[理学]动力气象学第3章.ppt

第三章 尺度分析与自由大气中的风场 一、尺度分析的概念 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； （二）热成风 地转风，Z坐标： 热成风为零，反之亦然 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 －－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 －－热成风不为0 可见：热成风是与大气的斜压性相联系，与热力作用相关。 已知地转风： 地转风随高度的变化为： 进一步： 等压面上温度分布的不均匀，引起了热成风 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）夏季的青藏高原： 高层是反气旋，低层是气旋， －－斜压系统 成因：热力作用； * * 目的：对方程进行简化， 突出主要因子，研究运动的主要特征。 途径：分析各因子（各项）大小， 大－－重要 小－－次要 将任一物理量写作： 其中： Q－－特征量， 表示该物理量的一般大小； 常量；有量纲 －－无量纲量， 量级在 100，表示物理量的具体大小； 变量；没有量纲 这里的q是广义的，不仅包括气象要素，还包括方程各项。 比较物理量的大小，可以比较特征量的大小。 如：已知： 则： 在中纬度大尺度大气运动，各物理量的特征量为： （1000hPa） 对方程组进行尺度分析： 水平尺度： 大尺度为106m;中尺度为105m; 小尺度为104m 时间尺度： 大尺度为105s;中尺度为104s;小尺度为103s 10-4 10-4 10-5 10-3 10-6 10-3 10-6 －－ms-2 其中： 二、运动方程的尺度分析 10-4 10-4 10-5 10-3 10-3 10-6 －－ms-2 10-7 10-7 10-8 101 101 10-3 10-9 －－ms-2 ⑴ 分子粘性力可以忽略 不考虑分子粘性和湍流粘性 ——“自由大气” 分子粘性很小 短期天气过程不计； 气候学中不能忽略！ ⑵ 取“零级近似”， 即只保留量级最大项，得到的简化方程为： 1、水平方向上： 水平气压梯度力＋水平科氏力＝0 －－地转平衡 地转平衡运动的特征： 动力学特征： 水平压力梯度力与科氏力相平衡 运动学特征： 风沿等压线吹；背风而立，高压在右， 低压在左（南半球相反）。 地转风的表达式： 南半球： 在南半球：高压——反气旋——逆时针 ⒉垂直方向上： －－静力平衡 不仅适用于大尺度系统，还适于中小尺度系统。 ——Z坐标向P坐标的转换的物理基础 对上式从Z高度积分到大气顶H： 推论：垂直气压梯度力＝浮力 三、连续方程的零级简化形式： －－水平无辐散 四、热力学方程的简化：（绝热） 五、重要的无量纲数： “流体力学”中进行尺度分析的步骤： 1）把方程各项写作 “特征量×无量纲量”的形式。 2）化为“无量纲方程” ： 用方程中某一项的特征量同除方程的每一项（量纲齐次性原理） ——无量纲方程 ——各项前面的系数－无量纲（数） ——体现各项的相对重要性。 例： 两边同除以科氏力的特征量 其中： a) 中纬度大尺度运动： ——准地转 b) 中纬度中小尺度运动： ——非地转 c) 热带大尺度运动： ——非地转 d) 海洋情形： ——准地转运动 六、地转偏差 定义： 实际风与地转风之差 地转运动： 天气系统不变 地转偏差是天气系统变化的重要原因 。 准地转理论被广泛应用于大尺度大气运动 七、热成风 地转风随高度的变化 ——由热力作用引起的 （1）正压大气和斜压大气