高等天气学：第2讲 准地转运动理论及其推广和应用.pptx

高等天气学讲座（2017年春季） 单元一：大气环流的基本知识; 天气分析和预报最关键的两个量是垂直速度与位势或气压倾向，前者与降水预报 密切相关，后者与天气系统的发展（也包括移动）有关。计算这两个量如果用原 始方程是十分复杂的，但在中纬度地区可以得到最大、最合理的简化。其理论依 据就是准地转理论。它已成为中纬度天气分析、诊断和理论研究的基础。对于数 值预报，虽然从70年代以后已从准地转模式过度到原始方程模式，但认识历史的 发展更有益于对现代数值预报水平的深入认识，并且既使今天，准地转理论也适 用于中纬度大尺度运动与热带行星尺度运动。只有充分和深入理解与熟练应用准 地转理论，才能更好地理解半地转理论和原始方程问题。;描述大气的方程组是很复杂的，即使采用一些假设进行简化（如静力假设）仍然很难由完全的方程组直观认识或理解天气尺度系统的动力本质。由于QG理论是运用了一套合理的假设，而得到一组简化方程组，它仍保留描述天气系统（尤其是天气尺度天气系统）的基本动力学，因而可以更简洁，更清晰的理解数值天气预报的结果的。所以，学习ＱＧ理论是解释和理解由完整的预报方程组制作的数值天气预报结果的动力内涵和天气尺度系统演变的基础，否则对于数值天气预报的结果分析和理解是不够科学的，也是表象和笼统的。ＱＧ理论可以深入地分析一个天气尺度天气系统是如何发展的（发展理论）？主要的动力因子与过程是什么（诊断方程）？天气的影响为什么会有特定的区域和强度（ω方程和Q向量）？它是现代的预报员理解天气发展 并形成深刻洞察力的一条必经之路。 ;根据牛顿第二定律（F=ma），在南北气压梯度力作用下，大气气块应该沿气压梯度力运动，但实际上是大尺度气流并不顺气压梯度力运动，而必须垂直于气压梯度力运动。只有这样，才能满足动力平衡的维持。如在一个低压中，气流实际上并不流向低压中心，而是围绕低压中心以反时钟方向作切向流动，即气流运动方向与指向低压中心的气压梯度成直角。从动力学上，这因为大气是在旋转的地球上（以Ω为角速度）运动的后果。早在19 世纪初，是由法国科学家科里奥利在运动方程中引入了一个新的惯性力，由于这种力是隐含在地球上的每一种运动中，当时被认为是一种虚拟的惯性力，现在被称为视示力。 ;;?;地转平衡的示意图;完全的大气运动方程组是十分复杂的，它包含各种 尺度的运动。为了理论求解和实际应用的目的，根 据研究对象可以对这一套完全的方程组进行简化， 最常用的简化方法是尺度分析。准地转运动理论是 根据尺度分析得到的，适用于温带天气尺度的一种 运动形式，它比描述热带扰动或行星尺度运动的理 论要简单的多。;准地转运动的主要特征是水平速度近于为地转近似， 这意味着对于大尺度大气运动经常是处于准地转平 衡状态，其发展和演变是缓慢的。如果由于其他力 的作用使这种准地转运动平衡状态受到破坏，则准 地转近似要求这种受破坏的准地转平衡状态必需通 过某种机制（即适应过程）迅速的得到恢复，因而 准地转近似表明，平衡是长期的，破坏或不平衡是 暂时的。;;?;?;?;?;?;现求取准地转涡度方程： 涡度平流项： 散度项： ， 则地转涡度方程为： （2.6） 准地转涡度方程说明，沿地转运动产生的地转绝对涡度的个别时间变化（拉格朗日系统）是由散度效应引起，这个散度效应是作用于某参考纬度的地球涡度上。涡度平流项包括相对涡度与行星涡度的地转平流，对于中纬度扰动，这两项常有相反的符号。 ;图2.2说明绝对涡度产生的“伸长”机制。左边圆柱由于上下面垂直速度不同使气柱拉长（见垂直箭头）。由于水平速度辐合（见水平箭头）圆柱的水平尺度缩小，其垂直绝对涡度由弯曲箭头表示。速度场被变形成右边的形状。同时垂直绝对涡度增加（Andrews，2010）;对上述方程，必须再次强调了解其物理意义;准地转热力学方程说明：;?;应该记住，在准地转运动中，消去了气象上不重要 的波动，即高频的重力惯性波，而只着重研究天气 尺度运动（过滤了中小尺度运动）。即使今天我们 用更准确地原始方程进行预报，但很难从物理上清 楚地解释复杂的原始方程中的物理过程。准地转方 程使我们能很好地了解影响中纬度天气系统的物理 过程。;3.准地转理论的推广与应用;位势倾向方程;准地转涡度方程为： 上式中 ， 是常量地转参数。 令 ，代表位势倾向，又取 和 （2.7