動力氣象學(xué)第六章改過(編輯修改稿)
2025-06-17 14:32 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 ? ? ? ?? ? ?????如 果 與 是 負(fù) 相 關(guān) ， 即 ：暖 空 氣 （ 大 ） 、 上 升 （ ） 暖 空 氣 上 升冷 空 氣 （ 小 ） 、 下 沉 （ ） 冷 空 氣 下 沉則T + T = (T T )0使 得 全 位 能 減 少 ， 轉(zhuǎn) 化 為 動 能 。進(jìn)一步： 物理本質(zhì)：暖空氣－輕－上升 冷空氣－重－下沉 系統(tǒng)質(zhì)心下降，全位能減少，動能增加 ? 實際大氣中存在著兩類由全位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿倪^程：一類是上冷下暖兩氣層疊置，通過對流翻轉(zhuǎn)氣層進(jìn)行絕熱調(diào)整釋放全位能的過程；另一類為冷空氣和暖空氣并列（比如鋒面）通過質(zhì)量調(diào)整使全位能轉(zhuǎn)換為動能的過程 。 “全位能 → 動能”分析海陸風(fēng)或山谷風(fēng)的形成 四、有效位能 (Available potential energy) 有效位能的概念： 動能與全位能間的轉(zhuǎn)換，使動能變化，即天氣系統(tǒng)變化的重要機(jī)理。 但大氣中的全位能不能被全部釋放，在考慮天氣系統(tǒng)變化時，有意義的是能夠轉(zhuǎn)換成動能的那部分全位能。 有效位能，可以理解為：能夠被釋放出來的那部分全位能。 有效位能是 1955年 Lorenz提出的一個概念 a：初態(tài)，斜壓，全位能最大。一旦垂直壁 取走，一部份位能要轉(zhuǎn)化成動能。 暖 冷 a b:無科氏力作用下的終態(tài)，處于正壓和穩(wěn)定狀態(tài)，全位能最小。 c:有科氏力作用下的終態(tài)，處于斜壓狀態(tài)，全位能“次”最小（相對于 b而言）。 暖冷b 冷暖 c 有效位能的定義 在 閉合系統(tǒng) 中，經(jīng)過 干絕熱過程 ，從初始狀態(tài)調(diào)整到 水平穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài) 時，系統(tǒng)所能釋放的 最大全位能 ，稱為有效位能。 說明： ① 閉合系統(tǒng) ：外界沒有質(zhì)量通量輸入。 ② 干絕熱過程 ：沒有潛熱釋放，且沒有太陽輻射。 ③ 水平穩(wěn)定層結(jié) ： “ 水平 的” —— 等溫面 //等壓面， 正壓的；此時全位能最小。 平均單位面積上鉛直氣柱中有效位能的近似表達(dá)式 為： ? ????????? 002*21 pddpTTTA?? 由此可見 ， 有效位能與大氣的斜壓性相對應(yīng)，正壓大氣沒有有效位能；斜壓性越強(qiáng)，力管項大，有效位能越大。 也稱有效位能為斜壓能。 五、 實際大氣中的能量循環(huán)過程 動能有效位能引入有效位能概念后：動能全位能過去：??實際大氣中的運動＝ 與大氣環(huán)流相聯(lián)系的 緯向平均運動（“流”）＋ 渦旋運動 （“波”） 039。 ?v039。 ?v039。 ?v039。 ?vu這樣，考慮以下 4個能量之間的轉(zhuǎn)化： 間的相互轉(zhuǎn)換—由此討論這些能量之—能量的方程求出對應(yīng)的描寫這四個渦旋運動有效位能渦旋運動動能能緯向平均運動的有效位緯向平均運動動能?????????AKAK。緯向平均運動動能方程 和 渦旋運動動能方程 緯向平均運動方程所以首先要求出對應(yīng)的這里：緯向平均動能方程：運動方程：動能方程運動方程221。hhhhhVKKttVVKttVVV?????????????????????Thhhh FVfVVtV ??????????????????已知水平運動方程：得：，沿緯圈平均的運動方程 eqThhhhh FVfVVVVtV ?????????????????????????，得： eqV h ??hhhh VFVVVVKVKt?????????????????????????其中，第三項是渦旋運動的動量通量。 由連續(xù)方程： 0。00?????????????????VVpyvxu???對全球（或半球）大氣 —— 閉合系統(tǒng) —— 通量項＝ 0 )()( KVVKKVKV ???? ???????????vVvuVuVVVvVvVuVVuuVuVvVvuVuvVjuVijviuVVVhhhh?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????39。)()。()())()())()(()(同理，yvyvxuV h????????????????再看：??????????????????????????????????????????????????????????)()()()(0。0)(Vppvypvyyvxupyvxuyvvyyv??沿緯圈平均 沿緯圈平均 對全球大氣 M積分 得到： dMeqM? ?????????????????????? ?MMMMdMDdMdMvVvuVudMKtKt??)(??求渦旋運動動能方程的方法： ① ??????????????????KteqVtVtVtVhhhh????(1) ② 由：總的動能方程 ??? ????? MMM D d MdMK d Mt ??以及緯向平均運動動能方程 ： ????? ?MdMKt可以得到：渦旋運動的動能方程。 (2) (1) hhhh VVKKVVK ?????????????2)(21由求緯向平均： KKK ???????????????????????????
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