动力气象总复习 (2)

1、何为局数？人尺度人气运动的局数为多人？人尺度人气运动的主要特征是什么？请利 用Rossby数，分别判断中高纬度大尺度人气运动、中小尺度和热带人尺度人气运动为何种 性质的运动？水平惯性力尺度 水平科氏力尺度大尺度运动：R0l中纬度人尺度大气运动具有以卞特点：准定常，准水平，准地转平衡，准静力平衡，准水平 无辐散，涡旋运动。中纬度人尺度运动：准地转中纬度中小尺度运动：非地转热带人尺度运动：非地转2、正压大气和斜压人气概念正压大气：密度的空间分布只依赖于气压，即P二P （p）,这种人气状态称作正压大气。正压大气中等压 面、等密度面和等温面重合在一起。斜压大气：密度的空间分布不仅依赖于气压而且依赖于温度，即P二P（p,T）,这种状态称作斜压大气。 斜压大气中等压面与等密度面、等温面是交割的。3、何为热成风？请详细说明热成风是由于人气的斜压性所引起，并由此说明人气大尺度动 力系统与热力系统在天气图上的主要表现特征，并举出实例。热成风：地转风随高度的变化正压大气，等压面上温度分布均匀，热成风为0,上下运动一致。斜压大气，等压面上温度分布不均匀，热成风不为0,上卞运动不一致。斜压人气是地转风随高度改变的充要条件，也就是正压大气中不存在热成风。 例如：（1）副热带高压：从低层、到中层、直到高层，都表现为高压（反气旋）正压系统成因一一动力作用；（2）夏季的青藏高原：高层是反气旋，低层是气旋，斜压系统成因：热力作用；三，涡度方程:1，涡度是什么？ = &速度的旋度涡度方程:散度项一（/）20效应项-张-小扭转项燈初詈=0叽力管项 翌竺迪包 丸dx dy dy dxz粘性耗散项 A戶丫 Z作业：d乙d1、正压大气中涡度方程-+（o-反气旋加强，气旋减弱辐合：bJ,则气旋加强，反气旋减弱辐合、辐散：疲化= 袋化 fv0=/ 个，则歹 v / 则 c, T o系统南、北运动，f变化=彳变化辐合、辐散：2、请说明一个气旋系统作辐合运动和向南运动时，其强度将会加强。-XFVV * wnr 7RC D B -卩东力 Itao 作性 合背力气旋 辐是氏生气 有不用产肢 若而瓠輕作反气旋力5性这个气旋系统整体作向南的运动靠癩篠魏野的运动3、B平面近似、B效应B平面近似：由于科氏参数随纬度变化，当气块作南北运动时，牵连涡度发生变化：为了 保持绝对涡度守恒，这时相对涡度会发生相应的变化（系统发生变化），这种效应称为 B 效应。B效应：科氏参数f是纬度y的非线性函数，近似地将f表示成y地线性函数，这种近似 称为 B 平面近似，即：四，能量学1，能量形态2, 无限高气柱的位能一内能的关系。全位能？一一有效位能？对无穷高气柱而言，大气的内能与位能成正比，同时增减，故定义:全位能=位能+内能ARCv + ARJiCv3, 质点的动能方程如何推导？卩”运动方程”引起动能变化的机制：压力梯度力的作用。4, 闭合系统：什么是？特点：没有通过运动形式引起的物流交换；所有通量都等于0。（全位能A与动能K:AK）闭合系统能屋守恒一一绝热无摩擦转化条件：必要条件是垂直运动；暖空气输送，冷空气下沉，全位能向动能转化。作业：1、大气中有哪几种能量形式？内能与位能的关系2、位能一一重力一保守力单位质量气块的位能：gz2、内能一一热力学能量A这里，的单位是卡，4-热功当量。IJ=A 卡,1 卡=J3、动能一一标志着天气系统的强度单位质量气块所具有的动能：2 V4、潜热能*定义：系统中所有水汽全部凝结所释放的热量2、全位能和有效位能概念：纬向平均运动 全位能=位能+内能ARCv + AR 有效位能：在闭合系统中，经过干绝热过程，从初始状态调整到水平稳定层结状态时，系统 所能释放的最大全位能，称为有效位能。有效位能，可以理解为：能够被释放出来的那部分 全位能。纬向平均运动：指人气盛行的以极地为中心并绕其旋转的纬向气流，这是人气坏流的最基本 的状态，就对流层平均纬向环流而言，低纬度地区盛行东风，称为东风带（由于地球的旋转, 北半球多为东北信风，南半球多为东南信风，故又称为信风带）；中高纬度地区盛行西风， 称为西风带（其强度随高度增人，在对流层顶附近达到极人值，称为西风急流）；极地还有 浅薄的弱东风，称为极地东风带。3、闭合系统中动能与全位能发生转换的必要条件是什么？何时动能向全位能转换？ 何时全位能向动能转换？垂直运动是闭合系统中动能与全位能转换的必要条件。物理本质：暖空气一轻一上升冷空气一重一下沉系统质心下降，全位能减少，动能增加,反之，亦成立4、根据实际人气北半球中高纬度人气环流和天气系统的结构（斜槽结构），利用卞式 说明扰动运动动能将向平均运动动能转换。其中符号同惯常意义。斜檀结构心斤= J77竺/MM急流轴北辿：更北-东南走向； 南边：东：匕-西南走向。急流轴上槽移速快急流两边槽移速谩fnr F- o O o O 南边o O rr rr O-u - y 99 且=#与心正相关=K,K = J声評05、根据实际人气北半球中高纬度位势高度场和温度场的配置，利用卜式说明扰动有效 位能将向扰动动能转换的机制。其中符号同惯常意义。温度槽落后于气压槽= A T K槽前上升运动，槽后下沉运动 一一暖空气上升，冷空气下沉。热量由南向北输送6、实际人气北半球中高纬度纬向平均有效位能转换成扰动有效位能（方T“）的机 制。南,瞬胡I起：南北方向温度分布均匀; 某个締圈上温度不均九热量的经向输送，使得暖区失去热量，冷区得到热量 在纬圈上形成温度分布不均匀= AT 一一温度槽落后于高度槽7、试论述人型涡旋在实际大气能量循环中的重要作用。答：首先，通过大型涡旋引起的热量经向输送，使得平均有效位能向扰动有效位能转 换；然后，又通过人型涡旋中的垂直运动，使得扰动有效位能向扰动运动动能转换；再通过人型涡旋的斜槽结构引起动量输送，使得扰动运动动能向平均运动动能转换； 最后，通过大型涡旋耗散了大部分动能。所以说，大型涡旋在实际能屋循坏中起着重要作用。8、EKman抽吸、二级坏流及大气旋转减弱在边界层中，三力平衡卞，风要穿越等压线，从高压指向低压，则气旋区产生辐合上 升，反气旋区产生辐散下沉。这种边界层顶的垂直运动，称为Ekman抽吸。相应的，自由大气中的气旋区要产生辐散，反气旋区要产生辐合，这样就在垂直面内 形成闭合环流。如果将水平面上的气旋、反气旋，称为一级坏流，则称这个由一级坏流诱发的、 在垂直面上的闭合坏流，为二级环流人气旋转减弱：二级环流的作用：使边界层与自由人气发生物理量交换。J边界层中角动量小的空气，输送到自由大气：自由大气中角动量大白從气，输送到边界层。结果：由自由人气向边界层输送角动量。自由人气角动量减少，人气旋转减弱，边界层角动 量增加，以补偿耗散气旋区辐散n气旋减弱反气旋区辐合二 反气旋减弱气旋区辐合n气旋加强出饪嘟U 土 r L旳 u 1 I J中用来补怯耗散反气旋区辐散= 反气旋加强旋转减弱：自由人气在埃克曼泵的作用卞，若无外部能量的供给，其涡度会随时间发生衰减,这种衰减就称为旋转减弱自由大气中?=旋转减弱边界层中:五，波动学一一主流理论。槽脊，长波，短波波动中的术语。1,波动概念：1）振荡机制一一回复机制（负反馈机制）2）传播机制一一质点与质点间的相互联系。 特点：空间、时间上周期变化。波参数：有哪些？定义？关系？求波解？ 单波：讨论波动传播问题，不能讨论波的发展。群速度一一波群一一群速度2, 微扰动的线性化方法：基本思想、假设？如何做？3, 基本方程中有哪些波？各种波的机制、性质？滤波条件？重力内波一一浮力振荡（体现产生机制）B 效应（体现Rossby波产生机制）重力外波一一用自由面h体现的连续方程一一h变化，引起辐合辐散一一传播机制。 上游效应4, 会解：重力外波，大气长波物理（气象）模型、数学模型、线性化、设波解、本征值、求波速5讨论气彖意义4, 滤波概念：掌握思想。作业：1、频散波和非频散波；相速度和群速度；上游效应和卜游效应；浮力振荡，稳定层结 和不稳定层结相速度是位相的传播速度，如槽脊的移速群速度是振幅/哗樂雪速度。不稳定层结：若即周闱温度卞降得快，故气团T周围，重力浮力，净浮力向上 稳定层结：若，即周闱温度下降得慢，故气团周閑，重力浮力，净浮力向卞 非频散波：c与k无关一一该波动的波速与波长无关，波动的能量频散波：c与k有关一一该波动的波速与波长有关浮力振荡：在稳定层结中，当气团受到垂直扰动时，它要受到与位移相反的净浮力（回复力） 作用而在平衡位置附近发生振荡，这种振荡称为浮力振荡。上游效应：波动的能量先于波动传到卞游，会在卜游加强原扰动或激发新的波动，称为上游 效应。下游效应：下游波动对上游波动的影响2、已知自由表面高度为h的均质不可压人气满足下式：dudu1 dp+ u=dtdxp dx其中符号同惯常意义。丄生_g = op dzdu dw 门 dx dz1. 请说出重力外波传播的物理机制。2. 导出重力外波的波速公式，并讨论之。1. 水平辐合辐散2.duOUdh+ U=-g一dtdxdxohdh.du一 + u+ h=dtdxdx自由表面坡度产生压力梯度力，改变人气的水平运动，由此产生的辐合辐散运动又改变自由 表面的坡度。，_令 h H + hf h=const u uuu Constduffdu ohf c+ u+ u+ p=0 dtdx dxdx=dhfdhf, dhfdu . r du+ u+ ”+ H+ h=0.dt dx dx dx dx消去 d _ ddd _ 3 2 n 口曲 nct oxexdt dxdx令形式解:R = A(e)=(_血+ liiky F 一 gH(iky F = 0 久此力 H 0 = (c-w)2 - gH = 0=c = 土du _6d dhf+ u + p =0 -（1）ot dx 5 dxdhf 酬 口泡小.dt dx dxd _ d讨论： 重力外波线性叠加在基本气流上 双向传播 如 g = 10m/s2, H二 10km 时，300m/s 快波，高频波。 非频散波。3、已知方程:d d F y & dy)d _ dudx dy9rdu dv1dx 勿其中：各符号同惯常意义。u-u+uyv-vu- Const, p- p（1）由上式导出局ssby波的波速和群速公式，并讨论之。 线性化：即假设人气长波叠加在均匀的西风基流上（中高纬人气上空的西风气流并不均匀，存在西风急流） 代入方程，得到空+历空+ 0八0| 5t dxdu 5v 门+=0I dx dy有旋无辐散：可以引入流函数u 0?dy一 52vPz52vPzC 1,理， dx2dy1V ”、 dx砸迦雪砖砌鈿SI啊颐爾鷹戏砸I临v2tz a J（也+e 一劲）代入上面的一元线性微分方程中，得到n (-ico+iku)(ik)2 + (z7)2 + 0ik7 = 0 屮工0co = iik-k2+l2CDff1w波速：C-群速度:一 CCO dco -rCa =I H1K2s 8k81(2)请说出Rossby波的主要特征及其形成的物理机制。 Rossby波产生、传播、振荡所有机制，都是B效应。4、何谓吻应？很据Rossby波的传播机制，说明下图所示的涡旋系统将会向西其左侧：牟0,故左半个加强：右侧：牟0,故右半个减弱。dtdtn反气旋的强度中心位置西移东边第一个气旋中心：0.其左侧：牟()故左半个加强：右侧：牟()故右半个减弱。dtdt=气旋的强度中心位萱西移。由上可知：纯Rossby波西传。这种说法：可以解释波动的单向西传；但未解释一个质点振荡会引起其它质点的运动。5、已知某波动位于北纬45度,其纬向波长为5000km,试求出纬向波数。(地球半径6370km)6、已知:o试从物理上说明，当7yd时，犬气层/=- 环境温度垂直递减率； dz九=- $亠i块温度干绝热递减率 dz结是不稳定的。若YYd,即周围温度卞降得快，故气团T周闱,重力浮力，净浮力向上，犬气层结不稳定