（精）4章 大气基本动力过程.ppt

* * (一) 罗斯贝（Rossby）波1. 罗斯贝波 通过推导，可得波在x方向的相速度是： L0为罗斯贝变形半径 k，l 为波数矢量在x，y轴上的分量 右式所表示的是地球大气最重要的波动——罗斯贝（Rossby）波，又称大气长波。 由于这种波动的波长近于地球半径，故亦称“行星波”。 * * 1. 罗斯贝波 这是世界著名气象学家罗斯贝在1939年提出的。 他指出：由于地球旋转，大气运动要受到科里奥利力的作用，而科里奥利力随纬度变化，这将产生大气中一种波长为几千公里的波动，这种波动将控制着地面高、低压的移动。 因此，大气长波的存在不仅可以很好解释高空天气图上槽脊的移动，而且还可以解释地面附近的天气变化。 * * 1. 罗斯贝波 * * 2、罗斯贝波产生的物理机制 大气长波产生的物理机制是由于科里奥利力随纬度的变化，这可以很简单地用地面（正压）无辐散的绝对涡度方程来说明。 不考虑垂直方向的变化，（4.4.9）方程可变成： 称为绝对涡度守恒方程。 它说明了若不考虑外部对大气的加热以及大气在垂直方向的变化，即是一种无辐散大气，则大气的绝对涡度是守恒的。 zeta，相对涡度 * * 利用绝对涡度守恒可以说明罗斯贝波的物理机制 当在均匀的西风气流中有一气块由于某种原因向南运动，由于它所受科氏力要变小，则此气块的相对涡度要增加，因此，如图所示的A点，此气块流线呈气旋性弯曲（涡度0，气旋式涡度）； 随着气块不断南移，流线的曲率不断增加，如图所示的B点；当流线的气旋性曲率达到最大，这时f最小，而ζ最大，气块不能再向南移动； 为了保持f+ζ为常数，气块必须向北移动，这样，引起f增加，ζ变小，则流线的反气旋曲率增加，如图所示的C点；当流线的反气旋曲率达到最大，气块又必须向南移动，这就形成了如图所示的波动。 2、罗斯贝波产生的物理机制 * * 3. 罗斯贝波的动力特征 若不考虑水平的辐合、辐散，则罗斯贝波（或大气长波）的位相速应是 * * 3. 罗斯贝波的动力特征 一般在45°N附近，β=16×10－11/ms 假定基本气流u=20m/s 并设经向波数 l≈0 从上两式可以求得罗斯贝波的纬向波长与相速的关系（表4.6.1） 气象中绕地球一周的波数 * * 从上表可以看到： （1）罗斯贝波相对于基本气流是向西传播的。 （2）一般500hPa西风带凤速大约是20~50m/s，若取20m/s，那么，波数为5、6、7的罗斯贝波在西风带上是向东前进的，它们的移速大约为10 m/s左右，这与从高空所见到的长波槽脊移动速度一致。这也是说，处于中、高纬地区的西风带上某一测站大约6～7d就有一长波槽移过。因此，从理论上求出的大气长波的波速与观侧事实很一致。 冬季在我国东部、西部地区大约6~7d就有一次寒潮过境，这是由于6～7d左右在高空有一大气长波槽（罗斯贝波）过境所致，因此，（4.6.21）式广泛用于天气预报，使得日常天气预报有了理论依据。 （3）还可以发现：纬向波数1～4左右的波，以前称超长波，现在一般称行星波，它在西风带上以很大的速度向西后退。但是根据观侧事实，它并没有后退，这是由于动力方程组（4.6.14）一般只适用于具有运动水平尺度L等于或比地球半径略小的大气长波，若波长大于地球半径的行星波动，则应使用另外的动力方程来讨论。 * * 4. 罗斯贝波的频散 物理上通常把波的相速度与波数有关的波称色散波。正如（4.6.21）式所示，罗斯贝波的相速度与波数有关，故它是一种色散波。 色散波的特点是波在传播过程中会发生频散现象。 从天气图上所见到实际的扰动，它应是不同波长组成的合成波，此合成波的包络线（波包）的传播代表着合成波最大振幅的传波，也是合成波能量的传播。 正如前面所述，它应以波的群速度来传播，即（4.6.22） * * 4. 罗斯贝波的频散 若考虑大气是无辐散的，并把（4.6.20）式代入（4.6.22）式，这样就有： 右式说明了一个重要的事实，若纬向波数k较大，则Cg＞0，这表明大气长波的扰动能量总是向气流的下游传波的，这称上游效应。 * * 4. 罗斯贝波的频散 这是我国著名气象学家叶笃正所发现的，他指出： 由于长波的相速度是质点的移动速度，波的群速度是扰动能量的传播速度，而扰动动能并不是简单地向下游平流，而是通过能量以比扰动质点运动更快的速度向下游传播，从而在气流的下游激起另外的扰动。 长播的频散原理在日常天气常有表现，冬季在西欧或乌拉尔山地区有长播槽脊发展时，它常常会引起我国上空较弱的天气系统形成，因此，经常在寒潮到来之前，我国东部先有一些天气现象发生，这也是寒潮到来的前兆。 上游效应也是中期天气预报的科学依据之一。 * * 重力波知识 重力波：不可压缩流体中一种以重力为恢复力的波。 它通常存在于两种不同流体（例如气体和液体）的分界面（即