动力气象学第五章.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 系统有辐合、辐散运动： 系统整体作南北运动： 水平无辐散，则： ——绝对涡度守恒 定义：由于科氏参数随纬度变化，当气块作南北运动时，牵连涡度发生变化；为了保持绝对涡度守恒，这时相对涡度会发生相应的变化（系统发生变化），这种效应称为 — 效应。 3.绝对涡度守恒的应用 解释平直西风气流受扰动后呈波状轨迹的现象 解释： 若在平直西风气流中(ζ=0)，有一扰动促使空气向北运动（v 0），由于β效应，相对涡度ζ↓，变成反气旋式曲率，到一定时刻，它要维持(f+ ζ)绝对涡度守恒，必然要产生向南的运动（v0），由于β效应，相对涡度ζ↑，这样反气旋式曲率要逐渐转化为气旋式曲率，所以空气微团水平运动过程中，要维持绝对涡度守恒，就要形成一个波状的轨迹。 （4） 四、Taylor-Proudman定理 定理：在均质不可压、无摩擦流体的缓慢、定常运动中，流体运动速度在其旋转方向上大致保持不变，即运动是两维的。 书P115，公式（6.58) 大尺度运动是否满足这个定理？ 大尺度运动是准地转运动，对于地转运动满足： =0 五、位涡方程 描述大气完整运动 动力学场 热力学场 环流——动力学场 涡度——动力学场 连续方程 热流量方程 新的约束条件？ 位势涡度 1．位涡(Potential vorticity)： 综合动力作用和热力作用的物理量，与 有关。 位涡方程 ： 物理量 称为位涡 2.位涡方程的推导 位涡是一个热力学与动力学量组合的物理量。 位涡方程由涡度方程、连续方程、位温方程三个方程导出。 3．位涡守恒的条件： 绝热无摩擦 4．大尺度大气运动 且是均质不可压缩大气——热力作用？ 垂直方向上位涡守恒的形式 5．绝热过程下的位涡守恒（气柱爬越高原） H介于两等位温面之间的气柱厚度。 均质大气（绝热过程）情形下，位涡守恒可以化为涡度方程（纯动力过程）。 6.绝热过程下位涡守恒的应用 解释南北向地形对西风气流的影响而产生的迎风脊和背风槽现象 当气流接近迎风坡（A-B）时，气柱开始爬坡，其厚度H减小，为了保持位涡守恒，其相对涡度必然变为负值ζ0（f不变），这样空气柱获得反气旋式涡度而向南运动，如上图xy平面上的迹线所示。当气柱一过山顶（B-C），其位置已在原纬度以南，因而f较小，且在背风坡气柱的厚度H逐渐增加，因而气旋式涡度逐渐增加。当到达山脚时，气柱恢复到原来的厚度，此时气旋式涡度达到最大，形成背风槽。随后，气旋曲率伴有向北运动，f增加，ζ减小，则反气旋式涡度逐渐增加，当气柱到达一定纬度时，反气旋式涡度达到最大，从而迫使空气柱反过来向南运动。这样在山后便形成了一个波动，交替形成一系列的脊和槽。但是由于摩擦和其他因素的影响，在天气图上一般只能看到第一个槽，而波动的其余部分因阻尼作用而消失。 假定大气的层结是稳定的，并且山脉的迎风面为均匀的西方气流，因此ζ=0。如果运动是绝热的，那么在两层等位温面之间的气柱在越过山脉的过程中，其顶部和底部总保持在两个等位温面上。 * * * * * * * * * * * * 第五章 涡旋动力学 (Circulation and Vorticity) 观测表明，大气运动具有明显的涡旋运动的特征。例如：气旋，反气旋，台风，海陆风环流等等。这些都是很重要的涡旋运动系统。为了描述大气中的涡旋运动及其变化规律，要对大气基本方程组做一些处理，并引入新的物理量。 一、大气涡旋运动的描述 1. 环流与涡度的概念 （1）对涡旋运动特征进行度量的物理量有 ： Circulation and vorticity are the two primary measures of rotation in a fluid. Circulation, which is a scalar integral quantity, is a macroscopic measure of rotation for a finite area of the fluid. Vorticity, however, is a vector field that gives a microscopic measure of the rotation at any point in the fluid. （2） “环流”的定义： 任取定一有向物质环线 ，定义： （速度矢量沿一闭合路径 的线积分） （1） O z x y L 1）“任取定”——L氏观点：任意选取一物质环线，此环线上的质点是确定的，环线的形状位