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第四章平衡流场ppt课件
第四章 自由大气中的平衡运动(Balance Flow) 由尺度分析可知,大尺度运动中铅直速度远小于水平速度,运动是准水平的,并且对于中纬度大尺度运动而言,运动是准定常的,在水平方向上作用于大气的力基本上相平衡。 一、地转平衡与地转风、热成风 1.地转平衡与地转风(Geostrophic Flow) 自由大气中,水平气压梯度力与科氏力二者的平衡称为地转平衡;相应的空气水平运动称为地转风,记为Vg。 地转平衡满足: 地转风Vg,是水平等速(dVh/dt=0)运动,风向与等压线平行(运动定常时,等压线为地转风的流线),而且在北半球,背风而立,高压在右,低压在左;南半球相反,风速大小与水平气压梯度力的大小成正比,与空气密度、科氏参数成反比。 地转平衡关系的重要性: 揭示了风场与气压场之间最简单,最基本的联系。 由地转风的表达式看到,地转风的大小取决于同一等高面上的气压梯度,即又决定于等压面的坡度,如等压面的坡度不随高度改变,即如果不同高度上的等压面都平行,那么,地转风就不随高度改变。 (1)正压大气和斜压大气 概念 总结: 斜压大气与热力过程相对应; 驱动中高纬大气(斜压大气)运动的主要机制是:大气的斜压性; 驱动热带大气(正压大气)运动的主要机制是:潜热释放。 地转风,P坐标: 定义:热成风为垂直方向上两等压面上地转风的矢量差。 由(5)式可见,等压面上平均温度分布的不均匀,引起了热成风 。 由此可见,热成风方向与等平均温度线平行,北半球,背风而立,高温在右,低温在左;大小与等压面上的温度梯度成正比(即等温线的疏密成正比)。 热成风的重要物理意义: 揭示了静力平衡下大尺度运动中风场、气压场、温度场之间的关系。 见书:P95 1.地转偏差与动能制造 从能量学的角度来看,地转偏差对大气运动动能的制造有重要的作用。 2.地转偏差与水平运动、垂直运动的关系 物理意义: 有地转偏差时,风可以穿越等压线运动,引起质量重新分布,造成气压场,风场的变化,从而推动天气系统的演变。 由此可见,地转偏差与加速度相互垂直,在北半球指向水平加速度的左侧。大小和水平加速度成正比,和纬度的正弦成正比。 证明: Φ1 Φ2 V Vg 因此,地转偏差对大气运动动能的制造和转换具有重要作用。 因此,实际风的水平散度就是地转偏差的水平散度。 由此可见,垂直运动与水平散度联系在一起。 * * 讨论在一些力的平衡下的大气水平运动,即所谓大气平衡运动。这些平衡运动有:地转风、梯度风、旋转风等,这些平衡运动反映了大气运动的基本特征。 地转风公式: 大尺度运动处于准地转平衡状态,这是大尺度运动一个重要性质。 2、热成风 — 由热力作用引起的(Thermal Wind) 地转风可能随高度发生变化吗? 地转风随高度的变化产生热成风。 是什么因素决定等压面的坡度随高度变化呢? 正压大气中等压面、等密度面、等温面重合; 斜压大气中等压面与等温面、等密度面相交。 表征项: 斜压矢量 力管项: 正压流体: 等压面平行于等容面,力管项为0 斜压流体: 等压面与等容面相交,力管项不为0 由图示可知: 可见,大气斜压性与等压面上温度分布不均匀相联系--热力过程相对应; 地转风,Z坐标: 取决于同一等压面上的位势梯度,即等压面坡度。 等压面上温度分布均匀 --正压大气情形,密度仅仅和气压有关 P+与P-之间二个气柱重量相同,密度相同 --高度也相同 -- P+与P-平行 --两等压面没有坡度变化—地转风不随高度变化—热成风为0 等压面上温度分布不均匀 --斜压大气情形,暖区密度减少,气柱膨胀。 P+与P-之间二个气柱重量相同,密度暖区小于冷区 --高度h1h2 -- P+与P-不平行 --两等压面有坡度变化- —地转风随高度变化—热成风存在 由此可见:斜压大气是地转风随高度改变的充分必要条件,即热成风是与大气的斜压性相联系,与热力作用相关。 (2)热成风 热成风定义 已知地转风: 地转风随高度(地转风随气压坐标)的变化为: 热成风表达式推导: (1) 进一步: (2) (3) 将(2)代入(1) (4) (5) 两等压面间厚度梯度 从以上讨论可见: 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,上下运动不一致。 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--动力作用; (2)夏
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