平衡流場(chǎng)精品課件

1、平衡流場(chǎng)第1頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三 由尺度分析可知，大尺度運(yùn)動(dòng)中鉛直速度遠(yuǎn)小于水平速度，運(yùn)動(dòng)是準(zhǔn)水平的，并且對(duì)于中緯度大尺度運(yùn)動(dòng)而言，運(yùn)動(dòng)是準(zhǔn)定常的，在水平方向上作用于大氣的力基本上相平衡。 討論在一些力的平衡下的大氣水平運(yùn)動(dòng)，即所謂大氣平衡運(yùn)動(dòng)。這些平衡運(yùn)動(dòng)有：地轉(zhuǎn)風(fēng)、梯度風(fēng)、旋轉(zhuǎn)風(fēng)等，這些平衡運(yùn)動(dòng)反映了大氣運(yùn)動(dòng)的基本特征。第2頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三一、地轉(zhuǎn)平衡與地轉(zhuǎn)風(fēng)、熱成風(fēng)1.地轉(zhuǎn)平衡與地轉(zhuǎn)風(fēng)(Geostrophic Flow) 自由大氣中，水平氣壓梯度力與科氏力二者的平衡稱為地轉(zhuǎn)平衡；相應(yīng)的空氣水平運(yùn)動(dòng)稱為地轉(zhuǎn)風(fēng)，記為

2、Vg。 地轉(zhuǎn)平衡滿足：地轉(zhuǎn)風(fēng)公式：第3頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三 地轉(zhuǎn)風(fēng)Vg，是水平等速(dVh/dt0)運(yùn)動(dòng)，風(fēng)向與等壓線平行(運(yùn)動(dòng)定常時(shí)，等壓線為地轉(zhuǎn)風(fēng)的流線)，而且在北半球，背風(fēng)而立，高壓在右，低壓在左；南半球相反，風(fēng)速大小與水平氣壓梯度力的大小成正比，與空氣密度、科氏參數(shù)成反比。第4頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系的重要性： 揭示了風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)之間最簡(jiǎn)單，最基本的聯(lián)系。 大尺度運(yùn)動(dòng)處于準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)，這是大尺度運(yùn)動(dòng)一個(gè)重要性質(zhì)。 第5頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三 2、熱成風(fēng) 由熱力作用引起的(

3、Thermal Wind)地轉(zhuǎn)風(fēng)可能隨高度發(fā)生變化嗎？地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化產(chǎn)生熱成風(fēng)。第6頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三 由地轉(zhuǎn)風(fēng)的表達(dá)式看到，地轉(zhuǎn)風(fēng)的大小取決于同一等高面上的氣壓梯度，即又決定于等壓面的坡度，如等壓面的坡度不隨高度改變，即如果不同高度上的等壓面都平行，那么，地轉(zhuǎn)風(fēng)就不隨高度改變。是什么因素決定等壓面的坡度隨高度變化呢?第7頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三（1）正壓大氣和斜壓大氣概念正壓大氣中等壓面、等密度面、等溫面重合；斜壓大氣中等壓面與等溫面、等密度面相交。表征項(xiàng)：斜壓矢量第8頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，

4、星期三力管項(xiàng)：正壓流體：等壓面平行于等容面，力管項(xiàng)為0斜壓流體：等壓面與等容面相交，力管項(xiàng)不為0第9頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三由圖示可知： 第10頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三可見(jiàn)，大氣斜壓性與等壓面上溫度分布不均勻相聯(lián)系熱力過(guò)程相對(duì)應(yīng)； 第11頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三總結(jié)：斜壓大氣與熱力過(guò)程相對(duì)應(yīng)；驅(qū)動(dòng)中高緯大氣（斜壓大氣）運(yùn)動(dòng)的主要機(jī)制是：大氣的斜壓性；驅(qū)動(dòng)熱帶大氣（正壓大氣）運(yùn)動(dòng)的主要機(jī)制是：潛熱釋放。第12頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三地轉(zhuǎn)風(fēng)，Z坐標(biāo)： 第13頁(yè)，共32頁(yè)，

5、2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三地轉(zhuǎn)風(fēng)，P坐標(biāo)： 取決于同一等壓面上的位勢(shì)梯度，即等壓面坡度。第14頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三等壓面上溫度分布均勻正壓大氣情形，密度僅僅和氣壓有關(guān)P+與P-之間二個(gè)氣柱重量相同，密度相同高度也相同 P+與P-平行兩等壓面沒(méi)有坡度變化地轉(zhuǎn)風(fēng)不隨高度變化熱成風(fēng)為0第15頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三等壓面上溫度分布不均勻斜壓大氣情形，暖區(qū)密度減少，氣柱膨脹。P+與P-之間二個(gè)氣柱重量相同，密度暖區(qū)小于冷區(qū)高度h1h2 P+與P-不平行兩等壓面有坡度變化- 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度變化熱成風(fēng)存在第16頁(yè)，共32頁(yè)，

6、2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三由此可見(jiàn)：斜壓大氣是地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度改變的充分必要條件，即熱成風(fēng)是與大氣的斜壓性相聯(lián)系，與熱力作用相關(guān)。（2）熱成風(fēng)第17頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三定義：熱成風(fēng)為垂直方向上兩等壓面上地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量差。熱成風(fēng)定義第18頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三已知地轉(zhuǎn)風(fēng)：地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度(地轉(zhuǎn)風(fēng)隨氣壓坐標(biāo))的變化為： 熱成風(fēng)表達(dá)式推導(dǎo)：（1）第19頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三進(jìn)一步：（2）（3）將（2）代入（1）(4)第20頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三 由（5）式可

7、見(jiàn)，等壓面上平均溫度分布的不均勻，引起了熱成風(fēng) 。（5）兩等壓面間厚度梯度第21頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三 由此可見(jiàn)，熱成風(fēng)方向與等平均溫度線平行，北半球，背風(fēng)而立，高溫在右，低溫在左；大小與等壓面上的溫度梯度成正比（即等溫線的疏密成正比）。第22頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三熱成風(fēng)的重要物理意義： 揭示了靜力平衡下大尺度運(yùn)動(dòng)中風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)、溫度場(chǎng)之間的關(guān)系。 見(jiàn)書(shū)：P95第23頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三從以上討論可見(jiàn)： 正壓大氣，等壓面上溫度分布均勻，熱成風(fēng)為0，上下運(yùn)動(dòng)一致。 斜壓大氣，等壓面上溫度分布不

8、均勻，熱成風(fēng)不為0，上下運(yùn)動(dòng)不一致。第24頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三例如： （1） 副熱帶高壓： 從低層、到中層、直到高層，都表現(xiàn)為高壓（反氣旋） 正壓系統(tǒng) 成因動(dòng)力作用； （2）夏季的青藏高原： 高層是反氣旋，低層是氣旋， 斜壓系統(tǒng) 成因：熱力作用；第25頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三二、地轉(zhuǎn)偏差(Geostrophic deviation)定義：實(shí)際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量之差第26頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)： 天氣系統(tǒng)不變 由此可見(jiàn)，地轉(zhuǎn)偏差是天氣系統(tǒng)變化的重要原因 。第27頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三物理意義： 有地轉(zhuǎn)偏差時(shí)，風(fēng)可以穿越等壓線運(yùn)動(dòng)，引起質(zhì)量重新分布，造成氣壓場(chǎng)，風(fēng)場(chǎng)的變化，從而推動(dòng)天氣系統(tǒng)的演變。由此可見(jiàn)，地轉(zhuǎn)偏差與加速度相互垂直，在北半球指向水平加速度的左側(cè)。大小和水平加速度成正比，和緯度的正弦成正比。第28頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三1.地轉(zhuǎn)偏差與動(dòng)能制造 從能量學(xué)的角度來(lái)看，地轉(zhuǎn)偏差對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的制造有重要的作用。證明：第29頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)12分，星期三12VVg因此，地轉(zhuǎn)偏差對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的制造和轉(zhuǎn)換具有重要作用。第30頁(yè)，共32頁(yè)，2022