动力气象学--涡旋动力学--课件

第五章第五章 涡旋动力学涡旋动力学(Circulation and Vorticity)观测表明，大气运动具有明显的涡旋运观测表明，大气运动具有明显的涡旋运动的特征。例如：气旋，反气旋，台风，海动的特征。例如：气旋，反气旋，台风，海陆风环流等等。这些都是很重要的涡旋运动陆风环流等等。这些都是很重要的涡旋运动系统。为了描述大气中的涡旋运动及其变化系统。为了描述大气中的涡旋运动及其变化规律，要对大气基本方程组做一些处理，并规律，要对大气基本方程组做一些处理，并引入新的物理量。引入新的物理量。1ppt课件第五章 涡旋动力学(Circulation and Vo一、大气涡旋运动的描述一、大气涡旋运动的描述1.环流、涡度环流、涡度（1）对涡旋运动特征进行度量的物理量有）对涡旋运动特征进行度量的物理量有：Circulation and vorticity are the two primary measures of rotation in a fluid.Circulation,which is a scalar integral quantity,is a macroscopic measure of rotation for a finite area of the fluid.Vorticity,however,is a vector field that gives a microscopic measure of the rotation at any point in the fluid.2ppt课件一、大气涡旋运动的描述Circulation and vor（2）“环流”的定义：任取定一有向物质环线，定义：（速度矢量沿一闭合路径 的线积分）（1）3ppt课件（2）“环流”的定义：任取定一有向物质环线，定义：（速1）“任取定”L氏观点：任意选取一物质环线，此环线上的质点是确定的，环线的形状位置是变化的。2）物质环线是闭合的，有方向的，规定逆时针方向为环线的正向。3）“环流”表示流体随闭合环线运动的趋势，描述了涡旋的强度,是积分量(总体量宏观量)。4）C0时为正环流（也称气旋式环流），表示空气有沿环线正方向运动的倾向；C00，则，则C C3 3称为称为气旋式环流，反之，为反气旋式环流。气旋式环流，反之，为反气旋式环流。7ppt课件气旋，反气旋（水平面环流）在北半球，对气旋，有C30，则C（3）“涡度”的定义 速度的旋度 8ppt课件（3）“涡度”的定义 速度的旋度 8ppt课件1）刚体的运动形式有：平动，转动；流体的运动形式有：平动，转动和形变；涡度表示的是流体转动运动的强度。2）根据斯托克斯定理，“环流”等于“涡度”的面积分，即沿任一闭合回线的速度环流等于通过该回线所确定的面积上面积上的涡旋通量。“涡度”是欧拉观点下的，是微分量。3）直角坐标系下的涡度分量：直角坐标系下的涡度分量：9ppt课件1）刚体的运动形式有：平动，转动；流体的运动形式有：平动，转2.环流和涡度的应用环流和涡度的应用由由“环流环流”概念引出概念引出“环流定理环流定理”用以用以考察环流随时间的变化，以及引起环流变化考察环流随时间的变化，以及引起环流变化的动力学原因。可以用来定性解释海陆风，的动力学原因。可以用来定性解释海陆风，山谷风的形成。山谷风的形成。由由“涡度涡度”概念引出概念引出“涡度方程涡度方程”用以用以考察涡度随时间的变化，以及引起涡度变化考察涡度随时间的变化，以及引起涡度变化的原因。涡度方程描述了涡旋运动满足的方的原因。涡度方程描述了涡旋运动满足的方程形式。程形式。10ppt课件2.环流和涡度的应用由“环流”概念引出“环流定理”用以二、大尺度大气涡旋运动二、大尺度大气涡旋运动1大尺度大气运动是准水平运动，所以 涡度 主要是在垂直方向上，即：主要是在垂直方向上，即：2绝对涡度 相对涡度牵连涡度：相对涡度牵连涡度：证明见P11011ppt课件二、大尺度大气涡旋运动1大尺度大气运动是准水平运动，所以2 3大尺度运动是准水平无辐散运动 的特点，准涡旋运动。涡度是表征涡旋运动强度的物理量，涡度是表征涡旋运动强度的物理量，从涡动学角度看，涡度代表天气系统从涡动学角度看，涡度代表天气系统的强度。的强度。12ppt课件 3大尺度运动是准水平无辐散运动 的特点，准涡三、涡度方程三、涡度方程（The Vorticity Equation）对运动方程两边作 1、数学推导、数学推导13ppt课件三、涡度方程（The Vorticity Equation）涡度方程涡度方程垂直向分量：14ppt课件涡度方程垂直向分量：14ppt课件整理得到:（2）15ppt课件整理得到:（2）15ppt课件 相对涡度的相对涡度的平流变化平流变化（相对涡度水平分布不均（相对涡度水平分布不均匀和由于大气的水平运动所引起的涡度局地变匀和由于大气的水平运动所引起的涡度局地变化）和化）和铅直输送铅直输送项（相对涡度垂直分布不均匀项（相对涡度垂直分布不均匀和由于大气的垂直运动所引起的涡度局地变化）和由于大气的垂直运动所引起的涡度局地变化）。16ppt课件 相对涡度的平流变化（相对涡度水平分布不均匀和由于大气的水 散度项 效应项科氏参数 f 随纬度变化南北运动 17ppt课件 散度项 效应项科氏参数 f 随纬度变化南北运动 1 扭转项 很小，一般可略 表示垂直运动在水平方向分布不均匀，而使水平涡度、向垂直涡度转变。18ppt课件 扭转项 很小，一般可略 表示垂直运动在水平方向分布不均匀 力管项由大气的斜压性造成的，等压面和等容面相交；粘性耗散项 19ppt课件 力管项由大气的斜压性造成的，粘性耗散项 19ppt课2、物理意义、物理意义 用尺度分析方法来分析涡度方程（考虑天气尺度运动），为了突出涡度方程的物理意义，保留大项，去除小项（忽略了扭曲项、力管项和摩擦项的正压大气情况）。得到：或者：（3）20ppt课件2、物理意义 用尺度分析方法来分析涡度方程 由此可见，正压无摩擦的大气绝对涡度的变化完全由散度作用造成的，即当水平无辐散时，水平无辐散时，绝对涡度守恒绝对涡度守恒。因为：21ppt课件 由此可见，正压无摩擦的大气绝对涡度的变化（3）式可以改写为：由该式可知，相对涡度的变化决定于两个因素：水平散度项和效应项。22ppt课件（3）式可以改写为：由该式可知，相对涡度的变化决定于两个因素 辐合、辐散引起 系统南、北运动，f 变化 变变化化23ppt课件 辐合、辐散引起 系统南、北运动，f 变化 系统有辐合、辐散运动：系统整体作南北运动：24ppt课件系统有辐合、辐散运动：系统整体作南北运动：24ppt课件水平无辐散，则：绝对涡度守恒 25ppt课件水平无辐散，则：绝对涡度守恒 25ppt课件定义：由于科氏参数随纬度变化，当气块作南北运动是，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 效应。效应。26ppt课件定义：由于科氏参数随纬度变化，当气块作南北运动是，牵连涡度发3.绝对涡度守恒的应用解释平直西风气流受扰动后呈波状轨迹的现象27ppt课件3.绝对涡度守恒的应用解释平直西风气流受扰动后呈波状轨迹的现解释：若在平直西风气流中(=0)，有一扰动促使空气向北运动（v 0），由于效应，相对涡度，变成反气旋式曲率，到一定时刻，它要维持(f+)绝对涡度守恒，必然要产生向南的运动（v0），由于效应，相对涡度，这样反气旋式曲率要逐渐转化为气旋式曲率，所以空气微团水平运动过程中，要维持绝对涡度守恒，就要形成一个波状的轨迹。（4）28ppt课件解释：若在平直西风气流中(=0)，有一扰动促使空气向四、位涡方程四、位涡方程1位涡(Potential vorticity)：综合动力作用和热力作用的物理量，与 有关。有关。位涡方程：物理量物理量称为位涡称为位涡29ppt课件四、位涡方程1位涡(Potential vorticity2.位涡方程的推导位涡方程的推导30ppt课件2.位涡方程的推导30ppt课件位涡是一个热力学与动力学量组合的物理量。位涡是一个热力学与动力学量组合的物理量。位涡方程由涡度方程、连续方程、位温方程位涡方程由涡度方程、连续方程、位温方程三个方程导出。三个方程导出。31ppt课件位涡是一个热力学与动力学量组合的物理量。31ppt课件 3位涡守恒的条件：位涡守恒的条件：绝热无摩擦绝热无摩擦32ppt课件 3位涡守恒的条件：绝热无摩擦32ppt课件4大尺度大气运动 且是均质不可压缩大气热力作用？垂直方向上位涡守恒的形式33ppt课件4大尺度大气运动垂直方向上位涡守恒的形式33ppt课件5绝热过程下的位涡守恒（气柱爬越高原）H介于两等位温面之间的气柱厚度。介于两等位温面之间的气柱厚度。34ppt课件5绝热过程下的位涡守恒（气柱爬越高原）H介于两等位温面之间均质大气（绝热过程）情形下，位涡守恒可以化为涡度方程（纯动力过程）。35ppt课件均质大气（绝热过程）情形下，位涡守恒可以化为涡度方程（纯动力6.绝热过程下位涡守恒的应用解释南北向地形对西风气流的影响而产生的迎风脊和背风槽现象36ppt课件6.绝热过程下位涡守恒的应用解释南北向地形对西风气流的影响而当气流接近迎风坡（A-B）时，气柱开始爬坡，其厚度H减小，为了保持位涡守恒，其相对涡度必然变为负值0（f不变），这样空气柱获得反气旋式涡度而向南运动，如上图xy平面上的迹线所示。当气柱一过山顶（B-C），其位置已在原纬度以南，因而f较小，且在背风坡气柱的厚度H逐渐增加，因而气旋式涡度逐渐增加。当到达山脚时，气柱恢复到原来的厚度，此时气旋式涡度达到最大，形成背风槽背风槽。随后，气旋曲率伴有向北运动，f增加，减小，则反气旋式涡度逐渐增加，当气柱到达一定纬度时，反气旋式涡度达到最大，从而迫使空气柱反过来向南运动。这样在山后便形成了一个波动，交替形成一系列的脊和槽。但是由于摩擦和其他因素的影响，在天气图上一般只能看到第一个槽，而波动的其余部分因阻尼作用而消失。假定大气的层结是稳定的，并且山脉的迎风面为均匀的西方气流，因此=0。如果运动是绝热的，那么在两层等位温面之间的气柱在越过山脉的过程中，其顶部和底部总保持在两个等位温面上。37ppt课件当气流接近迎风坡（A-B）时，气柱开始爬坡，其厚度H减小，为