准地转理论及其在天气预报中应用(i 基本理论)李国平准地转理论及其在天气预报中的应用(i 基本理论)李国平准地转理论及其在天气预报中的应用(i 基本理论)李国平准地转理论及其在天气预报中的应用(i 基本理论)李国平.ppt

什么情况下准地转近似不成立？ 大气的垂直运动主要是由地转偏差引起的。因此，也可以认为天气系统的变化是由地转偏差引起的。 自转地球上，大型大气运动大体上是重力、气压梯度力和科里奥利力处于准平衡状态，但又不能是完全地转的，否则就没有天气的变化和发展。因此，地转平衡是重要的，地转平衡的破坏即地转偏差的存在也是重要的，并且平衡是暂时的，不平衡是长久的。 由于地球大气运动经常处于平衡或准平衡状态，如垂直方向上的静力平衡和水平方向上的地转平衡 但有时在局部区域也会出现明显的非地转平衡状态，此时地转偏差较大。 当大气局部区域出现较强的地转偏差时，在气压梯度力和科里奥利力的不断作用下，通过整层大气的辐合、辐散的交替变化，使得该区域的地转偏差迅速减小，则气压场和风场原有的地转平衡得以恢复或新的地转平衡得以重建的大气动力过程就称为地转适应过程，也称地转调整过程 演变过程与适应过程的可分性 对于大气环流中一个基本理论问题，即地转平衡是如何形成的？大气环流中究竟是气压场还是风场为主导？究竟是风场向气压场调整还是气压场向风场调整？这是气象学术界长期争论的问题，也是天气预报的关键之一。 上世纪40年代以前，气象学家普遍认为，大气的环流主要是气压分布不均匀产生运动的结果，气压场在其中起了主要作用；但罗斯贝的研究则指出：气压场不是主导，风场是主导，不少实验也证明了这一理论的正确性，如1949年奥布霍夫对地转适应问题进行了比较完整的分析，在他分析的例子中也得到主要是气压场向风场适应的结论。孰对孰错？ 压场的变化，此时此流场适应气压场。 不同空间尺度的运动都存在着特征尺度，当实际运动的空间尺度大于这个特征尺度时，气压场起主导作用；当运动的空间尺度小于特征尺度时，风场起主导作用；对中小尺度的大气运动，同样存在适应问题。 该理论完善了大气运动各分量的相互作用过程的物理解释，在天气预报业务上有重要的应用。 进行天气图分析时，大形势侧重气压场，小系统则侧重风场（即流场）。 低压与低涡的区别 地转适应理论是动力气象学中的一个纯理论问题，此处讲的多是准地转理论（并且不讲推导，少讲公式），目的在于理解大尺度天气系统变化的物理机理。 准地转过程是高度复杂的非线性过程，难以用简洁的数学解析方法表达清楚（如热成风适应理论），只有依靠严谨的基本概念和定性的逻辑推理，把天气变化过程的机理想明白。 准地转动力学虽然是在干空气和绝热假定下讨论的，但也可以定性地推广到湿空气和非绝热的情况下，只要把潜热和非绝热的作用与温度平流的作用相类比，即可得出合理的结果。 气压梯度力，真实的力，只出现在散度方程中 地转偏向力只改变流场的形式（涡度?散度） 散度是地转平衡破坏的结果（地转平衡时散度为零） 散度方程的结论和运动方程的结论相同 气压场和流场的变化都有可能造成局地地转平衡的破坏 问题归结为：在地转平衡状态下，引起气压场和流场局地变化的原因？ 流场的局地变化由涡度平流引起 气压场的局地变化和温度变化有关（静力学关系） 温度变化引起等压面高度变化 静力学关系：等压面高度取决于温度 温度局地变化引起等压面高度变化 不均匀的温度局地变化，引起局地等压面形势变化，造成气压梯度力的变化 等压面厚度公式 （水平）温度平流 绝热变化（垂直平流和绝热个别变化） 非绝热变化 地转平衡情况下，w = 0， 干空气绝热过程中，Q ? 0 分解分析方法和热成风适应理论 陈秋士，《天气和次天气尺度系统的动力学〉，科学出版社，1987 准地转过程=破坏过程+恢复过程 高、低空一起分析 非地转 平衡状态 地转平衡 状态 地转平衡 状态 破坏过程 恢复过程 定常 风场和气压场之间是地转风关系 水平散度为零 垂直速度为零 地转平衡状态下，只有温度场的平流会改变气压场；涡度平流会改变流场 平流过程是地转平衡破坏的原因 ? 不平衡状态 平衡状态 与涡度平流相联系的准地转过程地转平衡的破坏： 高层正涡度平流气旋式环流加强，科氏力加大，引起辐散；低层负涡度平流，引起辐合。高层辐散、低层辐合，引起上升运动。 #涡度平流引起水平流场变化和次级环流 地转平衡的恢复 （高度场向流场的适应过程） 上升运动引起绝热冷却气柱收缩，高层等压面下降，低层等压面升高，气压梯度力增大；同时，散度引起的涡度个别变化抵消部分涡度平流。当与科氏力达到平衡时，散度和垂直运动消失，流场和高度场停止变化。 #次级环流的作用使三维流场的平流也造成温度场的变化，并恢复地转平衡 ?方程反映大尺度水平流场非线性过程所伴随的次级环流。 倾向方程反映地转平衡恢复后的流场。局地涡度变化总是小于平流变化。上升绝热冷却使流场的变化得以保留。 初始状态 不包括 平衡部分 正涡度平流 负涡度平流 绝热冷却 气压梯度变小 初始状态 不平衡状态 平衡状态 与温度平流相联系的准地转过程