【正文】 而 ζ最大，氣塊不能再向南移動(dòng)； ? 為了保持 f+ζ為常數(shù)， 氣塊必須向北移動(dòng)，這樣，引起 f增加， ζ變小 ，則流線的反氣旋曲率增加，如圖所示的C點(diǎn)；當(dāng)流線的反氣旋曲率達(dá)到最大，氣塊又必須向南移動(dòng)，這就形成了如圖所示的波動(dòng)。 羅斯貝波產(chǎn)生的物理機(jī)制 2022/5/28 100 3. 羅斯貝波的動(dòng)力特征 ? 若不考慮水平的輻合、輻散，則羅斯貝波（或大氣長(zhǎng)波）的位相速應(yīng)是 22220lkuCulkkC???????????，則若2022/5/28 101 3. 羅斯貝波的動(dòng)力特征 ? 一般在 45176。 N附近，β=16 10－ 11/ms ? 假定基本氣流u=20m/s ? 并設(shè)經(jīng)向波數(shù) l≈0 ? 從上兩式可以求得羅斯貝波的緯向波長(zhǎng)與相速的關(guān)系（表 ） 2kuC???Lak?? c o s2?氣象中繞地球一周的波數(shù) 2022/5/28 102 ? 從上表可以看到： （ 1）羅斯貝波相對(duì)于基本氣流是向西傳播的。 （ 2）一般 500hPa西風(fēng)帶鳳速大約是 20~50m/s，若取 20m/s，那么，波數(shù)為 7的羅斯貝波在西風(fēng)帶上是向東前進(jìn)的，它們的移速大約為 10 m/s左右，這與從高空所見到的長(zhǎng)波槽脊移動(dòng)速度一致。這也是說，處于中、高緯地區(qū)的西風(fēng)帶上某一測(cè)站大約 6～ 7d就有一長(zhǎng)波槽移過。因此，從理論上求出的大氣長(zhǎng)波的波速與觀側(cè)事實(shí)很一致。 ? 冬季在我國(guó)東部、西部地區(qū)大約 6~7d就有一次寒潮過境，這是由于 6～ 7d左右在高空有一大氣長(zhǎng)波槽（羅斯貝波）過境所致，因此，（ ）式廣泛用于天氣預(yù)報(bào)，使得日常天氣預(yù)報(bào)有了理論依據(jù)。 （ 3）還可以發(fā)現(xiàn)：緯向波數(shù) 1～ 4左右的波，以前稱超長(zhǎng)波，現(xiàn)在一般稱行星波，它在西風(fēng)帶上以很大的速度向西后退。但是根據(jù)觀側(cè)事實(shí)，它并沒有后退，這是由于動(dòng)力方程組（ ）一般只適用于具有運(yùn)動(dòng)水平尺度 L等于或比地球半徑略小的大氣長(zhǎng)波，若波長(zhǎng)大于地球半徑的行星波動(dòng)，則應(yīng)使用另外的動(dòng)力方程來討論。 2022/5/28 103 4. 羅斯貝波的頻散 ? 物理上通常把波的相速度與波數(shù)有關(guān)的波稱色散波。正如（ ）式所示，羅斯貝波的相速度與波數(shù)有關(guān)，故它是一種色散波。 ? 色散波的特點(diǎn)是波在傳播過程中會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象。 ? 從天氣圖上所見到實(shí)際的擾動(dòng)，它應(yīng)是不同波長(zhǎng)組成的合成波，此合成波的包絡(luò)線（波包）的傳播代表著合成波最大振幅的傳波，也是合成波能量的傳播。 ? 正如前面所述，它應(yīng)以波的群速度來傳播，即（ ） 2022/5/28 104 4. 羅斯貝波的頻散 ? 若考慮大氣是無輻散的，并把（ ）式代入（ ）式，這樣就有： ? 右式說明了一個(gè)重要的事實(shí)，若緯向波數(shù) k較大，則 Cg＞ 0，這表明大氣長(zhǎng)波的擾動(dòng)能量總是向氣流的下游傳波的，這稱 上游效應(yīng) 。 22222)()(lklkC g????2022/5/28 105 4. 羅斯貝波的頻散 ? 這是我國(guó)著名氣象學(xué)家葉篤正所發(fā)現(xiàn)的，他指出： ? 由于長(zhǎng)波的相速度是質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)速度，波的群速度是擾動(dòng)能量的傳播速度，而擾動(dòng)動(dòng)能并不是簡(jiǎn)單地向下游平流，而是通過能量以比擾動(dòng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)更快的速度向下游傳播，從而在氣流的下游激起另外的擾動(dòng)。 ? 長(zhǎng)播的頻散原理在日常天氣常有表現(xiàn)，冬季在西歐或?yàn)趵瓲柹降貐^(qū)有長(zhǎng)播槽脊發(fā)展時(shí)，它常常會(huì)引起我國(guó)上空較弱的天氣系統(tǒng)形成，因此，經(jīng)常在寒潮到來之前，我國(guó)東部先有一些天氣現(xiàn)象發(fā)生，這也是寒潮到來的前兆。 ? 上游效應(yīng)也是中期天氣預(yù)報(bào)的科學(xué)依據(jù)之一。 2022/5/28 106 重力波知識(shí) ? 重力波 ：不可壓縮流體中一種以重力為恢復(fù)力的波。 ? 它通常存在于兩種不同流體（例如氣體和液體）的分界面（即密度的躍變面）上，以表面波（ 重力外波 ）形式出現(xiàn)：沿表面?zhèn)鞑ザ嘏c表面垂直的方向衰減（所謂不均勻波）。 ? 重力波的衰減主要由三方面引起： ? 流體與基底的摩擦； ? 流體內(nèi)部的粘滯效應(yīng)； ? 表面損耗。 ? 除了上述的表面重力波以外，還存在一種內(nèi)重力波 (重力內(nèi)波 )。它不是存在于兩種不同媒質(zhì)的分界面上，而是存在于內(nèi)部密度的連續(xù)分層變化的同一種媒質(zhì)中，這種情況的一個(gè)典型是處于重力場(chǎng)的連續(xù)媒質(zhì)（如大氣）。 2022/5/28 107 (二 ) 慣性重力波 ? 假設(shè)波的頻率比羅斯貝波的頻率大： ? 由（ ）可解得： ? 上式表示相對(duì)于氣流向東和向西的慣性重力波。 ? c是重力波的波速。 k?? ??)( 22220 lkcf ?????2022/5/28 108 (二 ) 慣性重力波 ? 從式可以看到： ? 慣性重力波也是一種色散波，它的原動(dòng)力是重力，波的相速度依賴于波數(shù)；并且，慣性重力波的相速要比重力波的相速度大。 ? 慣性重力波它是許多中、小尺度系統(tǒng)形成的原因。 ? 慣性重力波在大氣運(yùn)動(dòng)的地轉(zhuǎn)適應(yīng)中也起到重要作用，地轉(zhuǎn)偏差很大時(shí)，風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)之間不平衡就產(chǎn)生慣性重力波，慣性重力波把能量彌散掉，從而使風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)互相適應(yīng)。 ? 因此，在中、緯度地區(qū)，大氣中有 3種不同波動(dòng)： ? 東進(jìn)的慣性重力波 ? 西進(jìn)的慣性重力波 ? 西進(jìn)的羅斯貝波 2022/5/28 109 (二 ) 慣性重力波 ? 這 3種波的頻率與波數(shù)的關(guān)系如圖所示。 ? 無論東進(jìn)慣性重力波或西進(jìn)慣性重力波，它們的相速度都比羅斯貝波大，所以，在中、高緯地區(qū)容易區(qū)分這兩種波動(dòng)。 2022/5/28 110 開爾文波 ? 赤道平流層中重要的波動(dòng)。為垂直傳播，能垂直輸送能量和動(dòng)量，對(duì)平流層大氣環(huán)流有重要的影響。 ? 對(duì)流層上層和平流層，向東傳播， L = 30000km （行星尺度，超長(zhǎng)波），移動(dòng)速度： 25 米 /秒，周期： 12－ 18 天， v=0（經(jīng)向風(fēng)近于零）， u 和 p 相對(duì)于赤道對(duì)稱，且 u 分量（緯向風(fēng)）滿足地轉(zhuǎn)關(guān)系，具有重力波的特征（正壓 Kelvin 波具有重力外波傳播速度，斜壓 Kelvin 波具有重力內(nèi)波傳播速度）。 2022/5/28 111 三、熱帶大氣的波動(dòng) ? 熱帶大氣的運(yùn)動(dòng)有許多特征不同于中、高緯大氣的運(yùn)動(dòng)特征。 ? 首先，熱帶大氣運(yùn)動(dòng)由于緯度低，所受的科里奧利力小，甚至在赤道，科里奧利力為零，但是科氏參數(shù)，即 f=2Ωsinφ ， 在這里隨緯度變化最大； ? 其次，熱帶大尺度流場(chǎng)在緯向方向比中、高緯地區(qū)具有更均勻的分布； ? 此外，在熱帶地區(qū)，雖然氣壓場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化幅度不大，但積云對(duì)流活動(dòng)卻很活躍，甚至發(fā)展成臺(tái)風(fēng)，這比中、高緯地區(qū)更劇烈。 2022/5/28 112 三、熱帶大氣的波動(dòng) ? 在中、高緯地區(qū)，慣性重力波與羅斯貝波可以分開。然而，在熱帶地區(qū) f很小，甚至在赤道地區(qū) f＝ 0，而 β具有較大的值。 ? 從圖 ，當(dāng) f≈0時(shí)，慣性重力波與羅斯貝波很難分開，可以想象會(huì)出現(xiàn)既不能說是慣性重力波的波動(dòng)，又不能稱羅斯貝波的波動(dòng)，這就是 羅斯貝重力混合波 。 2022/5/28 113 三、熱帶大氣的波動(dòng) ? 由于在赤道地區(qū) f0≈0，這樣 f=βy代入方程組 (） ~(）中可以得到在熱帶地區(qū)的動(dòng)力方程組。 ? 由熱帶地區(qū)的動(dòng)力方程組可以得到熱帶波動(dòng)其頻率和波數(shù)的關(guān)系。 2022/5/28 114 三、熱帶大氣的波動(dòng) ? 從圖中可以看到， ? 東進(jìn)的慣性重力波 ? 西進(jìn)的慣性重力波 ? 西進(jìn)的羅斯貝波 ? 西進(jìn)的羅斯貝 重力混合波 ? 東進(jìn)的開爾文波 熱帶大氣波動(dòng)的頻率分布 2022/5/28 115 三、熱帶大氣的波動(dòng) ? 西進(jìn)的羅斯貝波（ 東風(fēng)波） ? 移速為 10 米 /秒，周期為 4－ 5 天 ? 壓力場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)滿足地轉(zhuǎn)風(fēng)關(guān)系，即，繞著低壓中心，在北半球是反時(shí)針旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)，在南半球是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)。 2022/5/28 116 三、熱帶大氣的波動(dòng) ? 慣性－重力波 ? 出現(xiàn)在對(duì)流層中，向東傳播為主，移速為幾十米 /秒，周期為 4－ 5 天或 14－ 15 天。 ? 臺(tái)風(fēng)中存在慣性－重力波。 2022/5/28 117 三、熱帶大氣的波動(dòng) ? 西進(jìn)羅斯貝 重力混合波 ? 當(dāng) x方向的波數(shù)大時(shí)，具有象羅斯貝波那樣的性質(zhì)，而當(dāng)波數(shù)小時(shí)，具有象慣性重力波那樣的性質(zhì) ? 出現(xiàn)在對(duì)流層上層和平流層，向西傳播，移速為 23 米 /秒，周期為 4－ 5 天， L = 10000km （行星尺度，超長(zhǎng)波）。 v 分量相對(duì)于赤道對(duì)稱， u 和 p 分量呈反對(duì)稱。 ? 遠(yuǎn)離赤道的地區(qū)：風(fēng)壓場(chǎng)滿足地轉(zhuǎn)關(guān)系；接近赤道地區(qū)：非地轉(zhuǎn)分量很大。 2022/5/28 118 三、熱帶大氣的波動(dòng) ? 東進(jìn)開爾文波 ? 對(duì)流層上層和平流層，向東傳播， L = 30000km （行星尺度，超長(zhǎng)波），移動(dòng)速度：25 米 /秒，周期： 12－ 18 天， v=0（經(jīng)向風(fēng)近于零）， u 和 p 相對(duì)于赤道對(duì)稱，且 u 分量（緯向風(fēng)）滿足地轉(zhuǎn)關(guān)系，具有重力波的特征（正壓 Kelvin 波具有重力外波傳播速度，斜壓Kelvin 波具有重力內(nèi)波傳播速度）。 2022/5/28 119 三、熱帶大氣的波動(dòng) ? 由觀測(cè)可以知道，這里所述的羅斯貝 重力混合波及開爾文波，從地球大氣的平流層下部到對(duì)流層上部是實(shí)際存在著的。 2022/5/28 120 復(fù)習(xí)與思考 (1) 1. 科氏力的定義、大小、方向 2. 氣壓梯度力大小、方向 3. 摩擦力的定義、分類 4. 連續(xù)方程及含義 5. 大氣運(yùn)動(dòng)多尺度的特點(diǎn) 6. 尺度分析的運(yùn)用及前提 7. 中緯度天氣系統(tǒng)的動(dòng)力特征 8. 地轉(zhuǎn)風(fēng)定義及成立的前提 9. 地轉(zhuǎn)關(guān)系及應(yīng)用 10. 位勢(shì)高度的物理含義 11. 梯度風(fēng)的定義及高、低壓中的力的平衡分析 12. 梯度風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)大小的比較 13. 梯度風(fēng)的應(yīng)用 14. 熱成風(fēng)的定義、含義 15. 熱成風(fēng)關(guān)系及應(yīng)用 16. 正壓大氣、斜壓大氣的定義 17. 零級(jí)簡(jiǎn)化、 1級(jí)簡(jiǎn)化 18. 渦度的含義 19. 地轉(zhuǎn)參數(shù)、羅斯貝數(shù) 2022/5/28 121 復(fù)習(xí)與思考 (2) 20. 地轉(zhuǎn)適應(yīng)及機(jī)理 21. 地轉(zhuǎn)適應(yīng)的尺度理論 22. 羅斯貝變形半徑 23. 大氣演變過程及時(shí)間尺度 24. 大氣中的波動(dòng)分類 25. β平面近似與赤道 β平面近似 26. 波的相速度、群速度、波包 27. 小擾動(dòng)法 28. 羅斯貝波及產(chǎn)生的物理機(jī)制、動(dòng)力特征、頻散 29. 重力波、慣性重力波及特征 30. 開爾文波 31. 熱帶大氣的波動(dòng)及特點(diǎn) 2022/5/28 122 End