動(dòng)力氣象試題解答教材

1、一、名詞解釋1 .科里奧利力科里奧利力是一種視示力，它只是在物體相對(duì)于地球有運(yùn)動(dòng)時(shí)才出現(xiàn)。單位質(zhì)量空氣微團(tuán)所受的科里奧利力為 2 V3。 2 V3始終與 和3相垂直，而 與赤道平面垂直，所以 2 V3必通過運(yùn)動(dòng)微團(tuán)所在的緯圈平面內(nèi)。在北半球，科里奧利力指向速度的右方，科里奧利力對(duì)空氣微團(tuán)不作功， 它不能改變空氣微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度大小，只能改變其運(yùn)動(dòng)方向。2 .尺度分析法尺度分析法是一種對(duì)物理方程進(jìn)行分析和簡(jiǎn)化的有效方法。尺度分析法是依據(jù)表征某類運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和熱力狀態(tài)各物理量的特征值，估計(jì)大氣運(yùn)動(dòng)方程中各項(xiàng)量級(jí)大小的一種方法。根據(jù)尺度分析的結(jié)果， 結(jié)合物理上考慮，略去方程中量級(jí)較小的項(xiàng)， 便可

2、得到簡(jiǎn)化方程， 并可分析運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的某些基本性質(zhì)。3 .羅斯貝數(shù)羅斯貝數(shù)的定義式為 R0 U/ f0L ,它代表水平慣性力與水平科里奧利力的尺度之比。羅斯貝數(shù)的大小主要決定于運(yùn)動(dòng)的水平尺度。對(duì)于中緯大尺度運(yùn)動(dòng)，R01 ,科里奧利力不能忽略不計(jì)，對(duì)于小尺度運(yùn)動(dòng)，R01 ,科里奧利力可忽略不計(jì)。4 . Richardson 數(shù)理查德孫（Richardson）數(shù)的定義式為Rin2d2/u2 ,它代表垂直慣性力與水平科里奧利力的尺度之比。由于g ln zV z222 _ 2N N DV z2 u2Ri,理查德孫數(shù)又是一個(gè)與大氣層結(jié)穩(wěn)定度和風(fēng)的鉛直切變有關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。層結(jié)愈不穩(wěn)定，風(fēng)的鉛直切變愈強(qiáng), 則

3、愈有利于湍流和對(duì)流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，所以Ri可用于判斷對(duì)流或擾動(dòng)發(fā)展的條件。5 .地轉(zhuǎn)風(fēng)等壓線為一族平行的直線（| Rt |）時(shí)的平衡流場(chǎng)稱為地轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)，或稱為地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，水平氣壓梯度力與科里奧利力相平衡。地轉(zhuǎn)風(fēng)的方向與等壓線相平行，在北半球（f >0）,高壓在速度方向右側(cè)，低壓在速度方向左側(cè)；地轉(zhuǎn)風(fēng)大小與水平氣壓梯度成正比，與密率和緯度的正弦成反比。地轉(zhuǎn)風(fēng)關(guān)系的重要性在于揭示了大尺度運(yùn)動(dòng)中風(fēng)場(chǎng)和水 平氣壓場(chǎng)之間的基本關(guān)系。6 .梯度風(fēng)最一般的平衡流場(chǎng)稱為梯度風(fēng)場(chǎng)。在梯度風(fēng)運(yùn)動(dòng)中，水平氣壓梯度力、科里奧利力、慣性離心力相平衡。地轉(zhuǎn)風(fēng)是| RT |時(shí)梯度風(fēng)的一個(gè)特例。7熱成風(fēng)熱成風(fēng)定義

4、為鉛直方向上兩等壓面上地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量差。熱成風(fēng)方向與等平均溫度線（即等厚度線） 平行，在北半球暖區(qū)在熱成風(fēng)方向右側(cè)，冷區(qū)在熱成風(fēng)方向左側(cè)；熱成風(fēng)大小與平均溫度梯度成正比，與緯度的正弦成反比。熱成風(fēng)關(guān)系的重要性就在于具體地揭示了靜力平衡大尺度運(yùn)動(dòng)中風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)、溫度場(chǎng)之間的關(guān)系。8地轉(zhuǎn)偏差實(shí)際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量差定義為地轉(zhuǎn)偏差。地轉(zhuǎn)偏差用V ' 表示，則V' V V 。地轉(zhuǎn)g偏差和水平加速度方向相垂直，在北半球指向水平加速度的左側(cè)，地轉(zhuǎn)偏差的大小和水平加速度成正比，和緯度的正弦成反比。地轉(zhuǎn)偏差雖然很小，但對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的演變卻起著極為重要的作用。9. ?？寺槲捎谕牧髂Σ磷饔?，?？寺鼘?/p>

5、中風(fēng)有指向低壓一側(cè)的分量，在低壓上空產(chǎn)生輻合上升運(yùn)動(dòng)，同理在高壓上空產(chǎn)生輻散下沉運(yùn)動(dòng)，這種上升下沉運(yùn)動(dòng)在邊界層頂達(dá)到最強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為稱為?？寺槲?。10. 二級(jí)環(huán)流由于湍流摩擦作用，埃克曼層中風(fēng)有指向低壓一側(cè)的分量，在低壓上空產(chǎn)生輻合上升運(yùn)動(dòng)， 同理在高壓上空產(chǎn)生輻散下沉運(yùn)動(dòng)，這種由水平輻合輻散和垂直運(yùn)動(dòng)形成的鉛直環(huán)流迭加在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)水平環(huán)流之上，稱之為二級(jí)環(huán)流。行星邊界層的湍流摩擦通過二級(jí)環(huán)流可以直接影響自由大氣中的運(yùn)動(dòng)，使準(zhǔn)地轉(zhuǎn)渦旋強(qiáng)度減弱。11. 旋轉(zhuǎn)減弱在旋轉(zhuǎn)大氣中，由?？寺鼘幽Σ凛椇蠌?qiáng)迫造成的二級(jí)環(huán)流大大加強(qiáng)了行星邊界層與自由大氣之間的動(dòng)量交換，使得自由大氣中的渦旋系統(tǒng)強(qiáng)度快速減弱，這

6、種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)減弱。12. 位勢(shì)渦度位勢(shì)渦度簡(jiǎn)稱位渦，位渦是一個(gè)同時(shí)描寫大氣熱力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的綜合物理量，在某種意義上可以理解為渦旋強(qiáng)度與其有效厚度之比的度量。在絕熱無摩擦條件下，位渦具有守恒性質(zhì)。13. 有效位能大氣現(xiàn)有狀態(tài)下的全位能與經(jīng)過絕熱調(diào)整后達(dá)到層結(jié)穩(wěn)定、等壓面等溫面重合且呈水平分布狀態(tài)（這一狀態(tài)稱為參考狀態(tài)）時(shí)尚存的全位能之差，定義為有效位能。大氣的斜壓性越強(qiáng)，層結(jié)越不穩(wěn)定時(shí)，有效位能越充沛。14. 正壓大氣密度的空間分布只依賴于氣壓的大氣狀態(tài)稱作正壓大氣。正壓大氣中等壓面、等密度、等溫面重合在一起。在靜力平衡條件下，正壓大氣中各等壓面相互平行，因而某一等壓面在空間的傾斜狀態(tài)可以

7、代表所有等壓面的傾斜狀態(tài)。15. 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的大氣狀態(tài)稱作斜壓大氣。斜壓大氣中等壓面與等溫面、等密度面是交割的。實(shí)際大氣經(jīng)常處于斜壓狀態(tài)。大氣的斜壓性對(duì)地球大氣的運(yùn)動(dòng)具有重要影響。16. 正壓不穩(wěn)定發(fā)生在具有水平切變基本緯向氣流中的長(zhǎng)波不穩(wěn)定稱為正壓不穩(wěn)定，正壓不穩(wěn)定的必要條件是基本緯向氣流的絕對(duì)渦度在區(qū)間內(nèi)存在極值，擾動(dòng)發(fā)展的能量來自基本緯向氣流的平均動(dòng)能。15. 斜壓不穩(wěn)定)發(fā)生在具有垂直切變基本緯向氣流中的長(zhǎng)波不穩(wěn)定稱為斜壓不穩(wěn)定，長(zhǎng)波的斜壓不穩(wěn)定與垂直風(fēng)切變和波長(zhǎng)有關(guān)，最不穩(wěn)定波長(zhǎng)約為4000 5000km 。擾動(dòng)發(fā)展的能量主要來自來自有效位能的

8、釋放，斜壓不穩(wěn)定是中緯度天氣尺度擾動(dòng)發(fā)生發(fā)展的主要物理機(jī)制。16. 對(duì)稱不穩(wěn)定所謂對(duì)稱不穩(wěn)定，是指在具有風(fēng)速切變的基本氣流中，即使在鉛直方向和水平方向分別是對(duì)流穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定的，但是當(dāng)空氣作傾斜上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，在浮力和旋轉(zhuǎn)的共同作用下，仍然可能出現(xiàn)的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象。由于在早期的研究中，認(rèn)為這是一種由對(duì)稱環(huán)狀渦旋中的經(jīng)向擾動(dòng)所引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象，故稱為對(duì)稱不穩(wěn)定。后來，Emanuel 等進(jìn)一步論證了對(duì)稱不穩(wěn)定的中尺度特征，以及它在導(dǎo)致中尺度擾動(dòng)不穩(wěn)定增長(zhǎng)中的重要作用，因此又稱為中尺度對(duì)稱不穩(wěn)定。17. 慣性不穩(wěn)定在基本流場(chǎng)為西風(fēng)且有水平切變的情況下，氣塊因受到南北擾動(dòng)離開原來位置后，在科里奧利力作用下

9、產(chǎn)生的不穩(wěn)定稱為慣性不穩(wěn)定。出現(xiàn)慣性不穩(wěn)定性的判據(jù)為基本流場(chǎng)的絕對(duì)渦度為負(fù)值。18. 大氣行星邊界層接近地球表面的厚度約為1 1.5km 的一層大氣稱為大氣行星邊界層。邊界層大氣直接受到下墊面的熱力作用和動(dòng)力作用，具有強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng)特征和不同于自由大氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。19. 開爾文環(huán)流定理根據(jù)絕對(duì)環(huán)流定理，絕對(duì)環(huán)流的加速度等于環(huán)線包圍力管的代數(shù)和。對(duì)于正壓大氣，由于比容、密度僅是氣壓的函數(shù)，力管項(xiàng)等于零，因此，正壓大氣中絕對(duì)環(huán)流守恒。這一結(jié)論稱為Kelvin 環(huán)流定理。20. 拉姆波受地球旋轉(zhuǎn)作用影響，在靜力平衡大氣中只沿水平方向傳播的特殊聲波，稱為拉姆波。與純水平聲波不同，拉姆波是一種水平尺度較

10、大的頻散快波。拉姆波屬于外波型波動(dòng)，其擾動(dòng)氣壓隨高度按指數(shù)減小，但擾動(dòng)速度隨高度幾乎不改變。21. 波包跡在實(shí)際大氣中，一個(gè)瞬變擾動(dòng)可以看成是由許多不同振幅、不同頻率的簡(jiǎn)諧波疊加而成的，這種合成波稱為波群或波包。這種合成波列振幅的包絡(luò)線稱為波包跡，其傳播的速度稱為群速。22. 平面近似在中緯度地區(qū)，若運(yùn)動(dòng)的經(jīng)向水平尺度遠(yuǎn)小于地球半徑時(shí)L/a1 ,可以取f f0,即把f作為常數(shù)處理，這種近似稱為“ f0”近似。取“ f°”近似相當(dāng)于完全沒有考慮地球球面性所引起的f隨緯度的變化。高一級(jí)近似是所謂的 平面近似，其主要內(nèi)容是：1 .當(dāng)f處于系數(shù)地位不被微商時(shí)，取 f f0 ；2 .當(dāng)f處于對(duì)

11、y求微商地位時(shí)，取 df/dy 常數(shù)。采用 平面近似后，用局地直角坐標(biāo)系討論大尺度運(yùn)動(dòng)將是方便的。雖然由于球面效應(yīng)引 起的曲率項(xiàng)被忽略了，但球面效應(yīng)引起的f隨緯度的變化對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)的作用卻部分保留下來了。23. Boussinesq 近似包辛內(nèi)斯克近似但針對(duì)密度的一種熱力學(xué)近似，適用于淺層運(yùn)動(dòng)，其含義為在運(yùn)動(dòng)方程中部分考慮密度擾動(dòng)的影響，即只保留與重力相耦合的密度擾動(dòng)項(xiàng)；連續(xù)方程中忽略密度擾動(dòng)影響，簡(jiǎn)化為不可壓縮形式；熱力學(xué)能量方程保留密度擾動(dòng)影響，只保留膨脹的作用，即取 一 /一 ；這種近似叫作包辛內(nèi)斯克近似。取包辛內(nèi)斯克近似后的方程組即可有效 地濾去聲波，又很好地保留了產(chǎn)生重力內(nèi)波聲波的物

12、理機(jī)制。24. 準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似是為了合理地描寫中緯天氣尺度的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而引入的一種動(dòng)力學(xué)近似，其含義為除散度項(xiàng)外，方程中的水平速度和渦度都取為地轉(zhuǎn)風(fēng)和地轉(zhuǎn)渦度。取準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似后得到的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)方程組既突出了中緯度大尺度運(yùn)動(dòng)的的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)性質(zhì)，又保留了維持準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡所必須的水平輻合輻散，而且很好地保持了運(yùn)動(dòng)的若干整體性質(zhì)， 因此能夠更為合理地描寫中 緯大型天氣演變過程。25. 薄層近似大氣中90 %以上的質(zhì)量集中在離地表的一薄層中，其有效厚度約為幾十公里，遠(yuǎn)比地 球平均半徑小，因此可取 r a za。其中a是地球半徑，z是離地表的鉛直高度。球坐 標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程中， 當(dāng)r處于系數(shù)地位時(shí)用 a來代替r

13、,當(dāng)r處于系數(shù)地位時(shí)用 z來代替r , 這一近似郭曉嵐稱之為薄層近似。26. 自然坐標(biāo)系自然坐標(biāo)系中三個(gè)坐標(biāo) s、n、z的方向分別用單位矢量 t、n、k表示。在空間任一點(diǎn)上，t都與該點(diǎn)水平氣流方向相一致，n是t的法向量，并指向水平氣流的左側(cè)，k的方向鉛直向上。采用自然坐標(biāo)系討論平衡流場(chǎng)的一般性質(zhì)非常方便。27. 局地直角坐標(biāo)系局地直角坐標(biāo)系兼具笛卡爾坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系的特點(diǎn)，它保持了球坐標(biāo)系的標(biāo)架， 但忽略了球面曲率的影響；局地直角坐標(biāo)系與笛卡爾坐標(biāo)系方程組的形式相同，但笛卡爾坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸的方向在空間中固定不變，而局地直角坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸的方向隨地而異。如果我們的研究范圍僅限于中低緯大氣的大尺度

14、運(yùn)動(dòng)，那么局地直角坐標(biāo)系中的基本方程組已相當(dāng)精確。28. Taylor-Proudman 定理若流體是均質(zhì)(或正壓)不可壓縮的流體，且運(yùn)動(dòng)是定常緩慢的，則運(yùn)動(dòng)速度v3只是在與 相垂直的平面內(nèi)才可能有差異，故運(yùn)動(dòng)是二維的，這就是 Taylor-Proudman定理。二、問答題1 1)何謂 平面近似？取 平面近似有何意義？答：在中緯度地區(qū)，若運(yùn)動(dòng)的經(jīng)向水平尺度遠(yuǎn)小于地球半徑時(shí)L/a1 ,可以取f f0,即把f作為常數(shù)處理，這種近似稱為“f0”近似。取“ f°”近似相當(dāng)于完全沒有考慮地球球面性所引起的f隨緯度的變化。高一級(jí)近似是所謂的 平面近似，其主要內(nèi)容是：2 .當(dāng)f處于系數(shù)地位不被微商

15、時(shí)，取 f f0 ;3 .當(dāng)f處于對(duì)y求微商地位時(shí)，取 df/dy 常數(shù)。采用 平面近似后，用局地直角坐標(biāo)系討論大尺度運(yùn)動(dòng)將是方便的。雖然由于球面效應(yīng)引起的曲率項(xiàng)被忽略了，但球面效應(yīng)引起的f 隨緯度的變化對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)的作用卻部分保留下來了。（ 2）何謂地轉(zhuǎn)偏差？它對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的演變發(fā)展有何重要作用?答： 為了量度實(shí)際風(fēng)偏離地轉(zhuǎn)風(fēng)的程度，我們將實(shí)際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量差定義為地轉(zhuǎn)偏差。地轉(zhuǎn)偏差用V'表示，則V' V Vgo地轉(zhuǎn)偏差雖然很小，但對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的演變卻起著極為重要的作用。有地轉(zhuǎn)偏差時(shí)，空氣微團(tuán)才可能作穿越等壓線運(yùn)動(dòng)，從而引起質(zhì)量重新分布，造成氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的變化，所以地轉(zhuǎn)偏差是天

16、氣系統(tǒng)演變的一個(gè)動(dòng)力因子；地轉(zhuǎn)偏差對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的制造和轉(zhuǎn)換起著重要作用；地轉(zhuǎn)偏差對(duì)水平散度和鉛直運(yùn)動(dòng)也有重要意義。（ 3） 何謂 p 坐標(biāo)系，p 坐標(biāo)系的主要優(yōu)缺點(diǎn)是什么？答： 用氣壓p 作為鉛直坐標(biāo)變量的坐標(biāo)系稱為p 坐標(biāo)系， 大氣的靜力平衡性質(zhì)是建立p 坐標(biāo)系的物理基礎(chǔ)。p 坐標(biāo)系的主要優(yōu)點(diǎn)是：（ 1 ） p 坐標(biāo)系中的大氣運(yùn)動(dòng)方程組具有較簡(jiǎn)單的形式，例如氣壓梯度力項(xiàng)成為線性項(xiàng)，連續(xù)方程，成了一個(gè)診斷方程。（ 2） p 坐標(biāo)系適合日常氣象業(yè)務(wù)工作的需要，采用p 坐標(biāo)系方程組進(jìn)行診斷計(jì)算與分析十分方便。p 坐標(biāo)系的主要缺點(diǎn)是不能正確地給出下邊界條件，難以考慮地形對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的作用和影響。此外

17、，對(duì)于小尺度運(yùn)動(dòng)不滿足靜力平衡條件，自然不能用p 坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程組來描述它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（ 4）靜力平衡條件下的能量形式和能量關(guān)系有何特點(diǎn)？答： 在靜力平衡條件下，一個(gè)從海平面延伸至大氣上界的鉛直氣柱中的內(nèi)能和位能成成正比，靜力平衡條件下，為了保持總能量守恒性質(zhì)，動(dòng)能必須重新定義為水平速度的動(dòng)能；靜力平衡條件下，動(dòng)能與全位能之間的轉(zhuǎn)換是通過冷暖空氣的垂直運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。（ 5） 什么是正壓大氣？正壓大氣具有哪些基本性質(zhì)?密度的空間分布只依賴于氣壓的大氣狀態(tài)稱作正壓大氣。正壓大氣中等壓面、等密度、等溫面重合在一起。在靜力平衡條件下，正壓大氣中各等壓面相互平行，因而某一等壓面在空間的傾斜狀態(tài)可以代表

18、所有等壓面的傾斜狀態(tài)。正壓大氣中等壓面坡度不隨高度變化，因此地轉(zhuǎn)風(fēng)也不隨高度變化。（ 6）什么是尺度分析法？對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)方程組進(jìn)行尺度分析有何意義？答：尺度分析法是依據(jù)表征某類運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和熱力狀態(tài)各物理量的特征值，估計(jì)大氣運(yùn)動(dòng)方程中各項(xiàng)量級(jí)大小的一種方法。根據(jù)尺度分析的結(jié)果，結(jié)合物理上考慮，略去方程中量級(jí)較小的項(xiàng)，便可得到簡(jiǎn)化方程，并可分析運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的某些基本性質(zhì)。（ 7） 什么是大氣行星邊界層？大氣行星邊界層可分為幾個(gè)層次？說明各層次的主要特點(diǎn)。答：接近地球表面的厚度約為1 1.5km 的一層大氣稱為大氣行星邊界層。邊界層大氣直接受到下墊面的熱力作用和動(dòng)力作用，具有強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng)特征和不

19、同于自由大氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 大氣行星邊界層自下而上分為貼地層、近地面層和埃克曼層。貼地層中平均風(fēng)速為零。在近地面層中風(fēng)速隨高度呈對(duì)數(shù)分布，湍流對(duì)動(dòng)量、熱量、 水汽的鉛直輸送通量幾乎不隨高度改變，所以又稱為常值通量層。?？寺鼘又酗L(fēng)隨高度呈?？寺菥€分布，湍流粘性應(yīng)力和科里奧利力、水平氣壓梯度力幾乎同等重要，而且這三個(gè)力基本上相平衡。（ 8） 利用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)兩層斜壓模式討論斜壓不穩(wěn)定得到哪些主要結(jié)論？（試從斜壓不穩(wěn)定與波長(zhǎng)、垂直風(fēng)切變、靜力穩(wěn)定度、因子的關(guān)系加以說明）答： 長(zhǎng)波的斜壓不穩(wěn)定主要決定于波長(zhǎng)和垂直風(fēng)切變，只有波長(zhǎng)大于臨界波長(zhǎng)的波動(dòng)才可能產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定，最不穩(wěn)定波長(zhǎng)約為4000 5000km

20、，垂直風(fēng)切變需要達(dá)到一定的強(qiáng)度才可能產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定，垂直風(fēng)切變?cè)綇?qiáng)越有利于產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定。由于斜壓不穩(wěn)定波的臨界波長(zhǎng)隨靜力穩(wěn)定度的增大而增大，因而靜力穩(wěn)定度對(duì)較短波長(zhǎng)的波動(dòng)具有穩(wěn)定作用。此外效應(yīng)對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的波動(dòng)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定作用。（ 9） 什么是地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程？什么是準(zhǔn)地轉(zhuǎn)演變過程？簡(jiǎn)述這兩種過程的基本特征。答： 地轉(zhuǎn)平衡態(tài)遭到破壞后，通過風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)之間的相互調(diào)整和相互適應(yīng)，重新建立起新的地轉(zhuǎn)平衡態(tài)的過程，稱作地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程。準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡態(tài)的緩慢變化（演變）過程，稱作準(zhǔn)地轉(zhuǎn)演變過程。地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程是一種快過程，位勢(shì)運(yùn)動(dòng)顯著，運(yùn)動(dòng)基本上是線性的；準(zhǔn)地轉(zhuǎn)演變過程是一種慢過程，運(yùn)動(dòng)具有準(zhǔn)渦旋性質(zhì)，運(yùn)動(dòng)是非

21、線性的。（ 10） 在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)環(huán)流上必疊加有二級(jí)環(huán)流，試說明這種二級(jí)環(huán)流產(chǎn)生的原因是什么？有何重要作用？答： 斜壓大氣中不僅存在渦度平流，而且存在溫度平流，這些平流過程總是對(duì)地轉(zhuǎn)平衡和靜力平衡起破壞作用。平衡被破壞后必然激發(fā)出水平輻合輻散和鉛直運(yùn)動(dòng)，從而形成鉛直面上的二級(jí)環(huán)流。這種疊加在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)環(huán)流之上的二級(jí)環(huán)流通過水平輻合輻散對(duì)渦度場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，通過鉛直運(yùn)動(dòng)對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，由此建立起新的地轉(zhuǎn)平衡和靜力平衡。因此， 這種疊加在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)環(huán)流之上的二級(jí)環(huán)流是維持地轉(zhuǎn)平衡和靜力平衡所必須的，即總是對(duì)平流過程對(duì)地轉(zhuǎn)平衡和靜力平衡的破壞起補(bǔ)償作用。（ 11） 斜壓不穩(wěn)定波具有哪些的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？并說明這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

22、對(duì)于斜壓擾動(dòng)的不穩(wěn)定增長(zhǎng)是十分有利的。答：1流場(chǎng)擾動(dòng)的振幅隨高度增強(qiáng)，同時(shí)槽脊線隨高度是向西傾斜的。2溫度場(chǎng)擾動(dòng)（T2 ）的位相落后于流場(chǎng)擾動(dòng)2 的位相，即溫度槽落后于流場(chǎng)槽（氣壓槽） 。3在平均層上（第2 層） ，槽前脊后有上升運(yùn)動(dòng)，槽后脊前有下沉運(yùn)動(dòng)，如果考慮到溫度場(chǎng)擾動(dòng)的特點(diǎn)，也可以說暖空氣是上升的，冷空氣是下沉的。以上斜壓不穩(wěn)定波結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得槽區(qū)為冷平流，脊區(qū)為暖平流，有利于槽脊系統(tǒng)的發(fā)展。此外， 暖空氣上升，冷空氣下沉有利于有效位能量釋放，為擾動(dòng)的增長(zhǎng)提供能量來源。因此，斜壓不穩(wěn)定波的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)于擾動(dòng)的不穩(wěn)定增長(zhǎng)是極為有利的。（ 12） 對(duì)于正壓適應(yīng)過程，適應(yīng)結(jié)果與初始非地轉(zhuǎn)擾動(dòng)

23、的水平尺度有何關(guān)系？答：1初始非地轉(zhuǎn)擾動(dòng)的水平尺度越越大，完成適應(yīng)所需的時(shí)間越長(zhǎng)。2. 若初始非地轉(zhuǎn)擾動(dòng)的水平尺度遠(yuǎn)大于臨界水平尺度，主要是風(fēng)場(chǎng)向氣壓場(chǎng)適應(yīng)，若初始非地轉(zhuǎn)擾動(dòng)的水平尺度遠(yuǎn)小于臨界水平尺度，主要是氣壓場(chǎng)向風(fēng)場(chǎng)適應(yīng)。（ 13） 由準(zhǔn)地轉(zhuǎn)方程診斷出地面低壓中心上空有上升運(yùn)動(dòng)，試從物理上說明這是維持靜力平衡和準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡所必需的。答：低壓中心上空500hPa槽前為正相對(duì)渦地轉(zhuǎn)平流，將使該地區(qū)氣旋性渦度增加。由于地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度與位勢(shì)高度水平拉普拉斯成正比，要維持渦度變化是準(zhǔn)地轉(zhuǎn)的，則該地區(qū)500hPa位勢(shì)高度應(yīng)降低，這意味著500 1000hPa等壓渦面間厚度應(yīng)減小，要維持準(zhǔn)靜力平衡，這時(shí)等壓

24、面間平均溫度也應(yīng)降低。因?yàn)榈孛娴蛪褐行牡剞D(zhuǎn)溫度平流很小，不能造成氣柱中溫度降低， 所以絕熱條件下氣柱溫度降低，只能依賴于絕熱冷卻作用，即依賴于上升運(yùn)動(dòng)。由此可見， 當(dāng)相對(duì)渦度地轉(zhuǎn)平流隨高度變化時(shí)，出現(xiàn)鉛直運(yùn)動(dòng)是必然的，如果沒有這種鉛直運(yùn)動(dòng)，不僅500hPa上相對(duì)渦度發(fā)生變化時(shí)不能維持地轉(zhuǎn)平衡，而且500 1000hPa氣層內(nèi)有溫度變化時(shí)也不能維持靜力平衡。（ 14） 第一類和第二類準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的條件是什么？各有何特點(diǎn)？答：第一類準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的條件是S Ro 1，這類運(yùn)動(dòng)的水平尺度L 小于地球半徑 a ， 相當(dāng)于天氣尺度運(yùn)動(dòng)。其鉛直速度量級(jí)遠(yuǎn)比由連續(xù)方程分析出來的要??；水平散度比渦度小一個(gè)量

25、級(jí)以上，運(yùn)動(dòng)具有顯著的渦旋性質(zhì)；運(yùn)動(dòng)的水平尺度、鉛直尺度和靜力穩(wěn)定度是相互依賴的，層結(jié)是高度穩(wěn)定的。第二類準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的條件是Ro S 1 或 Ro2 Ri 1 ， 其水平尺度L 與地球半徑a相當(dāng)， 這類準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)指的是中緯度行星尺度運(yùn)動(dòng)，其鉛直速度的量級(jí)僅與水平速度尺度成正比，與水平尺度無關(guān)；水平散度與渦度的量級(jí)相同；渦度方程中散度與項(xiàng)基本相平衡，運(yùn)動(dòng)具有準(zhǔn)定常性；靜力穩(wěn)定度與水平速度尺度無關(guān)。推導(dǎo)證明題1 由質(zhì)量守恒原理出發(fā)，直接推導(dǎo)出P 坐標(biāo)系中的連續(xù)方程。x p y p p2由質(zhì)量守恒原理出發(fā)，直接推導(dǎo)出 Z坐標(biāo)系中的連續(xù)方程。du v w0 dtx y z3如果大氣是正壓的，證明靜

26、力平衡條件下水平氣壓梯度力不隨高度變化。證明：p坐標(biāo)系中水平氣壓梯度力的表達(dá)式為上式對(duì)p微分有 -()pp利用靜力平衡方程 RT可得_() -( T)pp pp p若大氣是正壓的，等壓面與等溫面重合，則(T)p 0,由此證得_() 0 ,即水平氣壓梯度力不隨高度變化。p4如果大氣是正壓的，證明靜力平衡條件下地轉(zhuǎn)風(fēng)不隨高度變化1證明：p坐標(biāo)系中地轉(zhuǎn)風(fēng)表達(dá)式 V。一 kg f.V 1上式對(duì)p微分有一- kp f pRT V R利用靜力平衡方程 RT可得一g-k ( T) Dp p In p fp若大氣是正壓的，等壓面與等溫面重合，則(T)p 0, n Vg皿一、八由此證得一-0,故地轉(zhuǎn)風(fēng)不隨高度變

27、化。p5證明在靜力平衡條件下，無限高氣柱中的位能與內(nèi)能之比為I Cv，其中*為位能,*為內(nèi)能。證：自海平面延伸至大氣上界的水平截面積為A的鉛直空氣柱中的位能為gzdz dA取靜力平衡近似后則有P0A 0 zdP dA其中P0為海平面氣壓。取時(shí)zp0為上邊界條件，將上式分部積分后可得A 0 Pdz dA利用狀態(tài)方程p RT ,上式又可改寫為RTdzdAR 一cvTdz dACv a 0而該氣柱中內(nèi)能為CvTdz dA所以有鳥cv6矢量形式的運(yùn)動(dòng)方程為M 1 3P 2 dtV3推導(dǎo)單位質(zhì)量的動(dòng)能方程,并證明大氣運(yùn)動(dòng)不可能在嚴(yán)格的地轉(zhuǎn)平衡和靜力平衡條件下進(jìn)行。解：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的動(dòng)能方程為dKdt1、，-

28、V33 P gW假設(shè)大氣運(yùn)動(dòng)滿足地轉(zhuǎn)平衡和靜力平衡，由于11-V3 3P gw-Vg P動(dòng)能方程簡(jiǎn)化為 dK F V3 ,這表明個(gè)別空氣微團(tuán)在運(yùn)動(dòng)中因克服摩擦力作功其動(dòng)能最 dt終要被消耗掉，所以，考慮摩擦力時(shí)，從能量的觀點(diǎn)來看，大氣運(yùn)動(dòng)不可能在嚴(yán)格的地轉(zhuǎn)平 衡和靜力平衡條件下進(jìn)行。7 P坐標(biāo)系中的水平運(yùn)動(dòng)方程為uuuu£uvfvtxypxvvvvruvfutxypy(1)推導(dǎo)渦度方程。pppp一 u v tx p y p pfuvv y p y p p x p p(2)說明渦度方程中各項(xiàng)的物理意義。上式右端第一、二兩項(xiàng)為相對(duì)渦度平流項(xiàng)， 第三項(xiàng)為相對(duì)渦度的鉛直輸送項(xiàng)，第四項(xiàng)為散度作