南大天气学原理概要.pptxVIP

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第二章 天气学基础知识和基本方法 §2.1 基本天气图的分析方法 §2.2 大气运动的基本方程组 研究天气首先必须对大气运动特性和相应的分析方法要有所了解,支配大气运动状态和热力状态变化的基本定律: 动量守恒定律 质量守恒定律 能量守恒定律 气体状态方程 §2.2.1 基本方程组 控制大气运动的方程组(简称为控制方程组)主要有:旋转坐标系中的流体力学方程、 连续方程、状态方程和热流量方程,在局地直角坐标系中可表示为: (2.1) ? (2.2) (牛顿第二定律) ?(2.3) ? (2.4) (大气质量守恒定律) ? (2.5) ? (理想气体的状态方程) ? (2.6) (热力学第一定律) §2.2.2 尺度分析与基本方程组的简化 上述控制方程组比较复杂,在运用时需要进行简化。 简化的方法: 尺度分析法 小扰动法 小参数展开法 1. 尺度概念和大气运动的尺度分类 尺度分析法是依据表征某类运动系统各场变量的特征值,来估计大气运动方程中各项量级大小的一种方法。根据尺度分析的结果,结合物理上的考虑,略去方程中量级较小的项,可简化方程。在天气图上,我们常看到许多天气系统,如超长波、长波、气旋、反气旋、热低压和台风等,这些系统不仅水平范围不同,其厚度也各不相同。如热低压很浅,只有1-2公里;而深厚的气旋可以到达对流层顶。 表征运动的特征量:L(特征水平尺度),D(特征垂直尺度),V(特征水平速度),W(特征垂直速度);热力学场变量:气压(特征尺度为P)、密度(特征尺度为π)、温度(特征尺度为T)和位温(特征尺度为Θ), 水平变动尺度:?hP、 ?hπ、 ?hT、 ?hΘ; 垂直变动尺度:?zP、 ?zπ、 ?zT、 ?zΘ; 时间尺度是指运动系统经历一个阶段所需要的特征时间。时间尺度(τ)可视为系统移动或扰动传播特征(以C表示其特征速度)水平距离所需要的时间,即有τ=L/C。对于运动速度和传播速度不太快的系统,一般取C?V,于是τ=L/V,这种情况下时间尺度不是一个独立的尺度,称之为平流时间尺度。 表2.1 大尺度系统各种基本尺度的数量级尺度L(m)D(m)τ(s)V(m/s)W(m/s)P(N/m2)?hP(N/m2)数量级10610410510110-2105103尺度?zP(N/m2)T(K)?hT(K)?hT(K)π(kg/m3)?hπ(kg/m3)?zπ(kg/m3)数量级10510210110210010-21002. 大尺度运动方程组的简化 由(2.1)-(2.3) (2.7) (2.8) 10-4 10-4 10-410-510-310-3 (2.9) 10-7 10-7 10-710-810 10取零级近似取一级近似取零级简化,? (2.10) 地转平衡 (2.11) ? (2.12) 静力平衡 不含时间偏导数项?? 定常状态 不含w项 ?? 水平运动取一级简化,? (2.13) (2.14) ? (2.15) 静力平衡 不含w项 ?? 水平运动大尺度运动的重要性质(由尺度分析可知)1.准静力平衡 只有当运动的水平尺度非常小(L102m)和运动非常强烈(V50m/s)的情况下,才不成立。即一般大、中、小尺度都满足。2.准定常状态 在零级简化中,时间偏导数项(?/?t)可略去。 但若要作预报,则需保留,如取一级简化。3.准水平运动 运动方程的零级和一级简化中不出现含有w的项,故大尺度运动是准水平的。但垂直运动对天气形成有重要作用,常需将对流项保留。4.准地转平衡 零级简化表现为地转平衡。 方程(2.7)-(2.9)两边除以f0V,得 (2.16) (2.17)Rossby数R0表示科氏力与惯性力的相对大小( ),可作为不同尺度运动分类的标准。如在大尺度运动中科氏力大于惯性力(R01) ;在小尺度运动中科氏力小于惯性力(R01);在中尺度运动中二个力相当(R0?1)。 在考虑粘性力时,还可以引入Ekman数,它是粘性力与科氏力之比,即 当E1时,表示科氏力的作用远大于粘性力的作用,粘性力的作用可以不计;当E1时,表示粘性力的作用远大于科氏力的作用,科氏力的作用可以不计;当E~1时,表示科氏力的作用与粘性力的作用相当。 3.连续方程和热力学方程的简化 10-710-710-710-610-510-510-6 其零级简化和一级简化为对不可压流体, (2.26)对热力学方程,不考虑非绝热加热由于 ,其中 及 10-410-410-410-510-610-610-6 热力学方程的零级简化为 (2.29) 在大尺度运动中温度的局地变化主要是由温度的平流引起的。 当风向与水平温度梯度的交角?90°时,暖空气向冷空气方向流动,称为暖平流,局地气温升高,?

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