入勢(shì)函數(shù)，。因此，無(wú)旋運(yùn)動(dòng)中流體將沿著速度勢(shì)的水平梯度方向運(yùn)動(dòng)，而水平散度為 = 3 * GB2 * MERGEFORMAT 波動(dòng)，也是大氣運(yùn)動(dòng)的一種重要形式，有 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 重力波：是流體介質(zhì)在重力作用下產(chǎn)生的一種波動(dòng)，它的產(chǎn)生與垂直運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起，即要求垂直速度w=0。重力波一種橫波。分為重力內(nèi)波和重力外波。重力外波：是指處于大氣上、下邊界的空氣（不可壓縮流體），受到垂直擾動(dòng)，偏離平衡位置后，在重力作用下產(chǎn)生的波動(dòng)；重力內(nèi)波：是指在大氣內(nèi)部，由大氣的穩(wěn)定層結(jié)和重力的作用而形成的。 = 2 * GB3

6、* MERGEFORMAT 慣性波：是一種以相速度向西傳播的波動(dòng)，大氣中的擾動(dòng)在科氏力的作用下會(huì)產(chǎn)生慣性，這種振蕩在空間的傳播上就形成了慣性波，它是一種橫波。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 重力慣性波：是一種在重力和科里奧利力共同作用下產(chǎn)生的大氣波動(dòng)。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT Rossby波：是在準(zhǔn)水平的大尺度運(yùn)動(dòng)中，由于效應(yīng)維持絕對(duì)渦度守恒形成的。其本質(zhì)上是渦旋，但以波動(dòng)形式傳播。7、Taylor-Proudman定理均質(zhì)流體的定常運(yùn)動(dòng)，f，為常量，其方程為，其分量形式為同時(shí)乘以；又因?yàn)?，得到，從而得到。這就是Taylor-Proudman定理，它表

7、示在均質(zhì)流體的定常緩慢運(yùn)動(dòng)中，地球的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)使大氣運(yùn)動(dòng)趨于二維化（準(zhǔn)水平的）。8、重要的無(wú)量綱數(shù) = 1 * GB2 * MERGEFORMAT Kibel數(shù)它也是慣性擾動(dòng)時(shí)間尺度與運(yùn)動(dòng)時(shí)間尺度之比，其實(shí)也是地轉(zhuǎn)適應(yīng)時(shí)間尺度。當(dāng)時(shí)，局地慣性力相對(duì)于科氏力可忽略；當(dāng)時(shí)，必須考慮局地慣性力的作用。它可區(qū)別運(yùn)動(dòng)的快慢程度，慢過(guò)程，快過(guò)程 = 2 * GB2 * MERGEFORMAT Rossby數(shù)它也是慣性特征時(shí)間與平流特征時(shí)間之比。當(dāng)時(shí)，水平慣性力相對(duì)于科氏力可以忽略；平流特征時(shí)間遠(yuǎn)大于慣性特征時(shí)間，平流過(guò)程是慢過(guò)程。當(dāng)時(shí)，必須考慮水平慣性力（也就是非線(xiàn)性平流項(xiàng)）的作用；平流時(shí)間是小于或近于慣性

8、特征時(shí)間，平流過(guò)程是快過(guò)程。表示大氣運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)程度，也可用來(lái)判別大氣運(yùn)動(dòng)的類(lèi)型（大、中、小尺度）和特性（線(xiàn)性或非線(xiàn)性）。 = 3 * GB2 * MERGEFORMAT Froude數(shù)水平慣性力與重力之比，表示重力對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響程度。時(shí)，重力加速度遠(yuǎn)小于慣性加速度，重力可忽略不計(jì)；時(shí)，慣性力可忽略。9、Rossby變形半徑是風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)相互調(diào)整保持地轉(zhuǎn)平衡的一個(gè)臨界水平尺度，可以用來(lái)區(qū)分大氣運(yùn)動(dòng)的尺度。大于，地球旋轉(zhuǎn)起顯著作用，具有地球流體的顯著特征；小于，地球旋轉(zhuǎn)影響不大。對(duì)于正壓大氣，其相當(dāng)于重力外波在慣性特征時(shí)間內(nèi)傳播的距離。根據(jù)其與擾動(dòng)水平特征尺度的相對(duì)大小可判斷地轉(zhuǎn)適應(yīng)的方向。10、

9、浮力頻率（Brunt-Vaisala）：是指氣塊由于浮力作用而產(chǎn)生垂直振蕩的頻率，即 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 位溫隨高度上升，穩(wěn)定層結(jié)，； = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 位溫隨高度不變，中性層結(jié)，； = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 位溫隨高度減少，不穩(wěn)定層結(jié)，；11、淺水近似（正壓模式）：大氣滿(mǎn)足靜力平衡且是均質(zhì)不可壓的，下界面為平坦地面，上界面為自由表面，滿(mǎn)足形態(tài)比H/L1；層結(jié)可以忽略（垂直方向相對(duì)均勻）兩個(gè)條件的淺薄系統(tǒng)中的近似稱(chēng)為淺水近似。12、淺薄系統(tǒng)：=D/H，稱(chēng)為無(wú)量綱厚度參數(shù)。D為系統(tǒng)的特征厚度；H為大氣的特征高度。當(dāng)1

10、時(shí)，DH，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是淺薄系統(tǒng)。反之，1時(shí)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是深厚系統(tǒng)。針對(duì)一個(gè)具體的天氣、海洋系統(tǒng)，比如層狀云由于垂直尺度小，為淺薄系統(tǒng)，對(duì)流云的垂直尺度大，為深厚系統(tǒng)。13、大氣大尺度運(yùn)動(dòng)階段性適應(yīng)過(guò)程和演變過(guò)程在時(shí)間尺度上可區(qū)分開(kāi)來(lái)。一旦局部有不平衡（非地轉(zhuǎn)）出現(xiàn)，首先進(jìn)行適應(yīng)過(guò)程，等運(yùn)動(dòng)場(chǎng)大體上恢復(fù)到準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)，演變過(guò)程引起的變化才比較顯著。 = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 適應(yīng)過(guò)程：由非地轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)地轉(zhuǎn)，是以慣性重力波頻散的快速過(guò)程，是線(xiàn)性的。需要的時(shí)間不長(zhǎng)，在時(shí)間尺度里發(fā)生劇烈變化。當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)平衡被破壞后，風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)進(jìn)行快速調(diào)整，達(dá)到新的地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)，這種動(dòng)力調(diào)整過(guò)程稱(chēng)為“地

11、轉(zhuǎn)適應(yīng)過(guò)程”，是一個(gè)快速的，由地轉(zhuǎn)不平衡到平衡的過(guò)程。 = 2 * GB2 * MERGEFORMAT 演變過(guò)程：地轉(zhuǎn)平衡下，以平流為特征及Rossby波頻散的緩慢過(guò)程，是非線(xiàn)性的。平流起重要作用，渦旋屬性是一個(gè)重要屬性。準(zhǔn)地轉(zhuǎn)狀態(tài)下的緩慢過(guò)程，稱(chēng)為“地轉(zhuǎn)演變過(guò)程”。 = 3 * GB2 * MERGEFORMAT 地轉(zhuǎn)適應(yīng)過(guò)程與地轉(zhuǎn)演變過(guò)程的不同點(diǎn) = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上，前者是非地轉(zhuǎn)，后者是準(zhǔn)地轉(zhuǎn)； = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 時(shí)間尺度上，前者是快過(guò)程，后者是慢過(guò)程； = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 平流項(xiàng)的重要性上，

12、前者量級(jí)小，可忽略，可視為線(xiàn)性過(guò)程，后者很重要，不可忽略，非線(xiàn)性過(guò)程； = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 運(yùn)動(dòng)形式上，前者位勢(shì)運(yùn)動(dòng)和渦旋運(yùn)動(dòng)同等重要，后者以渦旋運(yùn)動(dòng)為主14、時(shí)間邊界層：以時(shí)間為厚度，小于此特征時(shí)間的過(guò)程為地轉(zhuǎn)適應(yīng)過(guò)程（不平衡的快速變化過(guò)程），大于此特征時(shí)間的過(guò)程為準(zhǔn)地轉(zhuǎn)演變過(guò)程（準(zhǔn)平衡態(tài)的緩慢演變過(guò)程）。15、地轉(zhuǎn)適應(yīng)的物理機(jī)制 = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 局部的非地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生地轉(zhuǎn)偏差擾動(dòng)，激發(fā)出慣性重力外波，通過(guò)該波動(dòng)頻散非地轉(zhuǎn)能量，從而重建（恢復(fù)）地轉(zhuǎn)平衡。 = 2 * GB2 * MERGEFORMAT 在科氏力作用下，在波動(dòng)過(guò)程中散

13、度場(chǎng)與渦旋壓力場(chǎng)相互作用，渦旋場(chǎng)與壓力場(chǎng)相互調(diào)整，當(dāng)非地轉(zhuǎn)能量彌散到無(wú)窮遠(yuǎn)處，壓力場(chǎng)與渦旋就處于地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)。16、準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成的原因 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 地球和太陽(yáng)的位置相對(duì)固定，使地球南北接受的太陽(yáng)輻射能受到限制，從而制約了大氣的水平速度尺度； = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 重力場(chǎng)的作用使大氣質(zhì)量向靠近地球固定邊界的一薄層中堆積，從而制約了鉛直氣壓梯度，限制了大氣運(yùn)動(dòng)的鉛直尺度； = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 地球旋轉(zhuǎn)作用制約了水平氣壓梯度，限制了大氣運(yùn)動(dòng)的水平尺度； = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 這些條件

14、使得中緯度大尺度運(yùn)動(dòng)是一種緩慢運(yùn)動(dòng)，根據(jù)泰勒-普勞德曼定律可以推論出它必然具有準(zhǔn)水平、準(zhǔn)地轉(zhuǎn)的特征。17、群速度、相速度、頻散波、非頻散波 = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 相速度：是載波移動(dòng)的速度，即群波中具有相同位相點(diǎn)的移動(dòng)速度。表示波形移動(dòng)的速度，； = 2 * GB2 * MERGEFORMAT 群速度：是指波包移動(dòng)的速度，即群波中具有相同振幅點(diǎn)的移動(dòng)速度，表示波列（波群）能量傳播的速度，； = 3 * GB2 * MERGEFORMAT 頻散波：若相速不僅依賴(lài)于介質(zhì)的物理性質(zhì)，還依賴(lài)于波長(zhǎng)（波速），不同波長(zhǎng)的波相速不同，波群隨波的傳播而散開(kāi)，稱(chēng)為頻散播； = 4 * G

15、B2 * MERGEFORMAT 非頻散波：若相速僅依賴(lài)于介質(zhì)的物理性質(zhì)，不依賴(lài)于波數(shù)，稱(chēng)為非頻散播。18、斜壓不穩(wěn)定及其物理機(jī)制斜壓不穩(wěn)定：發(fā)生在具有垂直切變基本緯向氣流中的長(zhǎng)波不穩(wěn)定稱(chēng)為斜壓不穩(wěn)定，長(zhǎng)波的斜壓不穩(wěn)定與垂直風(fēng)切變和波長(zhǎng)有關(guān)，最不穩(wěn)定波長(zhǎng)約為4000-5000km。斜壓不穩(wěn)定的擾動(dòng)能量主要來(lái)自于有效位能的釋放，斜壓不穩(wěn)定是中緯度天氣尺度擾動(dòng)發(fā)生發(fā)展的主要物理機(jī)制。溫帶氣旋的生成，斜壓Rossby波的發(fā)展即為斜壓不穩(wěn)定的典型現(xiàn)象。19、非彈性近似、Boussinesq近似 = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 非彈性近似：大氣中像積云對(duì)流這樣的水平尺度較小的系統(tǒng)，靜力平

16、衡不再準(zhǔn)確適合，此時(shí)，不考慮密度擾動(dòng)變化，常在連續(xù)性方程中省略一項(xiàng)，這就是非彈性近似。其他方程與標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)近似相同。 = 2 * GB2 * MERGEFORMAT Boussinesq近似 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT Boussinesq近似下，除去浮力項(xiàng)，即與g相乘的項(xiàng)，均只考慮的變化，即用替代； = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 取Boussinesq近似的流體稱(chēng)為Boussinesq近似流體，這是一種均勻不可壓縮的流體，但計(jì)入了密度擾動(dòng)對(duì)浮力的影響，適用于密度變化不大的流體。比如，海洋或者大氣中的淺薄系統(tǒng)； = 3 * GB3 * MERGEFORMAT

17、 當(dāng)高度尺度接近密度標(biāo)高時(shí)，Boussinesq近似不適用。地轉(zhuǎn)風(fēng)、熱成風(fēng)、Taylor-Proudman定理 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 地轉(zhuǎn)風(fēng)：對(duì)于中緯度天氣尺度運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，在水平方向上地轉(zhuǎn)偏向力和氣壓梯度力近于平衡，水平運(yùn)動(dòng)方程；則表示了兩個(gè)力的平衡關(guān)系。滿(mǎn)足上式的風(fēng)稱(chēng)為地轉(zhuǎn)風(fēng)。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 熱成風(fēng)：大氣層內(nèi)地轉(zhuǎn)風(fēng)的垂直切變稱(chēng)為該氣層的熱成風(fēng)。熱成風(fēng)方向與平均等溫度線(xiàn)（等厚度線(xiàn)）平行，在北半球背風(fēng)而立，高溫在右，低溫在左。熱成風(fēng)的大小與平均溫度梯度成正比，與科氏力f成反比。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 沒(méi)有溫差，熱成風(fēng)則退化成Taylor-Proudman定理，存在南北溫差，Taylor-Proudm