地球流体动力学1的.ppt

地球物理流体动力学 Geophysical Fluid Dynamics 南京信息工程大学 大气科学学院 王 文 wangwen@unist.edu.cn;Geophysical Fluid Dynamics 地球物理流体动力学 余志豪 杨大升 等 参考文献： 1．J. Pedlosky，地球物理流体动力学导论 2．A.E. Gill，大气-海洋动力学 3．S. Friedlander，地球物理流体动力学数学理论导论 4．刘式适，刘式达，大气动力学 5．小仓义光，大气动力学原理 6．杨大升，动力气象学 7．郭晓岚，大气动力学 8．J.R. Holton，动力气象学引论 9．刘式适，刘式达，地球流体力学中的数学问题 10．巢纪平，厄尔尼诺和南方涛动动力学 11．朱抱真等，大气和海洋的非线性动力学概论;动力气象在流体力学的基础上研究地球大气的运动规律，它与一般的流体力学有所不同，它具有自身的特点，这些特点是由地球大气运动的固有特征决定的。 首先，气象上有重要意义的运动具有相当大的尺度，其水平尺度从百公里到数千公里，甚至达到地球半径的大小。对于这些运动，地球的旋转具有重要影响。地球上的物体都受到地球旋转的作用，赤道地区的物体具有量级为400m/s的相对于地球轴的旋转线速度，远大于大气中的典型风速—10m/s。同时，地球旋转产生的涡度与大气中典型的大尺度运动产生的涡度相比，也是非常大的。因此，对于气象上具有重要意义的大尺度运动，地球旋转的影响必须考虑。;其次，大气受到地球重力场的作用，使大气质量向地表集中，造成大气密度随高度递减。此外，太阳辐射引起的地面非均匀加热，也造成大气密度的显著变化，这种大气密度的不均匀分布，使大气具有层结特征。对于大尺度大气运动，密度向上递减的大气层结，使大气运动几乎总是重力稳定的，其结果是使平行于局地重力方向的运动受到抑制，这就有助于产生准水平的大尺度运动。同时，稳定层结还使大气大尺度运动具有另一重要特性，即运动的水平尺度远大于其垂直尺度，也就是说，大尺度大气运动发生在非常薄的大气层内，对于这种运动，静力近似高度精确成立。;第三，大气运动过程中凝结潜热的释放是大气运动的一个重要能量源，造成大气运动的发展，增加大气运动的复杂性。 此外，大气的斜压性、准不可压缩性也是大气的重要特性，对大气运动也产生重要影响。 第一章 引论 在本章中，将对地球物理流体及地球物理流体动力学的内涵作初步的框定，并对它的物理特性及最基本的动力学特征作简单的介绍，其中亦涉及一些准备知识和基础知识。;§ 1.1 地球物理流体 人类活动赖以生存的地球环境，主要是覆盖在整个地球上的大气圈以及约占地球表面积 70%的海洋。大气和海洋都属流体，它们的运动都应遵循流体力学的一般规律。由于它们各自的特征及种种历史原因，从19世纪开始出现了海洋动力学，到了20世纪初才开始形成大气动力学。对于大尺度海洋和大气运动的长期研究，人们发现这两者的运动规律具有多方面的共同特征。它们都是受热力、重力及地球旋转等三种基本因素支配，在动力学基本特征方面有着很多相同之处。于是本世纪70年代J. Charney(1972)及J. Pedlosky(1979)等人从大尺度运动规律角度出发，把地球大气和海洋概括成“地球物理流体”或“地球流体”这个统一的概念，从此就诞生了“地球物理流体动力学”或“地球流体力学”这门新型的学科。;显然，地球流体不同于一般的抽象流体，它具有地球的固有特征，但它又不是具体的大气和海洋，它是大气和海洋从大尺度运动方面得出的共性抽象。所以，具体说来地球流体力学就是在重力场、柯氏力场和加热作用下，旋转层结流体的大尺度动力学，即大气和海洋大尺度动力学的共性部份。 就大气和海洋这两种流体介质而言，它们的物理特性是有着明显的差异的。例如，大气的流动一般要比海流快100倍。尽管如此，它们的大尺度动力学特征却是有着多方面的共性。例如，第二章将要介绍的大气和海洋的大尺度运动的一阶近似（Ro=10-1）都是地转流，或者它们的流动基本特性都是地转的。因此把两种物理特性不同的流体介质即大气和海洋，概括成统一的地球流体来探索研究，这无论对大气或海洋环流的认识都是一个深刻的发展。;可是，在热力性质方面，大气和海洋是不同的。水的比热(cp)比空气大4倍，更由于水的密度比空气大1000倍，因而使得整层大气(单位面积)升高温度1K 所需的热量107J，只能使得25m厚海洋（单位面积）升高温度lK 。由此可见，海洋相对于大气而言是一个巨大的热库，海洋潜热是一个很重要的量。在热带地区只要每天蒸发4mm的海水，就足以使得那里的整层大气每天升温1K，这相当于热带地区辐射冷却的量级。海洋相对于大气是一个巨大热库的特征，虽不能构成它们在地球流体力学的共性部分，但却在海-气相互作用、调节