動力氣象學要點

1、名詞解釋1、 平面近似及f平面近似；所謂的平面近似是對f參數(shù)作高一級的近似，其主要內(nèi)容是：當f處于系數(shù)地位不被微商時，??；當f處于對y求微商時，取。采用平面近似的好處是：用局地直角坐標系討論大尺度運動將是方便的，而球面效應引起的f隨緯度的變化對運動的作用被部分保留下來。在低緯度大氣動力學研究中，取0，fy,這稱為赤道平面近似。 f平面近似：這是對地轉(zhuǎn)參數(shù)f=2sin采用的一種近似。在中緯度地區(qū)，若運動的經(jīng)向水平尺度遠小于地球半徑時，可以取，即把f作為常數(shù)處理，這種近似稱為近似。這種近似完全沒有考慮f隨緯度的變化。2、 斜壓大氣與正壓大氣； 斜壓大氣是指：當大氣中密度的分布不僅隨氣壓而且還隨溫度

2、而變時，即(P,T),這種大氣稱為斜壓大氣。所以斜壓大氣中等壓面和等密度面（或等溫面）是相交的，等壓面上具有溫度梯度，即地轉(zhuǎn)風隨高度發(fā)生變化。在中高緯度大氣中，通常是斜壓大氣。大氣中斜壓結(jié)構(gòu)對于天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展有著重要意義。 正壓大氣是指：當大氣中密度分布僅僅隨氣壓而變時，即(P),這種大氣稱為正壓大氣。所以正壓大氣中等壓面也就是等密度面，由于p=RT,因此正壓大氣中等壓面也就是等溫度面，等壓面上分析不出等溫線。由此，也沒有熱成風，也就是地轉(zhuǎn)風隨高度不發(fā)生變化。3、 地轉(zhuǎn)偏差與地轉(zhuǎn)運動；地轉(zhuǎn)偏差是指實際風和地轉(zhuǎn)風的矢量差，地轉(zhuǎn)偏差和水平加速度方向垂直，在北半球指向水平加速度的左側(cè)。地轉(zhuǎn)運動

3、是指等壓線為一族平行的直線時的平衡場，在地轉(zhuǎn)運動中，水平氣壓梯度力和科里奧利相平衡。4、Rossby數(shù)與Rossby參數(shù)；，稱為羅斯貝數(shù)，它是一個無量綱參數(shù)，若Ro1，表示水平慣性力相對于科氏力的量級要小得多，則水平氣壓梯度力與科氏力的量級相同（這被稱為地轉(zhuǎn)近似的充分條件及其物理意義）；若Ro1，則水平慣性力、科氏力與水平氣壓梯度力的量級相同；若Ro1,則水平慣性力遠大于科氏力，水平氣壓梯度力與水平慣性力量級相同。Rossby參數(shù)：由于地球呈球體之關(guān)系，科氏參數(shù)向北之變量。以符號表示如下： =d/dy(2 sin )=2 cos /a，式中系地球之角速度，為緯度，a 為地球之平均半徑，即為羅斯

4、貝參數(shù)。羅斯貝參數(shù)，通常多視為一常數(shù)。5、全位能與有效位能； 于靜力平衡大氣中，鉛直氣柱所包含的位能與內(nèi)能是成比例的，所以將氣柱中的位能與內(nèi)能合在一起定義為全位能更為方便。即有 （7.39）全位能實際上是氣柱的焓。全位能有時也稱為位能。 有效位能的定義：它是閉合系統(tǒng)中大氣的全（部）位能與溫度場按絕熱過程重新調(diào)整后系統(tǒng)所具有的最小全位能的差。絕熱調(diào)整后產(chǎn)生了穩(wěn)定層結(jié)是：p、T和等值面是相互重合，這時位能不能再轉(zhuǎn)換動能了，所以此時是最小的全位能。全位能:靜力平衡大氣的內(nèi)能和位能之和。有效位能：大氣處于某一狀態(tài)時，可用于轉(zhuǎn)換為動能的能量只是全位能的一小部分，這部分能量稱為有效位能，余下的稱為非有效位

5、能。6、行星邊界層與自由大氣。在接近地球表面的一層大氣中，強烈的風垂直切變和下墊面非均勻增熱，常會引起湍流的發(fā)展。這層大氣污染稱為行星邊界層。摩擦層以上、空氣運動不受地表摩擦影響的大氣。其下限高度隨季節(jié)不同而變，冬季約500米，夏季約2000米。在中、高緯度，自由大氣中空氣運動基本遵守地轉(zhuǎn)風或梯度風法則，即科氏力和氣壓梯度力相平衡，氣流幾乎與等壓線平行。1、大氣運動方程有哪幾個？大氣運動方程組一般有六個方程組成（三個運動方程、連續(xù)方程、熱力學能量方程、狀態(tài)方程）；運動方程、連續(xù)方程、熱力學能量方程是預報方程，狀態(tài)方程是診斷方程。 運動方程的三個分量方程 連續(xù)方程熱力學能量方程狀態(tài)方程2、何謂熱

6、成風？如何判斷冷暖平流？熱成風：一般把地轉(zhuǎn)風隨高度的變化稱為熱成風?；蚨x為鉛直方向上兩等壓面上地轉(zhuǎn)風的矢量差。其符號為。它的數(shù)學表達式為： 式中為較高一層的地轉(zhuǎn)風，為較低一層的地轉(zhuǎn)風。當兩層等壓面的地轉(zhuǎn)風已知時，即可確定此兩層間冷暖區(qū)的分布及溫度梯度的大小。因為在實際的自由大氣中實際風接近地轉(zhuǎn)風，可得如下結(jié)論：當?shù)剞D(zhuǎn)風(或?qū)嶋H風)隨高度增加而逆時針轉(zhuǎn)時，則有冷平流。當?shù)剞D(zhuǎn)風(或?qū)嶋H風)隨高度增加而順時針轉(zhuǎn)時，則有暖平流。3、聲波、重力內(nèi)波、慣性重力外波、Rossy波生成的必要條件？聲波：由大氣的可壓縮性引起。重力內(nèi)波：由大氣的穩(wěn)定層結(jié)和重力的作用而形成。慣性重力外波：自由面的垂直擾動在重力及

7、水平科氏力共同作用下形成的波動。羅斯貝波：是在準水平的大尺度移動中，由于效應維持絕對渦度守恒而形成的。4、中緯度大尺度大氣運動的主要特點？ 中緯度大尺度大氣運動的主要特點有準水平、準地轉(zhuǎn)平衡、準靜力平衡、準水平無輻散、緩慢變化的渦旋運動。5、尺度分析、P坐標系的建立。所謂尺度分析方法，就是對不同類型運動，通過觀測資料，給出各種尺度運動物理量的特征值，來估計出基本方程中各項數(shù)量級，找出主要因子，略去次要因子，使方程得以簡化，以利數(shù)學處理，也有利于揭示某種運動的本質(zhì)特征。 已知局地直角坐標系其坐標軸采用(x,y,z),其中的垂直坐標以幾何高度z來表示，故也稱它為”z”坐標系。由于大氣的垂直高度與氣

8、壓有很好的靜力學關(guān)系，可用氣壓p來表示垂直坐標，即空間點的位置用(x,y,p)坐標來表示，這種坐標系稱為“P”坐標系。對于大，中尺度運動，大氣具有靜力平衡性質(zhì)，氣壓p隨高度單調(diào)遞減。故靜力平衡是建立p坐標系的物理基礎。6、地轉(zhuǎn)偏差、內(nèi)能、位能、全位能。 地轉(zhuǎn)偏差是指實際風和地轉(zhuǎn)風的矢量差，地轉(zhuǎn)偏差和水平加速度方向垂直，在北半球指向水平加速度的左側(cè)。內(nèi)能：單位空氣質(zhì)量的內(nèi)能，其表達式為： 式中為定容比熱，T為空氣溫度，重力位能可簡稱位能：重力場中跟海平面z高度上單位質(zhì)量空氣微團所具有的位能，其表達式為：=gz全位能（內(nèi)能加位能） 7、 波的頻散。無論< 還是>波群的寬度最終總是加寬的

9、，這表明擾動量將逐漸被分散，擾動能量相對于合成波列的傳輸現(xiàn)象為波的頻散。非頻散波：頻率（）或波速（C） 與波數(shù)（k）或者波長（L）無關(guān)，則Cg=C，波能與波動一起移動，稱波動沒有發(fā)生頻散或為非頻散波，如聲波、重力外波；反之，若頻率與波數(shù)有關(guān)，則CgC，稱為頻數(shù)波，如重力波、慣性重力波、長波。8、ß效應。由于科氏參數(shù)隨緯度變化，當氣塊作南北運動時，牽連渦度發(fā)生變化；為了保持絕對渦度守恒，這時相對渦度會發(fā)生相應的變化（系統(tǒng)發(fā)生變化）。這種效應稱為效應。1、熱力學分層、動力學分層，各有什么特征？ 按照溫度結(jié)構(gòu)，大氣分為四個層次，即對流層、平流層、中間層、熱層。其特征分別為：對流層：氣流溫度

10、隨高度升高而降低；風向風速經(jīng)常變化；空氣上下對流激烈；有云、雨、霧雪等天氣現(xiàn)象；空氣的組成成分一定。平流層：隨高度增加氣溫保持不變，中緯度地區(qū)保持在-56.5左右，故這層成為恒溫層；沒有云、雨等天氣現(xiàn)象；空氣沒有上下對流，只有水平方向的風，故稱為平流層；風向風速穩(wěn)定，不經(jīng)常變化；空氣質(zhì)量不多。中間層：隨高度增加溫度先升后降；有大量臭氧存在；有水平方向的風，且風速很大；空氣質(zhì)量很少。熱層：空氣溫度隨高度的增加而急劇增加；空氣具有很大的導電性，空氣已經(jīng)被電離；空氣可以吸收、反射或折射無線電波；空氣極稀薄。大氣行星邊界層可分為二個層次，即自由大氣和邊界層，其中邊界層可分為三個層次，即貼地層，近地面層

11、，埃克曼層。其特征如下：自由大氣：無湍流運動，摩擦力很小，可以略去貼地層：在這層中分子粘性很大，而湍流粘性應力很小，其厚度在2m以內(nèi)。近地面層：這層中湍流粘性力比分子粘性力重要，且湍流粘性應力基本上不隨高度變化，風速隨高度呈對數(shù)分布，其厚度約為數(shù)十米。在近地面層中，湍流對動量、熱量、水汽的鉛直輸送通量也都不隨高度改變，所以又稱為常值通量層。?？寺鼘樱哼@層中湍流粘性應力和科里奧利力、水平氣壓梯度力幾乎同等重要，而且這三力基本相平衡，運動具有準水平性。2、渦度方程。z坐標系中的鉛直渦度方程 方程左邊表示z坐標系中相對渦度的局地變化取決于右邊幾個項；右邊第一項為相對渦度的平流作用。沿氣流方向相對渦度

12、減小，則有正渦度平流，反之，則有負渦度平流。它與溫度平流的意義是類同的；右邊第二項為相對渦度的鉛直輸送作用。第三項稱為效應項，是地球自轉(zhuǎn)渦度鉛直分量的平流（也稱為牽連渦度平流）作用，當氣塊向北運動時，使局地相對渦度減小；向南運動時，使局地相對渦度增大；第四項為水平散度作用項。在（f+）0條件下，當空氣作輻散運動時，使局地相對渦度減小；作輻合運動時，使局地渦度增大；第五項稱為渦管扭曲項。是渦度的水平分量轉(zhuǎn)化為鉛直分量的扭轉(zhuǎn)效應。第六項是力管項。是大氣的斜壓性對渦度的作用。P坐標系中的鉛直渦度方程 方程左邊表示P坐標系中相對渦度的局地變化；右邊第一、二項為相對渦度的平流作用；第三項為相對渦度的垂直

13、輸送；第四項為水平散度作用，當空氣作輻散運動時，使局地相對渦度減?。蛔鬏椇线\動時，使局地渦度增大；第五項稱為效應項，為地球自轉(zhuǎn)渦度鉛直分量的平流作用，當氣塊向北運動時，使局地相對渦度減小；向南運動時，使局地相對渦度增大；第六項是渦度的水平分量轉(zhuǎn)化為鉛直分量的扭轉(zhuǎn)效應。與“z”坐標系渦度方程不同的是沒有力管項，力管作用隱含在散度項中。對大尺度（天氣尺度）運動適用的渦度方程用大尺度運動特征值，對渦度方程進行尺度分析和簡化后可得： 此式表示大尺度運動中，大氣的絕對渦度變化主要由水平的散度引起，水平輻合運動，即，使絕對（相對）渦度加大；水平輻散運動，即，使絕對（相對）渦度減小。而如果大氣是水平無輻散的，則有： 此式表示在水平無輻散的大尺度運動中，絕對渦度是守恒的。（6.69）式又稱為正壓渦度方程3、 Rossby波的求解。寫出表達羅斯貝波的渦度方程及其線性化方程。推導出羅斯貝波的頻率方程，波的相速公式和群速公式； 綜合討論羅斯貝波可得那些結(jié)論？答：羅斯貝波是大氣長波是由地轉(zhuǎn)參數(shù)隨緯度變化（即效應）造成的。因此可用正壓水平無輻散渦度方程，即絕對渦度守恒方程 或 （1） 表示之。用微擾動法，設基本氣流為均勻的西風，即令代人上式可得其線性方程為 （2） 因擾動速度場是水平無輻散的，故可引進擾動流函數(shù)，于是有 （3）將它代人（2）式后