[理学]大气动力.ppt

Adv1.在锋面和斜压区域，由于 变大，导致相邻等 熵面的距离减小，增加了这些区域的垂直分辨率 Adv2.对于绝热运动 ，即theta坐标系下，原有的3D运动降为2D，沿着等熵面运动；在theta坐标系下，垂直运动几乎完全是由非绝热运动造成的，物理意义明确 Adv3.theta坐标系下位涡守恒的几何意义更突出（倾斜涡度发展理论（SVD），吴国雄，1995） θ坐标的缺点 Disadv1.坐标与地面相交 Disadv2.在不稳定层结的情况下，theta坐标不再是高度z的单调递增函数（特别是在边界层） Disadv3.在近乎绝热的区域， 很小，导致这些区域的垂直分辨率较低 更多内容请参考 /nwp/model_structure/navmenu.php?tab=1page=2.0.0 大气静力稳定度 大气垂直运动 Viewpoint1：气块模型 不稳定能量通过对流运动得以释放 Viewpoint2：有效位能 大气层结基本态（稳定层结）下的等熵面扰动，产生了等熵面与等压面的相交，即斜压性，通过ω与α的相关性，实现这部分不稳定能量（有效位能）与动能之间的转换 Viewpoint3：波动模型 重力内波的维持条件即是稳定层结下，质点在垂直方向振动，波通过大气的水平辐合辐散向进行传播 Viewpoint4：位涡守恒观点 水平辐合辐散 位涡守恒观点 1.大气运动方程组通过联立使得动力和热力发生耦合作用（热成风平衡） 2.在绝热无摩擦大气中，位涡守恒导致热力（静力稳定度）与动力（垂直运动）相互影响制约 Hoskin,1997 吴国雄，1995 Reference 1.刘式适，刘式达，大气动力学（上册），1991 2. 吕美仲，侯志明，周毅，《动力气象学》，2004 3.中科院大气物理所《大气动力学》课件 4.南京大学《动力气象学》课件 5. Durran, Improving the anelastic approximation,1989 6. Bert Bolin. An Improved Barotropic Model and some Aspects of Using the Balance Equation for Three-dimensional Flow,1955 7.吴国雄，湿位涡和倾斜涡度发展，1995 仅为z的函数 地转平衡 热成风平衡 仅为z的函数 § 4.4 以静止大气为背景的大气运动方程组 线性微扰动法 数学近似公式 Motion equation Continuity equation Equation of state for perfect gases Thermodynamic energy equation Governing equations (origin) 静力近似(Hydrostatic approximation) 可过滤掉垂直方向的声波，而水平方向上的声波依旧无法滤除 滞弹性近似(Anelastic approximation) 讨论1：在滞弹性假设的基础上，考虑是否可以进一步简化方程？ 尺度分析 可压缩效应（产生声波的机制） 热膨胀效应 ？两种效应是否同等重要 对于深层运动， 热膨胀效应和压强的扰动对密度扰动贡献同等重要 对于浅层运动， 压强的扰动可忽略，相应的，连续性方程中的 ， 即密度因压强改变而改变一项同时略去，得到 Boussinesq近似 Boussinesq近似 讨论2：滞弹性假设的不足（连续性方程中同时忽略了由于热膨胀效应和压强扰动带来的密度扰动效应，进而导致质量的不守恒，之前已论述过即使在浅层运动中，热膨胀效应也是不可忽略的，在深厚的对流系统中更是如此（强的潜热释放）。另一方面，我们同时还要能过滤掉声波，有没有方法？ 滞弹性假设的缺陷 密度的扰动对于质量守恒没有影响 采用pseudo-incompressible近似（Durran, Improving the anelastic approximation,1989） 保留了温度扰动引起的密度扰动对质量守恒的影响，忽略了压强扰动的影响 § 4.6 正压模式（浅水模式） 正压模式——静力平衡条件下，大气视为有一自由面的均匀不可压流体（自由面平均高度——均质大气标高H；浅水波常出现于两种密度不同的过渡界面） 表明水平气压梯度力与高度无关，而运动完全伴随着气压梯度力的产生而产生，所以在各层初始无速度垂直切变的情况下，各层运动状况相同，可以用一层的运动来代替整层大气的水平运动状