動力氣象學(xué)第三章dln分解課件

1、第三章 尺度分析和P坐標(biāo)系下運動方程組董麗娜第1頁，共82頁。2小尺度運動：空間尺度以米為量級持續(xù)時間：以分鐘為量級大漠孤煙直長河落日圓第2頁，共82頁。3小尺度運動造成的沙丘和雪丘第3頁，共82頁。4高地上被風(fēng)吹向一邊的樹風(fēng)欲靜，而樹不止第4頁，共82頁。中尺度，雷暴空間尺度：幾十公里；時間尺度：小時5第5頁，共82頁。6海陸風(fēng)中尺度運動: 幾十公里，小時白天，陸面氣溫高氣壓低，水面相反，氣壓梯度方向由水面指向陸面。觀測者感覺到的是向岸風(fēng)。高層風(fēng)向相反。陸面一側(cè)形成上升氣流，水面一側(cè)形成下沉氣流。陸面與水面溫差的結(jié)果形成了一個區(qū)域環(huán)流。如空氣中水汽較多，可在陸面一側(cè)形成對流云第6頁，共82頁

2、。7海陸風(fēng)造成的天氣現(xiàn)象第7頁，共82頁。8山谷風(fēng)，中尺度第8頁，共82頁。9大尺度運動: 氣旋風(fēng)暴，千公里，幾天第9頁，共82頁。10大尺度：中高緯度的西風(fēng)帶急流和Rossby波動第10頁，共82頁。 為什么要進(jìn)行尺度分析和簡化基本方程組從數(shù)學(xué)的角度看 ？簡化大氣運動基本方程組， 保留各方程中的主要項，略去那些次要項，使得簡化后的方程組便于數(shù)學(xué)處理。大氣運動基本方程組是一個具有六個場變量的非線性偏微分方程組，就數(shù)學(xué)發(fā)展水平，還不可能求出滿足給定初邊界條件的精確解。第11頁，共82頁。 從物理的角度看 大氣中存在各種不同尺度的運動，雖然各種尺度運動滿足同一個方程組，但是不同尺度的運動有不同的物

3、理性質(zhì)、過程、特點，決定運動基本性質(zhì)的主要物理因子不一樣。 當(dāng)研究某一特定尺度運動時，只有抓住決定該尺度運動性質(zhì)的主要因子，忽略那些次要因子，才能把握住運動的物理本質(zhì)和基本性質(zhì)。 學(xué)習(xí) “分析事物主要因素、把握現(xiàn)象本質(zhì)”的思維方法， 可以提高我們處理復(fù)雜問題的能力。 第12頁，共82頁。本課程的研究目的：大尺度的大氣運動 根據(jù)實際觀測，中緯度大尺度大氣運動具有以下特點： 準(zhǔn)定常，準(zhǔn)水平，準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡，準(zhǔn)靜力平衡，準(zhǔn)水平無輻散，渦旋運動。 簡化是否正確，與實際觀測比較來驗證。第13頁，共82頁。目的：對方程進(jìn)行簡化，突出主要因子，研究運動的主要特征。途徑：分析各因子（各項）大小， 大重要 小次要第

4、14頁，共82頁。一、尺度概念 物理量的“尺度”是指，具有代表意義能反映該物理量一般大小的量值，又稱“特征值”。其大小是用數(shù)量級來表示的。例：水平風(fēng)速在525m/s之間， 特征值為10m/s u=Uu*，v=Uv*，則： U101m/s， u*和v*為數(shù)值在0.52.5之間的無量綱量第15頁，共82頁。將任一物理量寫作： 其中： Q特征量， 表示該物理量的一般大小； 常量；有量綱 無量綱量，量級在 100，表示物理量的具體大??；變量；沒有量綱 這里的q是廣義的，不僅包括氣象要素，還包括方程各項。第16頁，共82頁。比較物理量的大小，可以比較特征量的大小。如：已知：則：第17頁，共82頁。 在尺

5、度分析中，為了確定大氣運動方程中各項的量級，應(yīng)確定以下尺度：（1）空間和時間尺度。（2）各物理量尺度。 （3）各物理量變動尺度。 第18頁，共82頁。運動尺度：水平速度尺度 U鉛直速度尺度 W觀測表明：速度場的變動尺度可以達(dá)到本身的量級。第19頁，共82頁?？臻g尺度：水平（長度）尺度L鉛直（厚度）尺度D渦旋系統(tǒng)的水平尺度取其特征半徑，波動則為波長的1/4。第20頁，共82頁。時間尺度： 運動系統(tǒng)演變經(jīng)歷一個階段所需要的特征時間，用符號表示。 =L/C，C為移速。對于移速不太快的系統(tǒng)，一般認(rèn)為CU，那么： =L/U，稱為平流時間尺度。第21頁，共82頁。 運動 L(m) D(m) U(m/s)

6、(s)大尺度中尺度小尺度行星尺度天氣尺度（大尺度）中尺度小尺度微尺度中高緯度長波副熱帶高壓溫帶氣旋反氣旋鋒面背風(fēng)波颮線積雨云龍卷邊界層渦動熱帶 熱帶行星 尺度波動云團(tuán)熱帶氣旋中尺度對流群對流單體邊界層渦動大、中、小尺度運動的基本尺度 L大氣運動的尺度分類 對于大尺度運動 t第22頁，共82頁。熱力學(xué)變量尺度： 時空變動值相對于其本身很小，達(dá)不到本身的量級。分為兩部分：1、表征基本狀態(tài)的基本熱力學(xué)變量（僅與z有關(guān)）2、擾動量：相對于基本量的偏差第23頁，共82頁?；緺顟B(tài)的鉛直厚度尺度（標(biāo)高）H=RT*/g104m?；緹崃W(xué)變量隨高度的改變量可以達(dá)到本身的量級第24頁，共82頁。 據(jù)觀測，擾動

7、熱力學(xué)變量的時空變動值 可以達(dá)到本身的量級第25頁，共82頁。各個物理量尺度受基本方程組的制約，相互之間又有聯(lián)系。尺度分析主要是討論它們之間的關(guān)系。一般認(rèn)為L、D、U是根據(jù)不同類型運動選定的，基本狀態(tài)熱力學(xué)變量、標(biāo)高等是已知的；通過尺度分析求取另一些尺度參數(shù)W、P、 、 T*等。連續(xù)方程的尺度分析第26頁，共82頁。雖不能確定W尺度，但給出了上限。L D時，W U，準(zhǔn)水平運動。第27頁，共82頁。水平運動方程的尺度分析第28頁，共82頁。大尺度運動：R00，0下沉，W0第79頁，共82頁。第80頁，共82頁。P系的優(yōu)越性不用觀測空氣的密度，密度的影響隱含在等壓面位勢變化之中。Z系中方程顯得復(fù)雜，而P系中方程簡單。連續(xù)方程具有較簡單的形式為了滿足分析等壓面的需要，因為實際工作中不分析等高面而分析等壓面?？梢灾苯佑玫葔好嫔戏治龅馁Y料進(jìn)行計算。 由于引進(jìn)了靜力平衡近似，方程組中已濾去了對天氣變化不起什么作