動(dòng)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(yùn)動(dòng)方程組董麗娜第1頁(yè)，共82頁(yè)。2小尺度運(yùn)動(dòng)：空間尺度以米為量級(jí)持續(xù)時(shí)間：以分鐘為量級(jí)大漠孤煙直長(zhǎng)河落日?qǐng)A第2頁(yè)，共82頁(yè)。3小尺度運(yùn)動(dòng)造成的沙丘和雪丘第3頁(yè)，共82頁(yè)。4高地上被風(fēng)吹向一邊的樹(shù)風(fēng)欲靜，而樹(shù)不止第4頁(yè)，共82頁(yè)。中尺度，雷暴空間尺度：幾十公里；時(shí)間尺度：小時(shí)5第5頁(yè)，共82頁(yè)。6海陸風(fēng)中尺度運(yùn)動(dòng): 幾十公里，小時(shí)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(cè)者感覺(jué)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(gè)區(qū)域環(huán)流。如空氣中水汽較多，可在陸面一側(cè)形成對(duì)流云第6頁(yè)，共82頁(yè)

2、。7海陸風(fēng)造成的天氣現(xiàn)象第7頁(yè)，共82頁(yè)。8山谷風(fēng)，中尺度第8頁(yè)，共82頁(yè)。9大尺度運(yùn)動(dòng): 氣旋風(fēng)暴，千公里，幾天第9頁(yè)，共82頁(yè)。10大尺度：中高緯度的西風(fēng)帶急流和Rossby波動(dòng)第10頁(yè)，共82頁(yè)。 為什么要進(jìn)行尺度分析和簡(jiǎn)化基本方程組從數(shù)學(xué)的角度看 ？簡(jiǎn)化大氣運(yùn)動(dòng)基本方程組， 保留各方程中的主要項(xiàng)，略去那些次要項(xiàng)，使得簡(jiǎn)化后的方程組便于數(shù)學(xué)處理。大氣運(yùn)動(dòng)基本方程組是一個(gè)具有六個(gè)場(chǎng)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(yè)，共82頁(yè)。 從物理的角度看 大氣中存在各種不同尺度的運(yùn)動(dòng)，雖然各種尺度運(yùn)動(dòng)滿足同一個(gè)方程組，但是不同尺度的運(yùn)動(dòng)有不同的物

3、理性質(zhì)、過(guò)程、特點(diǎn)，決定運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，只有抓住決定該尺度運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的主要因子，忽略那些次要因子，才能把握住運(yùn)動(dòng)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(wèn)題的能力。 第12頁(yè)，共82頁(yè)。本課程的研究目的：大尺度的大氣運(yùn)動(dòng) 根據(jù)實(shí)際觀測(cè)，中緯度大尺度大氣運(yùn)動(dòng)具有以下特點(diǎn)： 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(wú)輻散，渦旋運(yùn)動(dòng)。 簡(jiǎn)化是否正確，與實(shí)際觀測(cè)比較來(lái)驗(yàn)證。第13頁(yè)，共82頁(yè)。目的：對(duì)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，突出主要因子，研究運(yùn)動(dòng)的主要特征。途徑：分析各因子（各項(xiàng)）大小， 大重要 小次要第

4、14頁(yè)，共82頁(yè)。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(jí)來(lái)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(wú)量綱量第15頁(yè)，共82頁(yè)。將任一物理量寫(xiě)作： 其中： Q特征量， 表示該物理量的一般大?。?常量；有量綱 無(wú)量綱量，量級(jí)在 100，表示物理量的具體大小；變量；沒(méi)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(xiàng)。第16頁(yè)，共82頁(yè)。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(yè)，共82頁(yè)。 在尺

5、度分析中，為了確定大氣運(yùn)動(dòng)方程中各項(xiàng)的量級(jí)，應(yīng)確定以下尺度：（1）空間和時(shí)間尺度。（2）各物理量尺度。 （3）各物理量變動(dòng)尺度。 第18頁(yè)，共82頁(yè)。運(yùn)動(dòng)尺度：水平速度尺度 U鉛直速度尺度 W觀測(cè)表明：速度場(chǎng)的變動(dòng)尺度可以達(dá)到本身的量級(jí)。第19頁(yè)，共82頁(yè)?？臻g尺度：水平（長(zhǎng)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(dòng)則為波長(zhǎng)的1/4。第20頁(yè)，共82頁(yè)。時(shí)間尺度： 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)演變經(jīng)歷一個(gè)階段所需要的特征時(shí)間，用符號(hào)表示。 =L/C，C為移速。對(duì)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(shí)間尺度。第21頁(yè)，共82頁(yè)。 運(yùn)動(dòng) 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(zhǎng)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(dòng)熱帶 熱帶行星 尺度波動(dòng)云團(tuán)熱帶氣旋中尺度對(duì)流群對(duì)流單體邊界層渦動(dòng)大、中、小尺度運(yùn)動(dòng)的基本尺度 L大氣運(yùn)動(dòng)的尺度分類 對(duì)于大尺度運(yùn)動(dòng) t第22頁(yè)，共82頁(yè)。熱力學(xué)變量尺度： 時(shí)空變動(dòng)值相對(duì)于其本身很小，達(dá)不到本身的量級(jí)。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(dòng)量：相對(duì)于基本量的偏差第23頁(yè)，共82頁(yè)?；緺顟B(tài)的鉛直厚度尺度（標(biāo)高）H=RT*/g104m。基本熱力學(xué)變量隨高度的改變量可以達(dá)到本身的量級(jí)第24頁(yè)，共82頁(yè)。 據(jù)觀測(cè)，擾動(dòng)

7、熱力學(xué)變量的時(shí)空變動(dòng)值 可以達(dá)到本身的量級(jí)第25頁(yè)，共82頁(yè)。各個(gè)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(zhǎng)、D、U是根據(jù)不同類型運(yùn)動(dòng)選定的，基本狀態(tài)熱力學(xué)變量、標(biāo)高等是已知的；通過(guò)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(yè)，共82頁(yè)。雖不能確定W尺度，但給出了上限。L D時(shí)，W U，準(zhǔn)水平運(yùn)動(dòng)。第27頁(yè)，共82頁(yè)。水平運(yùn)動(dòng)方程的尺度分析第28頁(yè)，共82頁(yè)。大尺度運(yùn)動(dòng)：R00，0下沉，W0第79頁(yè)，共82頁(yè)。第80頁(yè)，共82頁(yè)。P系的優(yōu)越性不用觀測(cè)空氣的密度，密度的影響隱含在等壓面位勢(shì)變化之中。Z系中方程顯得復(fù)雜，而P系中方程簡(jiǎn)單。連續(xù)方程具有較簡(jiǎn)單的形式為了滿足分析等壓面的需要，因?yàn)閷?shí)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(jì)算。 由于引進(jìn)了靜力平衡近似，方程組中已濾去了對(duì)天氣變化不起什么作