大氣基本動(dòng)力學(xué)

第3章大氣基本動(dòng)力過程第一章大氣運(yùn)動(dòng)的基本特征

地球大氣的各種天氣現(xiàn)象和天氣變化都與大氣運(yùn)動(dòng)有關(guān)。大氣運(yùn)動(dòng)受質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。對(duì)氣象上有意義的是：將這些物理定律應(yīng)用于相對(duì)于自轉(zhuǎn)地球的大氣運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)是普遍的、絕對(duì)的。同一物體相對(duì)于不同的標(biāo)準(zhǔn)，具有不同的運(yùn)動(dòng)狀況，這叫做運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性。因此，觀測(cè)和研究地球大氣的運(yùn)動(dòng)必須選取恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系掌握大氣質(zhì)點(diǎn)的受力情況本章內(nèi)容第1節(jié)坐標(biāo)系第2節(jié)受力分析第3節(jié)大氣運(yùn)動(dòng)方程——風(fēng)壓關(guān)系第4節(jié)大氣運(yùn)動(dòng)方程及其特征第1節(jié)坐標(biāo)系坐標(biāo)系慣性參考系非慣性參考系太陽地球氣象上常用的有Z坐標(biāo)系，P坐標(biāo)系，球坐標(biāo)系，局地直角坐標(biāo)等球坐標(biāo)系局地直角坐標(biāo)系在空間任取一點(diǎn)O作為極點(diǎn),從O引兩條互相垂直的射線ox和oz作為極軸,再規(guī)定一個(gè)長度單位和射線ox繞oz軸旋轉(zhuǎn)所成角的正方向,這樣就建立了一個(gè)球坐標(biāo)系.1.1球坐標(biāo)系λφM(r,φ,λ)O為地心原點(diǎn)λ為經(jīng)度，以子午線為基線，方向與緯線相切，東為正向φ為緯度，以赤道平面為參考，方向與經(jīng)線相切，北為正向r為對(duì)象到地心的距離局地直角坐標(biāo)系局地直角坐標(biāo)系是不考慮球坐標(biāo)系的單位矢量隨時(shí)間的變化，將球面視為平面1.2局地直角坐標(biāo)系x方向：與緯圈相切，向東為正y方向：與經(jīng)圈相切，向北為正z方向：向上為正第2節(jié)受力分析在慣性坐標(biāo)系中，牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律成立，即：合力加速度真實(shí)力氣壓梯度力、地心引力、摩擦力非真實(shí)力慣性離心力、地轉(zhuǎn)偏向力真實(shí)力地心引力、摩擦力氣壓梯度力2.1氣壓梯度力當(dāng)氣壓分布不均勻時(shí)，單位質(zhì)量氣塊上受到的凈壓力稱為氣壓梯度力

x方向

同理y方向z方向長方體氣塊的密度ρ則：m=ρxyz單位質(zhì)量空氣的氣壓梯度力氣壓梯度力的特點(diǎn)1、-▽p為氣壓梯度，由氣壓分布不均勻造成2、G的大小與ρ成反比，與▽p的大小成正比3、

G的方向與與▽p的方向相反,即G由高壓指向低壓低1000hpa1002hpa1004hpa高1000hpa1002hpa1004hpa低壓中心高壓中心氣壓梯度力真實(shí)力氣壓梯度力摩擦力地心引力2.2地心引力真實(shí)力氣壓梯度力地心引力摩擦力2.3摩擦力產(chǎn)生原因：空氣的粘滯性外摩擦力：空氣與地表之間的摩擦力內(nèi)摩擦力：空氣之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力非真實(shí)力地轉(zhuǎn)偏向力慣性離心力2.4慣性離心力如果站在圓盤外，小球在做加速運(yùn)動(dòng)如果站在圓盤內(nèi)，小球相對(duì)靜止矛盾1.慣性離心力在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中引入的,與向心力相平衡(大小相等,方向相反)的力,稱為慣性離心力。它不是一種真實(shí)力,而是由于站在非慣性坐標(biāo)系中觀察運(yùn)動(dòng),而又企圖用牛頓第二定律解釋它的結(jié)果向心力：-Ω2R慣性離心力C=Ω2R慣性離心力C=Ω2RΩ=2p/24小時(shí)=7.29×10-5秒-1慣性離心力大小與Ω平方成正比,與緯圈半徑成正比,方向由地軸指向外.1個(gè)恒星日=23小時(shí)56分4秒=86164s重力萬有引力慣性離心力重力g旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的重力：單位質(zhì)量大氣所受到的地心引力與慣性離心力的合力。重力垂直于水平面，赤道最小，極地最大。非真實(shí)力慣性離心力地轉(zhuǎn)偏向力2.5地轉(zhuǎn)偏向力假如做這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn):在一個(gè)光滑圓盤的中心O置一小球m,邊緣一人甲和盤外一人乙面圓盤中心站立,三者位于一條直線上,如圖一所示.給小球m一初速V,使之沿直線OAB自O(shè)向A和B運(yùn)動(dòng).如果圓盤是靜止的,則小球會(huì)徑直向甲和乙滾來.給圓盤一角速度ω,使之逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),t時(shí)間后,甲將隨圓盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)到C點(diǎn).乙仍沒有動(dòng),在乙看來,小球仍朝自己迎面而來;而甲卻認(rèn)為,小球順時(shí)針偏轉(zhuǎn)了∠AOC的角度或CA的位移.如果使圓盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn),將會(huì)出現(xiàn)相反的情況

O

乙甲m甲引入地轉(zhuǎn)偏向力：水平地轉(zhuǎn)偏向力任一緯度A=2Ωvsinφ地轉(zhuǎn)偏向力（大小方向）與速度矢量的關(guān)系：當(dāng)|V|=0時(shí)，A=0，只有在做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，A才存在。A與V垂直，只能改變氣塊的運(yùn)動(dòng)方向，不能改變其大小。在北半球地轉(zhuǎn)偏向力時(shí)運(yùn)動(dòng)方向右偏，在南半球地轉(zhuǎn)偏向力時(shí)運(yùn)動(dòng)方向左偏。VVAA北半球向右偏南半球向左偏摩擦力氣壓梯度力萬有引力慣性離心力地轉(zhuǎn)偏向力真實(shí)力視示力摩擦力氣壓梯度力重力地轉(zhuǎn)偏向力空氣微團(tuán)的受力情況合力第3節(jié)大氣運(yùn)動(dòng)方程氣壓梯度力地轉(zhuǎn)偏向力重力摩擦力3.1地轉(zhuǎn)偏向力的分解水平地轉(zhuǎn)偏向力大氣中Az較小，垂直速度一般也較小，氣塊主要受Ax（2Ωvsinφ)、Ay(-2Ωusinφ)（水平地轉(zhuǎn)偏向力）影響，3.2局地直角坐標(biāo)系大氣運(yùn)動(dòng)控制方程第4節(jié)大氣運(yùn)動(dòng)方程及其特征尺度分析大氣運(yùn)動(dòng)方程特征零級(jí)簡化地轉(zhuǎn)風(fēng)梯度風(fēng)地轉(zhuǎn)偏差4.1尺度分析類別L(m)H(m)V(m/s)w(m/s)t(s)大尺度105~10610410110-2>105中尺度104~105103~104101100104~105小尺度<104103~104100~101100~101<1044.2大氣運(yùn)動(dòng)方程特征10-410-410-410-510-310-3水平運(yùn)動(dòng)垂直運(yùn)動(dòng)10-710-710-710-810110110-34.3零級(jí)簡化零級(jí)簡化：保留方程中數(shù)量級(jí)最大的各項(xiàng)，而其他項(xiàng)都略去不計(jì)。水平運(yùn)動(dòng)垂直運(yùn)動(dòng)地轉(zhuǎn)平衡靜力平衡風(fēng)沿等壓線吹，背風(fēng)而立，高壓在右（北半球）4.4地轉(zhuǎn)風(fēng)4.5梯度風(fēng)此平衡稱為“梯度風(fēng)平衡”，此時(shí)的風(fēng)稱為“梯度風(fēng)”。北半球，高壓中，風(fēng)呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，稱為“反氣旋”地轉(zhuǎn)偏向力+慣性離心力+氣壓梯度力=04.6地