第二章大气运动的基本特征.doc

大气运动的基本特征 地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。大气运动在时间和空间上具有很宽的尺度谱，天气学所研究的是那些与天气和气候有关的大气运动。对这些运动，可忽略离散的分子特性，可以视大气为连续的流体介质，表征大气状态的物理变量（如气压、密度、温度）在大气这具有单一的值，这些场变量和它们的导数是空间和时间的连续函数，控制大气运动的流体力学和热力学基本定律可以用场变量作为因变量和空间、时间变量作为自变量的偏微分方程表示。 大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。 §2—1 影响大气运动的作用力 基本作用力 影响大气运动的基本作用力：是指大气与地球或大气之间的相互作用而产生的真实力，它的存在与参考系无关。 气压梯度力：作用于单位质量的气块上的净压力，称为气压梯度力。当气压分布不均匀时，气块会受到净压力的作用。 （1） 其中，为气块密度， 称为气压梯度力。是由于气压分布不均匀而造成的。气压梯度力与气压梯度成正比，与密度成反比。方向指向的方向，即由高压指向低压的方向。 地心引力 由牛顿万有引力定理说明，宇宙间任何两个物体之间都具有引力： 所以，地球对单位质量空气的引力（地心引力）为： 设：地球的半径为（地心到海平面的距离），海拔高度为，则 在气象学范围内，的值一般为数十公里，而地球半径竟达6000多公里，故可作为常数。地心引力始终是作用于大气的真实的力。 摩擦力 大气是一种粘性流体，它同任何实际流体一样都受内摩擦的影响。 大气是一种低粘性流体，在100km以下的大气层内，运动学粘滞系数很小（海平面标准大气压下， ），除了在近地面几厘米的薄层内因风的垂直切变很大而需要考虑分子粘性外，在其他气层都可以忽略分子粘滞性作用。在地面边界层以外，大尺度流场到处都存在着小尺度的湍流涡旋，动量主要由湍流运动来传递。 外观力（视示力） 由于旋转坐标系是一种非惯性参考系，牛顿定理要应用，必须引入两个视示力：惯性离心力和地转偏向力。 惯性离心力 在惯性坐标系或绝对坐标系中，相对于地球运动的物体是作加速运动的。 地球绕地轴自西向东转，一天转一周，其角速度： 小时 惯性离心力是在非惯性参考系这应用牛顿第二定理来解释的结果。因此，当我们站在地球上观察时（在相对坐标系这）地表上每一静止的物体都会受到惯性离心力的作用。 地转偏向力 相对于旋转坐标系处于静止状态的空气块，只要在作用力这包括惯性离心力就可以在旋转坐标系中应用牛顿第二定律，但当空气块相对旋转坐标系运动时，除了要引入惯性离心力外，还需要引入另一种视示力，即：科里奥利力（地转偏向力），才能应用牛顿第二运动定律描述旋转坐标系中的相对运动。 地转偏向力是影响旋转坐标系中大尺度运动特征的一个很重要的力。为了便于了解其性质和对大气运动特征的影响，取固定于地球表面上的局地直角坐标系。如图： § 2—2 大尺度运动系统的控制方程 上节依据基本守恒定律导出的运动方程、连续方程和热力学方程，比较全面地包括了影响大气运动的各种物理因子，它们是支配大气这各种运动的基本方程。然而，实际大气这所出现的各种不同规模和维持时间的运动和运动系统，不仅形式有显著差异，而且其动力学和热力学特性也有很大差别，原因在于各个物理因子对不同类型运动的作用具有不同的相对重要性。为了揭示和研究不同类型的运动特征和规律，必须突出基本方程这对不同类型运动起决定性作用的主要因子，略去次要因子，也就是说要针对研究对象进行方程简化。 尺度分析和大气运动系统的分类 尺度分析：针对某种类型的运动估计基本方程各项量级的一种简便方法。 首先：确定方程中各种量的特征值（特征尺度） 各场变量的数量级； 各场变量的变化幅度； 出现这些变化的特征长度、厚度和时间尺度。 然后：用这些典型值比较方程中各项的大小。 大尺度系统的运动方程 1、水平方向的简化方程： 零级简化：就是只保留方程中数量级最大的项，而将其它各项均略去不计。 零级简化方程： 这就是著名的地转平衡方程，反映了大尺度系统最基本，最主要的运动情况。它描述了水平气压梯度力和地转偏向力相平衡的运动，反映出大尺度运动中风场与气压场的关系，在日常分析中很有用处。由于零级简化方程已略去加速度项，故它只是一个诊断方程，不能反映大气运动的变化情况，也就失去了预报意义。 一级简化：保留方程中数量级的最大项和次大项，略去其它更小的项。 一级简化方程： 这是一个预报方程，包括了风速分量、对时间的微商项，可以讨论风场随时间的变化。称为地转参数 垂直运动方程的简化：零级及一级简化均为： 这就是气象学中的静力方程，它同样适合于大尺度运动系统，而且具有很高的准确性。 大气运动的重要性质 根据运动方程的尺度分析，大气运动具有如下重要性质： 1、大气中的大尺度运动（忽略摩擦