复习_动力气象学课件

REVIEW 名词解释 1、平面近似及f平面近似；2、斜压大气与正压大气 ；3、位温与位涡；4、地转偏差与地转运动；5、静 力平衡与层结稳定度；6、热成风与温度平流；7、微 扰动法与滤波；8、Rossby数与Rossby参数；9、理查 森数与浮力振荡；10、相速度与群速度；11、全位能 与有效位能；12、频散波与上游效应；13、位能与位 势；14、 Ekman抽吸与二级环流 ；15、环流与涡度 ；16、粗糙度与Ekman螺旋；17、正压不稳定与斜压 不稳定；18、演变过程和适应过程；19、惯性不稳定 与不稳定增长率；20、效应与净浮力 地球自转对大气运动的作用 三圈环流、行星风带； 地转平衡、对已形成气压场的维持；地转流和梯度流 。 地转参数随纬度的变化，与每日天气图上的西风带中 的波动Rossby波有关。 稳定性作用减少位能向动能的转换，增大斜压稳 定性。 在科氏力的作用下，散度场同时调整涡旋场与气压场 ，最后促使旋转风场与气压场相平衡，而散度场最终 消失地转适应。 P34第1题 P34第5题 P35第10题 P36第20题 P36第21题 P57第1题 同一类型的大气运动的同一物理量具有大致相同的 数量级，用它去度量该物理量，(其大小)差不多为1 ，则称该物理量的数量级为其特征尺度，简称为尺 度(以10的方次表示)。 尺度分析法 依据表征某类大气运动系统各变量的特征值，来估 计大气运动方程中各项量级大小，从而简化方程的 一种方法。 P57第2题 水平气压梯度力是大气运动的原动力。然而由观测 表明，不同水平尺度的运动系统，如气旋、反气旋 、龙卷、飑线和飓风等气压的水平变动尺度可达到 相同的量级，也就是说，这些具有气象意义的运动 系统中水平气压梯度可相差几个量级，其它一些场 变量的微商的量级也有类似的情况，说明大气运动 的特征与水平尺度有密切关系。因此，常根据运动 的水平尺度对大气运动进行分类。 第3题：中纬度大尺度运动具有准水平、准地转平衡 、准静力平衡、准水平无辐散的特征，是缓慢变化 的涡旋运动。 4 准地转平衡运动是缓慢变化 1。 同理可得：静力平衡近似的充分条件是=1，0) Vg is larger than V, while for anticyclonic flow (fR0) Vg is smaller than V. P100第11题 P101第21题 P128第1题：Circulation 见P109 第2题 第3题 力管：由等压面和等容面相交所构成的管子，其数 目可表示大气斜压性的强弱。力管项： 如果大气中无力管正压大气，则dCa/dt=0， 即为Kelvin环流守恒定理。类似于刚体力学中的 角动量守恒。 第5题 第6题 涡度和散度是由流场决定的物理量，涡度是流体旋转 运动的度量，散度是流体膨胀运动的度量。所以，铅 直涡度和水平散度都是水平流场的一种流体属性，它 们从不同角度描写了水平流场的特征。有了这两个重 要的物理概念，就可以对各种不同性质的水平流场加 以区分。 第7题 第8题 位势涡度：绝热、无摩擦的旋转流体在运动过程中 存在的一个动力学量与热力学量结合的守恒量，其 本质为绝对涡度与涡旋有效厚度比值的一个度量。 其主要特征是在绝热、无摩擦运动中，位涡度守恒 。 在60N 有一气柱，起始时相对涡度=0，从地面一直伸展到固 定为11公里的对流层顶。假如这个气柱移到30N并爬越一个高 度为5.5公里的高原，问此气柱当越过高原顶部时的相对涡度 与绝对涡度为多少？ 解：假设大气为均质不可压流体且气柱作绝热、无摩擦运动， 此时气柱的位涡度守恒。因1=0 ，故气柱移到30N处越过山顶 的绝对涡度为： 湿静能(蒙哥马利位势) 有效位能：简称APE，闭合系统中全位能与温度场 按绝热过程重新调整后所具有的最小全位能的差， 是全位能中能够转化为动能的最大可能值。也可以 理解为稳定层结中空气垂直向上位移克服净的阿基 米德浮力所做的功。 由于静力平衡大气中铅直气柱所含的位能 与内能成比例，因此，能量转换过程中要 维持静力平衡，铅直气柱中所含的位能与 内能必须同时增加或减少，并要保持一定 的比例关系。这就使得实际可能出现的能 量转换受到限制。在垂直运动过程中，空 气上升时位能增加动能减小，但由于膨胀 降温使得内能要减小，所以单是垂直运动 并不能改变动能和全位能，只有穿越等压 线的水平运动才能把全位能转换为动能， 或把动能转换为全位能。 影响能量变化的因子 纬向平均有效位能和纬向平均动能转换项 低纬暖空气上升，高纬冷空气下沉，使大气重心下降 ，位能转化为动能Hadley环流。 涡动动能与纬向平均动能的转换项 平均纬向风远大于平均经向风，故 纬向平均动能的摩擦耗散项 涡动有效位能与涡动动能的转换项 纬向平均动能的摩擦耗散项 纬向平均有效位能与涡动有效位能的转换项 一般而言，纬向平均温度向北、向上递减。 向北输送暖空气、向南输送冷空气； 暖空气上升、冷空气下沉。 纬向平均非绝热加热产生的纬向平均有效位能项 扰动非绝热加热与扰动有效位能的转换项 能量转换开始于纬向平均有效位能通过扰动转换为涡 动动能，最后转换为纬向平均动能。具体地说，能量 转换可以定性地概括为： 1. 通过纬向平均辐射加热使大气膨胀，质量重心上移 ，产生纬向平均有效位能。 2. 扰动运动向北输送暖空气，向南输送冷空气，使纬 向平均有效位能转变为涡动有效位能。这种转换取决 于扰动热量输送和纬向平均温度的经向梯度的乘积。 3.通过扰动的垂直运动，使暖空气上升，冷空气下降 ，从而使涡动有效位能转变为涡动动能。 4. 通过扰动动量输送方向与纬向平均气流梯度方向的 不同配置，使涡动动能与纬向平均动能发生转换。在 斜槽情形下，涡度动能转换为纬向平均动能。 5. 能量由于地面摩擦和内摩擦及扰动中的向外辐射而 损耗。 P175第3题 埃克曼抽吸：湍流摩擦作用一方面通过二级环流直接输送到自 由大气，另一方面通过二级环流使自由大气与边界层进行质量 和动量等的垂直交换。则自由大气中动量大的空气被吸入边界 层，而边界层中动量小的空气被抽入自由大气。这种由湍流摩 擦诱导二级环流生成的过程成为埃克曼抽吸，实质是穿越边界 层顶的二级环流的垂直分支，其抽吸强度与自由大气的地转风 涡度成正比。 旋转减弱：埃克曼抽吸使边界层与自由大气间产生质量和动量 的交换，从而使自由大气中的运动减弱，相应的准地转涡旋环 流(一级环流)的涡度也会减弱，称为旋转减弱。 第7题 P177第19题 P177第20题 第22题 P217第2题 解：振幅是15、波数k=2、波长L=2/k=、圆频率=650、 周期T=2/=0.003及相速c=/k=325m/s。 P220第22题 在重力的作用下，考虑地球旋转的作用，就 会出现重力惯性外波，但必须在外部条件作 用下才能存在。因此，滤去重力惯性外波最 简单的方法是取齐次边界条件。水平辐合辐 散的交替变化是重力波得以传播的机制，当 地转平衡遭到破坏后，由于气压梯度力和科 氏力不平衡，空气有穿越等压线的运动而产 生辐合辐散，就会激发出重力惯性外波；而 在地转平衡条件下，空气沿等压线运动，水 平方向上无辐散，故不存在重力惯性外波， 也可以认为是滤去了重力惯性外波。 在运动方程中部分考虑密度扰动的影响 ，即只保留与重力项耦合的密度扰动项 ；连续方程中忽略密度扰动的影响；热 膨胀效应和可压缩性对密度扰动的具有 同等贡献。这种热力学近似称为滞弹性 近似。在此基础上，若考虑浅层运动， 连续方程简化为不可压缩形式；对于密 度扰动，只保留膨胀的作用，这种近似 叫做Boussinesq近似。 在方程右端绝对涡度平流随高度的变化率 （涵差涡度平流）和厚度（温度）平流之和 不可能处处为零，表明斜压大气中准地转运 动不可能是纯水平运动，在准地转水平环流 之上必叠加有垂直环流。它是使涡度变化保 持准地转平衡，温度变化保持准静力平衡所 必需的。由Ekman抽吸作用造成的二级环流 主要是由于边界层的湍流摩擦使风向低压方 向偏转而产生的散度场所造成的，它起着旋 转减弱的作用。 采用气块法可讨论静力不稳定和惯性不稳 定；大气波动的不稳定性多用正交模方法 或整体方法（包括能量法和 (Liyapunov）)。标准行 波法处理流体力学稳定性问题时，可归结 为基本状态对于小扰动的不稳定性，求解 经过线性化处理的控制方程，将其解设为 Aexpi(kx-t)的形式，以确定出扰动不稳定 增长的判据。只有在ci0时才会出现不稳 定，不稳定增长率定义为k|ci|。 P295第3题 第5题 第6题 1）高层流场扰动的振幅比低层流场扰动的振幅大， 但高层流场扰动的位相落后于低层流场扰动的位相， 即流场扰动的振幅随高度增强，槽、脊线随高度向西 倾斜； 2）温度场扰动的位相落后于流场扰动的位相，即温 度槽落后于位势高度槽（气压槽）； 3）在平均高度（500hPa）上，槽前脊后有（暖空气 的）上升运动，槽后脊前有（冷空气的）下沉运动。 由于温度槽落后于流场槽，使得槽区为冷平流，脊区 为暖平流，有利于槽脊系统发展；暖空气上升，冷空 气下沉有利于有效位能的释放，为扰动的增长提供能 量来源。 7 斜压不稳定判据表明：最不稳定的波长约 4000km，接近于中纬度天气系统的平均波 长；此波长下的边缘不稳定性要求热成风 能达到4m/s，即在250hPa和750hPa层之间 的风速切变为8m/s，而中纬度的平均纬向 流往往超过此值。斜压不稳定波的结构特 点与中纬度天气扰动的实际观测结果极为 相似，说明斜压不稳定是中纬度天气尺度 扰动发生发展的主要机制。尽管急流的侧 边界切变、有限振幅小扰动的非线性相互 作用以及潜热的释放也可引起不稳定。 8 P245第2题 在地转适应过程中，地转偏差总是不断的衰减直 至为零，水平散度也是不断衰减直至散度场消失 。因此地转适应过程不仅是非地转扰动能量频散 的过程，同时也是涡旋场与气压场相互调整的过 程，这一过程中科氏力起了决定性作用。在科氏 力的作用下，散度场同时调整涡旋场与气压场， 最后促使旋转风场与气压场相平衡，而散度场最 终消失。所以地转适应过程是旋转大气中的特有 的过程。 P245第3题 当扰动尺度LLR时，气压场向风场适应，风场变 化较小，气压场调整较明显，以便能够与风场建 立地转平衡。既就是初始没有气压场扰动，风场 也可以维持，气压场可以建立起来。这