第四章 平衡流场.pptVIP

第四章 自由大气中的平衡运动(Balance Flow) 由尺度分析可知，大尺度运动中铅直速度远小于水平速度，运动是准水平的，并且对于中纬度大尺度运动而言，运动是准定常的，在水平方向上作用于大气的力基本上相平衡。 一、地转平衡与地转风、热成风 1.地转平衡与地转风(Geostrophic Flow) 自由大气中，水平气压梯度力与科氏力二者的平衡称为地转平衡；相应的空气水平运动称为地转风，记为Vg。 地转平衡满足： 地转风Vg，是水平等速(dVh/dt＝0)运动，风向与等压线平行(运动定常时，等压线为地转风的流线)，而且在北半球，背风而立，高压在右，低压在左；南半球相反，风速大小与水平气压梯度力的大小成正比，与空气密度、科氏参数成反比。 地转平衡关系的重要性： 揭示了风场与气压场之间最简单，最基本的联系。 由地转风的表达式看到，地转风的大小取决于同一等高面上的气压梯度，即又决定于等压面的坡度，如等压面的坡度不随高度改变，即如果不同高度上的等压面都平行，那么，地转风就不随高度改变。 （1）正压大气和斜压大气 概念 总结： 斜压大气与热力过程相对应； 驱动中高纬大气（斜压大气）运动的主要机制是：大气的斜压性； 驱动热带大气（正压大气）运动的主要机制是：潜热释放。 地转风，P坐标： 定义：热成风为垂直方向上两等压面上地转风的矢量差。 由（5）式可见，等压面上平均温度分布的不均匀，引起了热成风 。 由此可见，热成风方向与等平均温度线平行，北半球，背风而立，高温在右，低温在左；大小与等压面上的温度梯度成正比（即等温线的疏密成正比）。 热成风的重要物理意义： 揭示了静力平衡下大尺度运动中风场、气压场、温度场之间的关系。 见书：P95 1.地转偏差与动能制造 从能量学的角度来看，地转偏差对大气运动动能的制造有重要的作用。 2.地转偏差与水平运动、垂直运动的关系 物理意义： 有地转偏差时，风可以穿越等压线运动，引起质量重新分布，造成气压场，风场的变化，从而推动天气系统的演变。 由此可见，地转偏差与加速度相互垂直，在北半球指向水平加速度的左侧。大小和水平加速度成正比，和纬度的正弦成正比。 证明： Φ1 Φ2 V Vg 因此，地转偏差对大气运动动能的制造和转换具有重要作用。 因此，实际风的水平散度就是地转偏差的水平散度。 由此可见，垂直运动与水平散度联系在一起。 * * 讨论在一些力的平衡下的大气水平运动，即所谓大气平衡运动。这些平衡运动有：地转风、梯度风、旋转风等，这些平衡运动反映了大气运动的基本特征。 地转风公式： 大尺度运动处于准地转平衡状态，这是大尺度运动一个重要性质。 2、热成风 — 由热力作用引起的(Thermal Wind) 地转风可能随高度发生变化吗？ 地转风随高度的变化产生热成风。 是什么因素决定等压面的坡度随高度变化呢? 正压大气中等压面、等密度面、等温面重合； 斜压大气中等压面与等温面、等密度面相交。 表征项： 斜压矢量 力管项： 正压流体： 等压面平行于等容面，力管项为0 斜压流体： 等压面与等容面相交，力管项不为0 由图示可知： 可见，大气斜压性与等压面上温度分布不均匀相联系－－热力过程相对应； 地转风，Z坐标： 取决于同一等压面上的位势梯度，即等压面坡度。 等压面上温度分布均匀 －－正压大气情形，密度仅仅和气压有关 P+与P-之间二个气柱重量相同，密度相同 －－高度也相同 －－ P+与P-平行 －－两等压面没有坡度变化—地转风不随高度变化—热成风为0 等压面上温度分布不均匀 －－斜压大气情形，暖区密度减少，气柱膨胀。 P+与P-之间二个气柱重量相同，密度暖区小于冷区 －－高度h1h2 －－ P+与P-不平行 －－两等压面有坡度变化- —地转风随高度变化—热成风存在 由此可见：斜压大气是地转风随高度改变的充分必要条件，即热成风是与大气的斜压性相联系，与热力作用相关。 （2）热成风 热成风定义 已知地转风： 地转风随高度(地转风随气压坐标)的变化为： 热成风表达式推导： （1） 进一步： （2） （3） 将（2）代入（1） (4) （5） 两等压面间厚度梯度 从以上讨论可见： 正压大气，等压面上温度分布均匀，热成风为0，上下运动一致。 斜压大气，等压面上温度分布不均匀，热成风不为0，上下运动不一致。 例如： （1） 副热带高压： 从低层、到中层、直到高层，都表现为高压（反气旋） －－正压系统 成因－－动力作用； （2）夏