第6章大气中的准地转运动.ppt
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1、第六章 大气中的准地转运动,对中高纬自由大气大尺度运动,其运动方程的零级简化形式为地转平衡关系,即实际水平风场接近地转风场。但是,这种平衡关系只是一种近似关系,事实上经常存在地转偏差,即实际风场与地转风场存在差别。 尽管地转偏差经常存在,但其并不会无限增长。这意示着大气运动的过程是一种准地转运动过程: 既包含由地转平衡状态向非平衡状态的演变,即地转平衡的破坏过程(演变过程),又包含着由非平衡过程向新的地转平衡调整的过程(适应过程)。 因此大气运动是地转平衡的破坏又不断建立的过程,也是一连串的风场和气压场在不断变化和相互适应调整的准地转运动过程。 (本章的主要内容:自由大气中风场和气压场之间的相
2、互适应调整过程的特征、物理机制等),6.1 地转偏差,1 地转偏差的定义和性质 地转偏差:是指某空间点实际的水平风矢量与该点的地转 风矢量之差 。 自由大气的水平运动方程可写成:,地转偏差的性质: 1)在北半球,地转偏差(风)的方向与空气微团的水平加速度的方向垂直并指向其左侧。 2)地转偏差(风)的大小与空气微团的水平加速度的大小成正比,与科氏参数f或纬度成反比。 2 地转偏差对天气演变的意义 地转偏差对动能制造的贡献 用 点乘水平运动方程:,地转偏差与动能的变化,动能增加,动能减少,2 )地转偏差对垂直运动的贡献 P坐标系的连续方程为,若取下边界条件:,如果不存在地转偏差,则不 存在水平风场
3、得辐合辐散, 也就没有垂直运动。,3 决定地转偏差的因子,风场的非定 常性引起的 偏差风,风速的水平 平流引起的 偏差风,对流变化 引起的 偏差风,(1) 变压风:,?,变高场与地转偏差,(1)沿流线方向的风速的不均匀性造成的风速水平平流(或辐散辐合)而引起的横向(与方向垂直)的偏差风(称为横辐散风)。,(2) 横辐散和纵辐散风:,1,2,推导?,当地转风沿流线方向增大时,则由此引起的地转偏差风指向地转风的左侧(左图);当地转风沿流线方向减小时,则由此引起的地转偏差风指向地转风的右侧(右图),横辐散偏差风,(2)纵辐散风 (3)风的对流变化引起的地转偏差热成偏差风,纵辐散辐合偏差风,槽前脊后的
4、区域是地转偏差风 的纵辐散区,而在脊前槽后区 域则是地转偏差风的纵辐合区。,热成偏差风与大气的斜压性和垂直运动有关:当有上升运动时, 与 方向相反;当有下沉运动时, 与 方向相同,如出现暖(冷)中心区,则偏差风矢量由四周(中心)指向中心(四周)。 6.2 地转适应理论概要 1、适应过程和演变过程的基本概念:,准 地 转 过 程,演变过程 (发展过程),由动力平衡向动力不平衡过渡的 过程,属于平衡中的运动过程。,适应过程 (调整过程),由动力不平衡向新的动力平衡过渡 的过程,属于运动中的平衡过程。,2、适应过程与演变过程的可分性 1)时间尺度上的可分性 P坐标系大尺度水平运动方程一级简化可写为:
5、 其中 为地转偏差风纬向和经向分量。引入无量纲变量: 下标“1”的量为无量纲量。将上式各量代入水平运动方程,并用 除各式,得 :,,,,,其中: 对于大尺度运动, 101 1, ;而对于不同过程,和c参数和可以变化较大。所以下面分别讨论两种过程的时间尺度。 (1)演变过程。在演变过程中,一般地转偏差较小,于是,基别尔数,陈秋士数,Rossby数,于是包含 和 的项为方程中的两个大项。由于在一般情况下,有 ,故: 因此,准地转过程的演变过程相对于适应过程是一种慢过程。 (2)适应过程。在适应调整阶段,大气存在较明显的地转偏差,即地转偏差较大,可以假设: 且局地变化项与地转偏差项量级最大并相当,即
6、 因此 : 故大气的适应调整过程是一种相对较快的过程。,2)物理性质可分 (1)在演变过程中,由于地转偏差较小,非线性项的量级较大,演变过程是非线性的;而在适应过程,由于地转偏差较大,水平运动方程中的线性项量级较大,故适应过程是准线性的。 (2)对演变过程而言, ,即 ,所以演变过程以准涡旋运动为主;在适应过程, ,即 ,说明大气运动以位势运动(辐散辐合运动)为主。,由于适应调整过程较演变过程快,即由动力不平衡 向新的动力平衡恢复过程较快,这就可以解释为什么在 每日的天气图上可以在中高纬地区看到准地转流场。,3 正压地转适应过程,为简单起见,本节同样以正压大气为模型来讨论大气中地转适应过程,以
7、揭示其物理机制。 1)均质大气模式 假定空气密度为常数(均质大气), 无摩擦,且自由面上的气压为常数。 对静力平衡方程 进行z从zh的积分,得 对上式分别求x,y的偏导数有:,均质大气模式,由于h与z无关,故由上述两式可知,水平气压梯度力也与z无关。在这种意义上,我们称这种均质大气模式为正压模式。 这表明如果初始时,u,v与z无关,则此后的u,v也与z无关。均质大气的连续方程为: 对上式作z从0h的垂直积分,并注意 ,得 即 或改写为:,(gh),W随z变吗?,均质大气模式的基本方程组: 2)地转适应方程组 对于适应过程,非线性项可以看作相对小的项而忽略,支配方程组可表示为:,其中: H为自由
8、面静止高度,3)适应过程的物理机制 以一维情况为例,设扰动与y无关,则适应方程组变为,地转适应过程示意图,P101102的例子,上述讨论的适应调整过程会产生一种波动重力惯性外波,这种波动是频散波,若初始非地转运动的水平尺度有限,那么非地转能量通过频散过程将分布到更宽广的空间中,这样,单位体积大气的非地转能量逐渐减少,所以振荡随时间是衰减的,并最终建立起稳定的地转平衡。所以说,重力惯性外波的频散是正压大气中地转适应过程最基本的物理机制,当出现地转偏差时,在科氏力的作用下,通过整层大气辐合辐散交替变化,使气压场和流场相互调整又重新建立起地转平衡状态。 4)地转适应与扰源尺度的关系 气压场和流场的变
9、化快慢可分别用地转风和实际风的局地时间变化率来表示。气压场的变化率及其量级可表示为:,流场的变化率及其量级则为 于是流场变化率与气压场的变化率的量级之比为 其中 ,称为正压大气的Rossby变形半径,它是一种距离的特征尺度,由于 为惯性周期的特征尺度, 为重力外波波速,故 的物理意义为在惯性周期内重力外波传播的距离。 由(1)式:1)当 时,则有 ,表明由流场向气压场适应调整,气压场容易维持,这种情况在大尺度运动中容易出现;2)当 时,则有 ,表明气压场向流场适应调整,即流场容易维持,这种情况在较小尺度的运动中容易出现;,1,3)当 时,则有 ,表明流场和气压场之间相互适应调整。 另外,由于
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