动力气象学第二章.ppt

◆ 分子粘性力（Viscous Force） 广义牛顿粘性假设，有 分子运动论观点来看，摩擦力乃是不同速度两层空气的分子动量交换的结果。大气是低粘流体，分子粘性力作用甚小，一般都将其略去。 第三十页，共五十五页，2022年，8月28日 物理模型—转盘试验 正上方视图 试验设置：O点固定在转盘中心，A位置为转盘外固定点，由O向A抛出小球 ◆ 科氏力（Coriolis Force） 第三十一页，共五十五页，2022年，8月28日 又称地转偏向力 ◆ 科氏力 Note: 只有物体相对于地球有运动时才有科氏力，它只改变运动方向，不改变运动速度。 第三十二页，共五十五页，2022年，8月28日 地球风系分布(distribution of wind belt) 低层 高层 EQ EQ 赤道低压带 副极地低压带 极地高压带 副热带高压带 赤道东风 极地东风 副热带西风 实际应用 第三十三页，共五十五页，2022年，8月28日 －－惯性离心力项(Centrifugal Force) 万有引力＋惯性离心力＝重力 垂直地面向下 ◆ 重力（Gravity Force） 第三十四页，共五十五页，2022年，8月28日 科氏力 地球引力 真实力 视示力 气压梯度力 科氏力 摩擦力 重力 旋转坐标系下运动方程的矢量形式 第三十五页，共五十五页，2022年，8月28日 重力： 保守力 科氏力：不做功，只改变运动方向 （运动形式） 摩擦力：耗散 驱动大气运动的主要动力：压力梯度力 左边：加速度项； 右边：引起大气运动变化的原因 第三十六页，共五十五页，2022年，8月28日 第三十七页，共五十五页，2022年，8月28日 从以上讨论可见： 物理上－－压力梯度力是驱动大气运动的主要因子，而压力的变化与热力与动力过程相关联，因此描写大气过程必须考虑热力过程。 数学上：运动方程：1个（矢量） 3个（分量） 未知量：速度、气压、密度 必须寻找描写气压、密度变化的方程 －－方程才能闭合 第三十八页，共五十五页，2022年，8月28日 五、连续方程（质量守恒定律） 两种表达形式： ① L—观点： ：气团密度随体变化率 ：气团体积的相对变化率 质量守恒： 速度散度 第三十九页，共五十五页，2022年，8月28日 第一页，共五十五页，2022年，8月28日 本章目的 依据基本物理定律 ，结合地球大气的特点，建立描写大气运动的基本方程组。 建立方程组要解决的几个主要问题 1、分析方法的转变（Lagrange Euler） 2、参考系的转变（惯性 旋转） 3、坐标系的选择（球坐标系、局地直角坐标系） 第二页，共五十五页，2022年，8月28日 一、地球与大气的基本特征 地球：地球一方面绕太阳公转（一年365.25天绕太阳一周），一方面绕自己的轴自西向东自转（一个太阳日24小时，一个恒星日23小时56分4秒）。 地球自转角速度： 地球自转对大气运动有重大影响，而地球公转主要决定一年四季的变化，但对大气运动的变化影响“不大”。 第三页，共五十五页，2022年，8月28日 地球可视为一个椭球体，但是一般作为球体处理，地球的平均半径为： 其质量经推算为： 第四页，共五十五页，2022年，8月28日 大气：大气环绕地球并与地球一起旋转，必须考虑因旋转而产生的虚拟力。 大气的总质量约为： 一标准大气压（即海平面气压）为： 标准大气密度值为： 第五页，共五十五页，2022年，8月28日 大气的密度、压强和温度随着高度的增加而减小，大约95%的大气质量集中在离地面20km高度以下，这层大气相对于地球半径是很薄的，但其中有千变万化的天气现象。 由于辐射和水汽相变，大气不断受到加热和冷却，对大气的热力状况产生很大的影响，从而引起动力作用。 实际大气不是理想流体，需要考虑粘性作用（主要表现在接近地面的边界层大气中） 第六页，共五十五页，2022年，8月28日 拉格朗日方法——流体。以流体中某一物质体积元为研究对象，研究它的空间位置及其物理属性随时间变化的规律，并进而推广到整个流体的运动。 欧拉方法——流场。以流体空间中某一固定空间体积元为研究对象，研究不同流体微团通过某一固定点时的运动状态及其它物理属性变化的规律，从而掌握流场中各物理量的空间分布及其变化规律。 大气作为流体，满足研究流体运动的两种方法： 第七页，共五十五页，2022年，8月28日 经典力学和热力学常以个别物体和个别热力学系统作为研究对象，物理