准地转理论及其在天气预报中的应用(I基本理论补充)李国平.pptVIP

成信院李国平 新型大气旋转诊断量 1、位涡理论的新进展 湿位涡有2种定义。 （1） 或 诊断量：WPV， （湿位涡倾向） 其中，湿静力稳定度 和等压面绝对涡度 的乘积。对 于绝热、无摩擦的大气运动，WPV一个守恒量。 （2） 诊断量：湿空气的位涡（MPV=MPV1+MPV2） （早期）湿位涡WPV (现在)湿位涡MPV： 成信院李国平 MPV=WPV+斜压项 忽略垂直运动的水平变化，在绝热、无摩擦条件下，p坐标系中湿空气的位涡MPV守恒，即广义位涡定义中取 ， 。式中 是相当 位温。如果MPV0，大气为湿对称稳定；MPV0，大气为 若将MPV分解为正压项（干位涡？）和斜压项，则分别有 理解： 湿对称不稳定。 成信院李国平 倾斜涡度发展（SVD）理论： 将类似θe 倾斜为前提的垂直涡度发展定义为倾斜涡度发展（简称SVD）。数值模拟表明： 当θe面非常陡立时，SVD发展可以十分急剧，比水平散度项引起的涡度发展大一个量级以上。因此， 垂直涡度增长的充分条件为： 。因此，在对流不稳定大气 中， ，只有MPV20，垂直涡度才能得到较大增长；在对流稳定大气中， ，只有MPV20，垂直涡度才能得到较大增长。也就是说垂直涡度的发展 可在对流不稳定大气中发生，也可以在对流稳定大气中发生，θe面的陡立是倾斜涡度发展的重要条件。 SVD理论是剧烈天气发展的一种重要机制。 成信院李国平 更加全面地分析可知，在诱发SVD的过程中，风垂直切变、稳定度和斜压性的影响不是孤立的，三者可结合成一个天气指示意义明显的综合热力参数 加以考虑。沿倾斜等熵面下滑的气块，当综合热力参数 减小时，其垂直涡度将发展。 逐渐形成的位涡动力学： （1）等熵位涡（IPV）思想：解释气旋生成，发展斜压不稳定理论 （2）位涡反演技术：由位涡和边界条件反演风场和质量场（利用位涡的可逆性） （3）分层位涡反演技术：分辩各种物理过程对系统发展的具体作用（贡献） 成信院李国平 2、拟能 （1）涡度拟能（涡度动能）： ，表征运动的旋转能力。 （2）涡度拟能方程： 意义：涡度拟能的变化由散度项、扭转项和外源项（包括摩擦项）引起。 （3）位涡拟能： 与此涡度拟能类似，可根据准地转位涡（§6）定义（准地转） ， 但其物理意义是什么？ 位涡拟能 成信院李国平 3、螺旋度及其守恒 （1）螺旋度： 螺旋度（也称螺旋性）是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力特性的物理量，最早用来研究流体力学中的湍流问题，在等熵流体中具有守恒性质。其严格定义为 表示 的程度（平动+转动）。因此，可用H反映旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度。 （2）螺旋度守恒：对等熵流体，H为守恒量。地转运动中，大气的螺旋度保持守 恒，即 。 气象中最初把螺旋度用于湍流尺度问题，后多用于分析 涡管相互扭结 强雷暴、强风暴等 中小尺度系统的整体旋转发展和维持机制。 成信院李国平 （3）螺旋度的意义 对大尺度运动，呈准水平状态，水平速度分布不均匀所引起的涡度主要是垂直方向的，则 ，即气旋区域，有上升运动；反气旋区域，有下沉运动。 就全球而言， 表示系统可以是气旋性或反气旋性旋转，但螺旋度总是不等于零的。 （4）局地螺旋度 通常人们所说的螺旋度是局地螺旋度h，定义为 其中 为三维风速矢量， 为三维微分算子。若定义 为水平风速， 为垂直运动速度， 为涡度的垂直分量， 成信院李国平 则螺旋度可写为 螺旋度的优点：同时考虑涡度、散度和垂直速度 螺旋度的指示意义： 1）“水平”螺旋度：可判断有无风暴 2）“垂直”螺旋度：表征风暴维持与发展的程度 成信院李国平 z坐标系下的z-螺旋度计算公式为