動力氣象總復習

1、何為A。數(shù)？大尺度大氣運動的A。數(shù)為多大？大尺度大氣運動的主要特征是什么？請利用Rossby數(shù)，分別判斷中高緯度大尺度大氣運動、中小尺度和熱帶大尺度大氣運動為何種性質(zhì)的運動？定義水平慣性力尺度水平科氏力尺度大尺度運動：R0?l中緯度大尺度大氣運動具有以下特點：準定常，準水平，準地轉(zhuǎn)平衡，準靜力平衡，準水平無輻散，渦旋運動。中緯度大尺度運動：準地轉(zhuǎn)中緯度中小尺度運動：非地轉(zhuǎn)熱帶大尺度運動：非地轉(zhuǎn)2、正壓大氣和斜壓大氣概念正壓大氣：密度的空間分布只依賴于氣壓，即P=P（p）,這種大氣狀態(tài)稱作正壓大氣。正壓大氣中等壓面、等密度面和等溫面重合在一起。斜壓大氣：密度的空間分布不僅依賴于氣壓而且依賴于溫度，即P=P（p,T）,這種狀態(tài)稱作斜壓大氣。斜壓大氣中等壓面與等密度面、等溫面是交割的。3、何為熱成風？請詳細說明熱成風是由于大氣的斜壓性所引起，并由此說明大氣大尺度動力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)在天氣圖上的主要表現(xiàn)特征，并舉出實例。熱成風：地轉(zhuǎn)風隨高度的變化正壓大氣，等壓面上溫度分布均勻，熱成風為0,上下運動一致。斜壓大氣，等壓面上溫度分布不均勻，熱成風不為0,上下運動不一致。斜壓大氣是地轉(zhuǎn)風隨高度改變的充要條件，也就是正壓大氣中不存在熱成風。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)成因一一動力作用；（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；三，渦度方程:1，渦度是什么？］=次速度的旋度渦度方程：/=婪+，?^74dtGt=-?+/）▽?-孚-+（今+77等）ay ax3y3y3x）+▽人或In

3y3x）+▽人或In散度項-C+/)▽?〃?-/V-V散度項P效應項-3=-。扭轉(zhuǎn)項摟+琮=?叫力管項翳—…粘性耗散項▽八F丫Z作業(yè)：d乙 d1、正壓大氣中渦度方程一+4“？-修=0=>7（5^）=0物理意義是什么？解釋at at說明系統(tǒng)有輻合、輻散運動和整體做南北運動時渦度的變化。絕對角動量守恒[輻散：b個，則4Jn反氣旋加強，氣旋減弱1輻合：bJ,貝晦個=>氣旋加強，反氣旋減弱輻合、輻散：凝化=>廷化fv>o=>/T,則《J；[u<0n/J,則:個。系統(tǒng)南、北運動，f變化變化輻合、輻散：2、請說明一個氣旋系統(tǒng)作輻合運動和向南運動時，其強度將會加強。侑：g強nr7自口月-F中力It解的作性合背力氣旋輻是生氣有不聿痛若而這個氣旋系統(tǒng)整體作向南的運動??Y匕邊的侑：g強nr7自口月-F中力It解的作性合背力氣旋輻是生氣有不聿痛若而這個氣旋系統(tǒng)整體作向南的運動??Y匕邊的二氣旋性與氣旋性轉(zhuǎn)動加強。3、B一平面近似、B效應B一平面近似：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B—效應。B效應：科氏參數(shù)f是緯度y的非線性函數(shù)，近似地將f表示成y地線性函數(shù)，這種近似稱為6—平面近似，即：四，能量學1,能量形態(tài)2,無限高氣柱的位能一內(nèi)能的關(guān)系?！荒?？一一有效位能？對無窮高氣柱而言，大氣的內(nèi)能與位能成正比，同時增減，故定義：全位能=位能+內(nèi)能AR石=①+/=—I+1G，_Cv+ARCp= 1=—1cvcv3,質(zhì)點的動能方程如何推導？丫?“運動方程”引起動能變化的機制：壓力梯度力的作用。4,閉合系統(tǒng)：什么是？特點：沒有通過運動形式引起的物流交換；所有通量都等于0。（全位能A與動能K:A<—>K）閉合系統(tǒng)能量守恒一一絕熱無摩擦轉(zhuǎn)化條件：必要條件是垂直運動；暖空氣輸送，冷空氣下沉，全位能向動能轉(zhuǎn)化。作業(yè)：1、大氣中有哪幾種能量形式？內(nèi)能與位能的關(guān)系2、位能一一重力一保守力單位質(zhì)量氣塊的位能：gz2、內(nèi)能一一熱力學能量\cvTA這里，G".的單位是卡，A-熱功當量。IJ=A,1卡=—JA3、動能一一標志著天氣系統(tǒng)的強度

單位質(zhì)量氣塊所具有的動能：2V'4、潛熱能、Lq定義：系統(tǒng)中所有水汽全部凝結(jié)所釋放的熱量2、全位能和有效位能概念：緯向平均運動全位能=位能+內(nèi)能e=中+/=絲/+/GTOC\o"1-5"\h\zCy+AR Cp= 1= 1Cv Cv有效位能：在閉合系統(tǒng)中，經(jīng)過干絕熱過程，從初始狀態(tài)調(diào)整到水平穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)時，系統(tǒng)所能釋放的最大全位能，稱為有效位能。有效位能，可以理解為：能夠被釋放出來的那部分全位能。緯向平均運動：指大氣盛行的以極地為中心并繞其旋轉(zhuǎn)的緯向氣流，這是大氣環(huán)流的最基本的狀態(tài)，就對流層平均緯向環(huán)流而言，低緯度地區(qū)盛行東風，稱為東風帶（由于地球的旋轉(zhuǎn),北半球多為東北信風，南半球多為東南信風，故又稱為信風帶）；中高緯度地區(qū)盛行西風，稱為西風帶（其強度隨高度增大，在對流層頂附近達到極大值，稱為西風急流）；極地還有淺薄的弱東風，稱為極地東風帶。3、閉合系統(tǒng)中動能與全位能發(fā)生轉(zhuǎn)換的必要條件是什么？何時動能向全位能轉(zhuǎn)換？何時全位能向動能轉(zhuǎn)換？垂直運動是閉合系統(tǒng)中動能與全位能轉(zhuǎn)換的必要條件。物理本質(zhì)：暖空氣一輕一上升冷空氣一重一下沉系統(tǒng)質(zhì)心下降，全位能減少，動能增加,反之，亦成立4、根據(jù)實際大氣北半球中高緯度大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（斜槽結(jié)構(gòu)），利用下式說明擾動運動動能將向平均運動動能轉(zhuǎn)換。其中符號同慣常意義。急流軸上槽移速河

急流兩邊槽移速慢f斜槽結(jié)構(gòu)急流軸北邊：西北一東南走向;南邊：東北-西南走向。

急流軸上槽移速河

急流兩邊槽移速慢f斜槽結(jié)構(gòu)J1^與HJ1^與H正相關(guān)={K'R}=￡ A"uvf—dM>05、根據(jù)實際大氣北半球中高緯度位勢高度場和溫度場的配置，利用卜.式說明擾動有效位能將向擾動動能轉(zhuǎn)換的機制。其中符號同慣常意義。溫度槽落后于氣壓槽 =>A'-K'槽前上升運動，槽后下沉運動一一暖空氣上升，冷空氣下沉。6、實際大氣北半球中高緯度緯向平均有效位能轉(zhuǎn)換成擾動有效位能（Z-4）的機制。未北，冷 “〒卒畢工卜量由南向北輸送J心II 南北方向溫度分布均勻；南，陵 某個與圈上溫度不均勻。熱量的經(jīng)向輸送，使得暖區(qū)失去熱量，冷區(qū)得到熱量=不』在緯圈上形成溫度分布不均勻=a'T——溫度槽落后于高度槽7、試論述大型渦旋在實際大氣能量循環(huán)中的重要作用。答：首先，通過大型渦旋引起的熱量經(jīng)向輸送，使得平均有效位能向擾動有效位能轉(zhuǎn)換；然后，又通過大型渦旋中的垂直運動，使得擾動有效位能向擾動運動動能轉(zhuǎn)換；

再通過大型渦旋的斜槽結(jié)構(gòu)引起動量輸送，使得擾動運動動能向平均運動動能轉(zhuǎn)換；最后，通過大型渦旋耗散了大部分動能。所以說，大型渦旋在實際能量循環(huán)中起著重要作用。8、EKman抽吸、二級環(huán)流及大氣旋轉(zhuǎn)減弱在邊界層中，三力平衡下，風要穿越等壓線，從高壓指向低壓，則氣旋區(qū)產(chǎn)生輻合上升，反氣旋區(qū)產(chǎn)生輻散下沉。這種邊界層頂?shù)拇怪边\動，稱為Ekman抽吸。相應的，自由大氣中的氣旋區(qū)要產(chǎn)生輻散，反氣旋區(qū)要產(chǎn)生輻合，這樣就在垂直面內(nèi)形成閉合環(huán)流。如果將水平面上的氣旋、反氣旋，稱為一級環(huán)流，則稱這個由一級環(huán)流誘發(fā)的、在垂直面上的閉合環(huán)流，為二級環(huán)流大氣旋轉(zhuǎn)減弱：二級環(huán)流的作用：使邊界層與自由大氣發(fā)生物理量交換。J邊界層中角動量小的空氣，輸送到自由大氣：［自由大氣中角動量大型空氣，輸送到邊界層。結(jié)果：由自由大氣向邊界層輸送角動量。自由大氣角動量減少，大氣旋轉(zhuǎn)減弱，邊界層角動量增加，以補償耗散自由大氣中:‘氣旋區(qū)輻散n自由大氣中:‘氣旋區(qū)輻散n氣旋減弱反氣旋區(qū)輻合二反氣旋減弱=>旋轉(zhuǎn)減弱=>用來補償耗散、+1mpz1rHf氣旋區(qū)輻合=>氣旋加強邊界層中s=>用來補償耗散、1反氣旋區(qū)輻散=>反氣旋加強旋轉(zhuǎn)減弱：自由大氣在?？寺玫淖饔孟拢魺o外部能量的供給，其渦度會隨時間發(fā)生衰減,這種衰減就稱為旋轉(zhuǎn)減弱五，波動學一一主流理論。槽脊，長波，短波?波動中的術(shù)語。1,波動概念：1）振蕩機制一一回復機制（負反饋機制）2）傳播機制一一質(zhì)點與質(zhì)點間的相互聯(lián)系。特點：空間、時間上周期變化。波參數(shù)：有哪些？定義？關(guān)系？求波解？單波：討論波動傳播問題，不能討論波的發(fā)展。群速度一一波群一一群速度2,微擾動的線性化方法：基本思想、假設？如何做？3,基本方程中有哪些波？各種波的機制、性質(zhì)？濾波條件？重力內(nèi)波一一浮力振蕩（體現(xiàn)產(chǎn)生機制）B—效應（體現(xiàn)Rossby波產(chǎn)生機制）重力外波一一用自由面h體現(xiàn)的連續(xù)方程一一h變化，引起輻合輻散一一傳播機制。上游效應4,會解：重力外波，大氣長波

物理（氣象）模型、數(shù)學模型、線性化、設波解、本征值、求波速C、討論氣象意義4,濾波概念：掌握思想。作業(yè)：1、頻散波和非頻散波；相速度和群速度；上游效應和卜游效應；浮力振蕩，穩(wěn)定層結(jié)和不穩(wěn)定層結(jié)相速度是位相的傳播速度，如槽脊的移速群速度是振幅/能量的移動速度。不穩(wěn)定層結(jié)：若,即周圍溫度下降得快，故氣團T＞周圍，重力〈浮力，凈浮力向上穩(wěn)定層結(jié)：若非頻散波：物理（氣象）模型、數(shù)學模型、線性化、設波解、本征值、求波速C、討論氣象意義4,濾波概念：掌握思想。作業(yè)：1、頻散波和非頻散波；相速度和群速度；上游效應和卜游效應；浮力振蕩，穩(wěn)定層結(jié)和不穩(wěn)定層結(jié)相速度是位相的傳播速度，如槽脊的移速群速度是振幅/能量的移動速度。不穩(wěn)定層結(jié)：若,即周圍溫度下降得快，故氣團T＞周圍，重力〈浮力，凈浮力向上穩(wěn)定層結(jié)：若非頻散波：C與k無關(guān)

頻散波：C與k有關(guān)一,即周圍溫度下降得慢，故氣團?。贾車亓Γ靖×?，凈浮力向下一一該波動的波速與波長無關(guān)，波動的能量-該波動的波速與波長有關(guān)浮力振蕩：在穩(wěn)定層結(jié)中，當氣團受到垂直擾動時，它要受到與位移相反的凈浮力（回復力）作用而在平衡位置附近發(fā)生振蕩，這種振蕩稱為浮力振蕩。上游效應：波動的能量先于波動傳到下游，會在卜.游加強原擾動或激發(fā)新的波動，稱為上游效應。下游效應：下游波動對上游波動的影響2、已知自由表面高度為h的均質(zhì)不可壓大氣滿足下式：dudu 1dp——+u——= —dt dx pdx1前np&dudwc——+——=0dxdz其中符號同慣常意義。1.2..請說出重力外波傳播的物理機制。.導出重力外波的波速公式，并討論之。水平輻合輻散du du dh——+u——=-2——dt dx dxdh dh .du八dt dx6x自由表面坡度產(chǎn)生壓力梯度力，改變大氣的水平運動，由此產(chǎn)生的輻合輻散運動又改變自由表面的坡度。， _ _令h=H+h'h=constu=u+u,u=Constdu9 fduohfc——+u——+u——+p——=0dt dxdx dx =>dhf dhf fdhf du lfdu八——+u——+u——+H——+h——=0.dtdxdxdxdxdtdxoh9_加——+it——dh，

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du.dtdxdx=0——(2)消去u'：6_d dd_a2,(記得)(2)-(H浜)(l)n(5+=)hg”d2hfdx2=0f形式解：M=a/W)=>(~ikc+uik)2hf-gH(ik)2hf=0“使.h =(c-w)2-gH=0 =N土

討論：①重力外波線性疊加在基本氣流上②雙向傳播③如g=10m/s2,H=10km時，后方7*300m/s快波，高頻波。④非頻散波。 -3、已知方程:dd3、已知方程:dd+u一+v——&dy)d\>_du4+0=0dudxdvdudxdv——d dx/其中：各符號同慣常意義。（1）由上式導出&ss"波的波速和群速公式，并討論之。線性化:其中：各符號同慣常意義。（1）由上式導出&ss"波的波速和群速公式，并討論之。線性化:u=u+u，,v=vr,H=Const,p-p即假設大氣長波疊加在均勻的西風基流上（中高緯大氣上空的西風氣流并不均勻，存在西風急流）代入方程，得到華+萬望+〃，望+M望+皿=0|dtoxdxdyIdu3——十——=0dxdy略去二階小量，得到:dt5u Fdt5u F小5x+/7M=05v——=0有旋無輻散：可以引入流函數(shù)有旋無輻散：可以引入流函數(shù),0Pu—— ②uV二 dx02P 02P,0Pu—— ②uV二 dx02P 02P 7dxd)rV2Tz引入流函數(shù)，并略去方程中擾動量的二次乘積項,得制嗎心+嚕=。設波動解:乎_a/（辰+/）」"）代入上面的一元線性卜方程中，得到n{(-ia)+iku)[(ik)2+(z7)2]+pikyV=0???TwOCOCD~就_4COCDk2+l2

co _cco丁cco<__K =一/十一（2）請說出&ss"波的主要特征及其形成的物理機制。，Rossby波產(chǎn)生、傳播、振蕩所有機制，都是8—效應。4、何謂6%應？很據(jù)Rossby波的傳播機制，說明下圖所示的渦旋系統(tǒng)將會向西其左側(cè)：半〈0,其左側(cè)：半〈0,故左半個加強：右側(cè)：竿＞0,故右半個減弱。dt dt=反氣旋的強度中心位置西移