【文章內(nèi)容簡介】 兩式聯(lián)立得到： nPfV g?????1npfVRVGTG??????12TGGgfRVVV?? 12022/5/28 52 討論： ⑴ 氣旋式運動，梯度風(fēng)速小于地轉(zhuǎn)風(fēng)速 ⑵ 反氣旋式運動，梯度風(fēng)速大于地轉(zhuǎn)風(fēng)速 TGGgfRVVV?? 101gT f gfvR v vv? ? ? ?01gT f gfvR v vv? ? ? ? 1??GgVVGg VV ?即1??GgVVGg VV ?即2022/5/28 53 (四 ) 梯度風(fēng) ? 另外，在高壓中，梯度風(fēng)有極限值，即不能無限增大。 ? ( VG ) max = 2 Vg ? 因此，天氣圖上高壓中心附近氣壓水平分布均勻，風(fēng)速較小。 ? 應(yīng)用在天氣圖分析中，高壓附近的等壓線（等高線）不能分析得太密集。 2022/5/28 54 二、熱成風(fēng) (一 ) 熱成風(fēng)關(guān)系 ? 由在垂直方向運動方程（ ）取零級近似，并利用大氣狀態(tài)方程，則可得到如下平衡關(guān)系： ? 利用地轉(zhuǎn)關(guān)系，從上式得到下式： ? 這就是 地轉(zhuǎn)風(fēng)在 p坐標(biāo)系中的垂直變化率 ，通常稱作 熱成風(fēng)關(guān)系 。 pRTp?????xTfpRpvyTfpRpugg???????????2022/5/28 55 (一 ) 熱成風(fēng)關(guān)系 ? 所謂熱成風(fēng)是指地轉(zhuǎn)風(fēng)在兩個氣壓面之間的差別（矢量差）。 ? 之所以叫熱成風(fēng)，是因為從熱成風(fēng)關(guān)系中可以看到，這種地轉(zhuǎn)風(fēng)的垂直變化率是由在等壓面上的溫度水平梯度所決定，即由水平方向上的冷熱不均勻性所產(chǎn)生。 ? 如果溫度在等壓面上沒有水平變化，那么也就沒有地轉(zhuǎn)風(fēng)的垂直變化，即地轉(zhuǎn)風(fēng)的水平分布在各個等壓面上都是一樣的。 2022/5/28 56 (一 ) 熱成風(fēng)關(guān)系 ? 但是，實際上由于太陽輻射的原因，在對流層，赤道地區(qū)上空的大氣溫度要明顯高于極地上空的大氣溫度，隨著緯度的增加，大氣溫度呈降低的趨勢。 ? 因而，由熱成風(fēng)關(guān)系可知： ? 這樣，隨著高度的增加，地轉(zhuǎn)風(fēng)的 x分量 ug不斷增大，這就是為什么在對流層頂附近出現(xiàn)急流（即最大風(fēng)速中心）的原因。 0??????yTfpRpu g2022/5/28 57 (二 ) 熱成風(fēng)與溫度平流的關(guān)系 ? 在大氣中，由于有冷暖分布，這就產(chǎn)生溫度平流。 ? 一般把 V▽ T 稱為溫度平流。 ? 這種溫度平流將會改變地轉(zhuǎn)風(fēng)矢置隨高度的改變。 ? 當(dāng)下層有暖平流時， V▽ T ＞ 0，即氣流從暖區(qū)吹向冷區(qū)，則地轉(zhuǎn)風(fēng)矢量從下向上成順時針轉(zhuǎn)變； ? 相反，當(dāng)下層有冷平流時， V▽ T＜0，即氣流從冷區(qū)吹向暖區(qū)，則地轉(zhuǎn)風(fēng)矢量從下向上成逆時針轉(zhuǎn)變。 2022/5/28 58 補充：熱成風(fēng)原理與應(yīng)用 ?熱成風(fēng)原理： 1）熱成風(fēng)的方向與氣層間的平均等溫線平行； 2）背熱成風(fēng)而立，高溫區(qū)在右側(cè)，低溫區(qū)在左側(cè)； 3）熱成風(fēng)的大小與氣層間的水平溫度梯度成正比。 即等溫線越密集（疏），熱成風(fēng)就越大（?。? ? 應(yīng)用： ? 根據(jù)某站風(fēng)隨高度變化的情況作溫度平流的分析 ? 當(dāng)風(fēng)隨高度作逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，可判斷這個氣層間有冷平流； ? 當(dāng)風(fēng)隨高度作順時針旋轉(zhuǎn)時，則有暖平流。 2022/5/28 59 (三 ) 正壓大氣與斜壓大氣 ? 這是兩種在討論大氣運動時經(jīng)常使用的兩種大氣情況。 （ 1）正壓大氣： ρ =F(p) ? 所謂正壓大氣是指在該大氣中任何地方大氣密度只是 p的函數(shù)，即等密度面與等壓面一致，也與等溫面一致。 ? 在正壓大氣中地轉(zhuǎn)風(fēng)不隨高度變化。 ? 正壓大氣是一種理想大氣，因為實際大氣風(fēng)是隨高度變化的。 （ 2）斜壓大氣： ρ =F(p,T) ? 斜壓大氣指該大氣中任何地方大氣密度是與氣壓 p、溫度 T有關(guān)，大氣的等密度面與等壓面不一致，等溫線與等壓線不一致。 ? 在斜壓大氣中地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度而變化，因此，斜壓大氣是符合大氣的實際惰況。 2022/5/28 60 第四節(jié) 中緯度天氣系統(tǒng)運動的動力方程組 和位渦度方程 2022/5/28 61 ? 上節(jié)說明了大氣運動最基本的兩種平衡關(guān)系 ? 地轉(zhuǎn)風(fēng)平衡 ——風(fēng)場與氣壓場的關(guān)系 ? 熱成風(fēng)平衡 ——風(fēng)場隨高度變化與水平溫度梯度的關(guān)系 ? 但是，它們不隨時間而變化。 ? 在零級近似中，各方程均不含時間變量，因此，不能用它們來描述或預(yù)報氣象要素隨時間的變化，日常的天氣預(yù)報重視的是氣象要素的時間變化。 ? 1級近似 ：不僅保留方程組中量級最大項，還保留比最大項小一個量級的項，更小的項舍去。 ? 包含有時間變化的 1級近似的動力、熱力方程組更為有用。 2022/5/28 62 一、中緯度天氣系統(tǒng)運動的動力、熱力方程組 ? 對原始方程組進(jìn)行 1級近似得到 p坐標(biāo)系中的動力、熱力方程組： ? p坐標(biāo)系的大氣運動方程組中不再出現(xiàn)密度，比在 z坐標(biāo)系更為簡單。 ? ω是 p坐標(biāo)系的垂直速度 ? k = R/cp = 2022/5/28 63 二、大氣運動的渦度與位渦度方程 (一 ) 大氣運動的渦度與渦度方程 ? 渦度表達(dá)式： ? 含義： ? 它是單位面積的大氣質(zhì)元邊界的環(huán)流量； ? 它表示了氣流相對于地球的旋轉(zhuǎn)特征。 ?? 21 ????????fyuxvzeta，相對渦度 ??? f絕對渦度2022/5/28 64 (一 ) 大氣運動的渦度與渦度方程 ? 對水平運動方程 ()對 y求偏導(dǎo)，對()對 x求偏導(dǎo)，相加，并把 ()代入，可得有輻散的渦度方程： yf???? 為羅斯貝 (Rossby)參數(shù) 2022/5/28 65 (二 ) 大氣運動的位渦度與位渦度方程 ? 上式為位渦守恒方程： ? 若沒有外源的作用下，大氣中任何氣塊在運動過程中，該氣塊的位渦不變。 ? 下式 q稱位勢渦度，簡稱位渦。 2022/5/28 66 第五節(jié) 大氣運動的基本動力過程 2022/5/28 67 ? 大氣運動的基本動力過程有兩個： ? 適應(yīng)過程 ? 演變過程 ? 這兩個過程是可以區(qū)分的。 2022/5/28 68 一、大氣運動的適應(yīng)過程 ? 準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡理論： ? 風(fēng)場和氣壓場基本上滿足地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系 ? 地轉(zhuǎn)近似：用地轉(zhuǎn)風(fēng)近似實際風(fēng) ? 地轉(zhuǎn)關(guān)系不是絕對成立 ? 實際大氣的風(fēng)場和地轉(zhuǎn)風(fēng)有 10%左右的偏差，稱為 地轉(zhuǎn)偏差 。 ? 為什么偏差只有 10％左右，而不能無限增長呢？ ? 這是因為大氣的風(fēng)場和氣壓場之間存在著某種調(diào)整的機制 ——地轉(zhuǎn)適應(yīng)，即地轉(zhuǎn)調(diào)整 。 ? 一旦偏差出現(xiàn)后，就會有某種機制來抑制這種偏差，即一旦大氣的氣壓場與風(fēng)場不平衡，這種不平衡就會激發(fā) 重力波 ，并且在科里奧利力的作用下，此重力波就會產(chǎn)生頻散，從而 把能量彌散掉 ，使得氣壓場與風(fēng)場達(dá)到平衡。 ? 著名的氣象學(xué)家羅斯貝就提出了這個問題，奧布霍夫也研究了這個問題。 2022/5/28 69 二、地轉(zhuǎn)適應(yīng)的尺度理論 ? 地轉(zhuǎn)適應(yīng) ：是風(fēng)場和氣壓場之間失去平衡關(guān)系，從而不再滿足地轉(zhuǎn)關(guān)系時，風(fēng)場和氣壓場出現(xiàn)的調(diào)整過程。 ? 是誰適應(yīng)誰？ ? 國際著名的氣象學(xué)家葉篤正和曾慶存提出并回答了此問題。 2022/5/28 70 (一 ) 地轉(zhuǎn)適應(yīng)機理 ? 當(dāng)只有風(fēng)場而沒有氣壓場時 （或者說風(fēng)場先變化） ? 假定是西風(fēng)，由于科氏力的作用將產(chǎn)生北風(fēng) （科氏力指向運動方向的右側(cè)） ，使空氣在南邊 （氣流的右邊）堆積。 ? 堆積的結(jié)果，一方面風(fēng)場（西風(fēng)）減弱，另一方面大氣在南邊具有高氣壓，而在北面出現(xiàn)低氣壓，從而產(chǎn)生南北的氣壓梯度力（方向向北）， ? 最后，氣壓梯度力和科氏力達(dá)到平衡。 2022/5/28 71 (一 ) 地轉(zhuǎn)適應(yīng)機理 ? 當(dāng)只有氣壓場而沒有風(fēng)場時 （或者說氣壓場先變化） ? 假定氣壓場是南高北低，顯然這樣的氣壓場分布將產(chǎn)生由南向北吹的南風(fēng)。 ? 南風(fēng)受科氏力的作用而偏向氣流的右側(cè)，即產(chǎn)生西風(fēng)分量。這種由科氏力作用而產(chǎn)生的西風(fēng)分量馬上又會產(chǎn)生由北指向南的科氏力，它與由南指向北的氣壓梯度力作用相反，最后將達(dá)到平衡。 ? 當(dāng)然，在上述過程中，氣壓梯度力也不是一直不變的，由氣壓梯度力產(chǎn)生的由南向北吹的南風(fēng)使空氣由高氣壓的南邊流到低氣壓的北邊，從而氣壓梯度力也就會有一定程度的削弱。 2022/5/28 72 (二 ) 地轉(zhuǎn)適應(yīng)對大氣運動尺度的依賴 1．地轉(zhuǎn)適應(yīng)中的尺度理論 ? 通過討論可以發(fā)現(xiàn)：失去地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系的氣壓場和風(fēng)場在進(jìn)行調(diào)整過程中，其變化的程度因失去平衡關(guān)系的空間范圍的大小會有很大的不同。 ? 當(dāng)空間范圍小時，氣壓場向風(fēng)場適應(yīng) ? 氣壓場變化的程度大，風(fēng)場變化的程度小 ? 當(dāng)空間范圍大時，風(fēng)場向氣壓場適應(yīng) ? 風(fēng)場變化的程度大，氣壓場變化的程度小 ? 這就是地轉(zhuǎn)適應(yīng)的尺度理論。 2022/5/28 73 2. 羅斯貝變形半徑 ? 以上只是定性地討論了地轉(zhuǎn)適應(yīng)中的初始擾動的空間尺度理論。 ? 我國著名氣象學(xué)家曾慶存等通過定量的理論推導(dǎo)指出： ? 當(dāng)初始非地轉(zhuǎn)區(qū)域的水平尺度遠(yuǎn)大于 L0時，風(fēng)場向氣壓場適； ? 當(dāng)水平尺度遠(yuǎn)小于 L0時，氣壓場向風(fēng)場適應(yīng)。 ? 這里的度量參數(shù) L0 = c/f 稱為 羅斯貝變形半徑 ? c 為重力慣性波的波速 ? f 為科里奧利參數(shù)（地轉(zhuǎn)參數(shù)），簡稱為科氏參數(shù)。 2022/5/28 74 2. 羅斯貝變形半徑 ? 羅斯貝變形半徑與重力慣性波的波速有關(guān) ? 因為在適應(yīng)過程中，初始非地轉(zhuǎn)擾動通過重力慣性波的頻散，將氣壓場和風(fēng)場之間的非地轉(zhuǎn)平衡能量彌散到整個空間，從而在空間的每個局部，不平衡能量都趨于零，進(jìn)而使得氣壓場和風(fēng)場之間達(dá)到地轉(zhuǎn)平衡。 ? 羅斯貝變形半徑與科里奧利參數(shù)有關(guān)有關(guān) ? 因為科氏力在地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程中起著必不可少的作用 ? 羅斯貝變形半徑： L0 ~ 2022 km ? 隨緯度、大氣的垂直結(jié)構(gòu)而改變 2022/5/28 75 3. 地轉(zhuǎn)適應(yīng)對大氣運動尺度依賴的證明 ? 略 2022/5/28 76 三、演變過程與適應(yīng)過程的可分性 ? 開始時，是快過程 ——適應(yīng)過程