動(dòng)力氣象總復(fù)習(xí)

1、何為A。數(shù)？大尺度大氣運(yùn)動(dòng)的A。數(shù)為多大？大尺度大氣運(yùn)動(dòng)的主要特征是什么？請(qǐng)利用Rossby數(shù)，分別判斷中高緯度大尺度大氣運(yùn)動(dòng)、中小尺度和熱帶大尺度大氣運(yùn)動(dòng)為何種性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)？定義水平慣性力尺度水平科氏力尺度大尺度運(yùn)動(dòng)：R0?l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)。中緯度大尺度運(yùn)動(dòng)：準(zhǔn)地轉(zhuǎn)中緯度中小尺度運(yùn)動(dòng)：非地轉(zhuǎn)熱帶大尺度運(yùn)動(dòng)：非地轉(zhuǎn)2、正壓大氣和斜壓大氣概念正壓大氣：密度的空間分布只依賴于氣壓，即P=P（p）,這種大氣狀態(tài)稱作正壓大氣。正壓大氣中等壓面、等密度面和等溫面重合在一起。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，即P=P（p,T）,這種狀態(tài)稱作斜壓大氣。斜壓大氣中等壓面與等密度面、等溫面是交割的。3、何為熱成風(fēng)？請(qǐng)?jiān)敿?xì)說(shuō)明熱成風(fēng)是由于大氣的斜壓性所引起，并由此說(shuō)明大氣大尺度動(dòng)力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)在天氣圖上的主要表現(xiàn)特征，并舉出實(shí)例。熱成風(fēng)：地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化正壓大氣，等壓面上溫度分布均勻，熱成風(fēng)為0,上下運(yùn)動(dòng)一致。斜壓大氣，等壓面上溫度分布不均勻，熱成風(fēng)不為0,上下運(yùn)動(dòng)不一致。斜壓大氣是地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度改變的充要條件，也就是正壓大氣中不存在熱成風(fēng)。例如：（1）副熱帶高壓：從低層、到中層、直到高層，都表現(xiàn)為高壓（反氣旋） 正壓系統(tǒng)成因一一動(dòng)力作用；（2）夏季的青藏高原：高層是反氣旋，低層是氣旋，——斜壓系統(tǒng)成因：熱力作用；三，渦度方程:1，渦度是什么？］=次速度的旋度渦度方程：/=婪+，?^74dtGt=-?+/）▽?-孚-+（今+77等）ay ax3y3y3x）+▽人或In

3y3x）+▽人或In散度項(xiàng)-C+/)▽?〃?-/V-V散度項(xiàng)P效應(yīng)項(xiàng)-3=-。扭轉(zhuǎn)項(xiàng)摟+琮=?叫力管項(xiàng)翳—…粘性耗散項(xiàng)▽八F丫Z作業(yè)：d乙 d1、正壓大氣中渦度方程一+4“？-修=0=>7（5^）=0物理意義是什么？解釋at at說(shuō)明系統(tǒng)有輻合、輻散運(yùn)動(dòng)和整體做南北運(yùn)動(dòng)時(shí)渦度的變化。絕對(duì)角動(dòng)量守恒[輻散：b個(gè)，則4Jn反氣旋加強(qiáng)，氣旋減弱1輻合：bJ,貝晦個(gè)=>氣旋加強(qiáng)，反氣旋減弱輻合、輻散：凝化=>廷化fv>o=>/T,則《J；[u<0n/J,則:個(gè)。系統(tǒng)南、北運(yùn)動(dòng)，f變化變化輻合、輻散：2、請(qǐng)說(shuō)明一個(gè)氣旋系統(tǒng)作輻合運(yùn)動(dòng)和向南運(yùn)動(dòng)時(shí)，其強(qiáng)度將會(huì)加強(qiáng)。侑：g強(qiáng)nr7自口月-F中力It解的作性合背力氣旋輻是生氣有不聿痛若而這個(gè)氣旋系統(tǒng)整體作向南的運(yùn)動(dòng)??Y匕邊的侑：g強(qiáng)nr7自口月-F中力It解的作性合背力氣旋輻是生氣有不聿痛若而這個(gè)氣旋系統(tǒng)整體作向南的運(yùn)動(dòng)??Y匕邊的二氣旋性與氣旋性轉(zhuǎn)動(dòng)加強(qiáng)。3、B一平面近似、B效應(yīng)B一平面近似：由于科氏參數(shù)隨緯度變化，當(dāng)氣塊作南北運(yùn)動(dòng)時(shí)，牽連渦度發(fā)生變化：為了保持絕對(duì)渦度守恒，這時(shí)相對(duì)渦度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化（系統(tǒng)發(fā)生變化），這種效應(yīng)稱為B—效應(yīng)。B效應(yīng)：科氏參數(shù)f是緯度y的非線性函數(shù)，近似地將f表示成y地線性函數(shù)，這種近似稱為6—平面近似，即：四，能量學(xué)1,能量形態(tài)2,無(wú)限高氣柱的位能一內(nèi)能的關(guān)系?！荒?？一一有效位能？對(duì)無(wú)窮高氣柱而言，大氣的內(nèi)能與位能成正比，同時(shí)增減，故定義：全位能=位能+內(nèi)能AR石=①+/=—I+1G，_Cv+ARCp= 1=—1cvcv3,質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能方程如何推導(dǎo)？丫?“運(yùn)動(dòng)方程”引起動(dòng)能變化的機(jī)制：壓力梯度力的作用。4,閉合系統(tǒng)：什么是？特點(diǎn)：沒(méi)有通過(guò)運(yùn)動(dòng)形式引起的物流交換；所有通量都等于0。（全位能A與動(dòng)能K:A<—>K）閉合系統(tǒng)能量守恒一一絕熱無(wú)摩擦轉(zhuǎn)化條件：必要條件是垂直運(yùn)動(dòng)；暖空氣輸送，冷空氣下沉，全位能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化。作業(yè)：1、大氣中有哪幾種能量形式？?jī)?nèi)能與位能的關(guān)系2、位能一一重力一保守力單位質(zhì)量氣塊的位能：gz2、內(nèi)能一一熱力學(xué)能量\cvTA這里，G".的單位是卡，A-熱功當(dāng)量。IJ=A,1卡=—JA3、動(dòng)能一一標(biāo)志著天氣系統(tǒng)的強(qiáng)度

單位質(zhì)量氣塊所具有的動(dòng)能：2V'4、潛熱能、Lq定義：系統(tǒng)中所有水汽全部凝結(jié)所釋放的熱量2、全位能和有效位能概念：緯向平均運(yùn)動(dòng)全位能=位能+內(nèi)能e=中+/=絲/+/GTOC\o"1-5"\h\zCy+AR Cp= 1= 1Cv Cv有效位能：在閉合系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)干絕熱過(guò)程，從初始狀態(tài)調(diào)整到水平穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)所能釋放的最大全位能，稱為有效位能。有效位能，可以理解為：能夠被釋放出來(lái)的那部分全位能。緯向平均運(yùn)動(dòng)：指大氣盛行的以極地為中心并繞其旋轉(zhuǎn)的緯向氣流，這是大氣環(huán)流的最基本的狀態(tài)，就對(duì)流層平均緯向環(huán)流而言，低緯度地區(qū)盛行東風(fēng)，稱為東風(fēng)帶（由于地球的旋轉(zhuǎn),北半球多為東北信風(fēng)，南半球多為東南信風(fēng)，故又稱為信風(fēng)帶）；中高緯度地區(qū)盛行西風(fēng)，稱為西風(fēng)帶（其強(qiáng)度隨高度增大，在對(duì)流層頂附近達(dá)到極大值，稱為西風(fēng)急流）；極地還有淺薄的弱東風(fēng)，稱為極地東風(fēng)帶。3、閉合系統(tǒng)中動(dòng)能與全位能發(fā)生轉(zhuǎn)換的必要條件是什么？何時(shí)動(dòng)能向全位能轉(zhuǎn)換？何時(shí)全位能向動(dòng)能轉(zhuǎn)換？垂直運(yùn)動(dòng)是閉合系統(tǒng)中動(dòng)能與全位能轉(zhuǎn)換的必要條件。物理本質(zhì)：暖空氣一輕一上升冷空氣一重一下沉系統(tǒng)質(zhì)心下降，全位能減少，動(dòng)能增加,反之，亦成立4、根據(jù)實(shí)際大氣北半球中高緯度大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（斜槽結(jié)構(gòu)），利用下式說(shuō)明擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)能將向平均運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換。其中符號(hào)同慣常意義。急流軸上槽移速河

急流兩邊槽移速慢f斜槽結(jié)構(gòu)急流軸北邊：西北一東南走向;南邊：東北-西南走向。

急流軸上槽移速河

急流兩邊槽移速慢f斜槽結(jié)構(gòu)J1^與HJ1^與H正相關(guān)={K'R}=￡ A"uvf—dM>05、根據(jù)實(shí)際大氣北半球中高緯度位勢(shì)高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的配置，利用卜.式說(shuō)明擾動(dòng)有效位能將向擾動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換的機(jī)制。其中符號(hào)同慣常意義。溫度槽落后于氣壓槽 =>A'-K'槽前上升運(yùn)動(dòng)，槽后下沉運(yùn)動(dòng)一一暖空氣上升，冷空氣下沉。6、實(shí)際大氣北半球中高緯度緯向平均有效位能轉(zhuǎn)換成擾動(dòng)有效位能（Z-4）的機(jī)制。未北，冷 “〒卒畢工卜量由南向北輸送J心II 南北方向溫度分布均勻；南，陵 某個(gè)與圈上溫度不均勻。熱量的經(jīng)向輸送，使得暖區(qū)失去熱量，冷區(qū)得到熱量=不』在緯圈上形成溫度分布不均勻=a'T——溫度槽落后于高度槽7、試論述大型渦旋在實(shí)際大氣能量循環(huán)中的重要作用。答：首先，通過(guò)大型渦旋引起的熱量經(jīng)向輸送，使得平均有效位能向擾動(dòng)有效位能轉(zhuǎn)換；然后，又通過(guò)大型渦旋中的垂直運(yùn)動(dòng)，使得擾動(dòng)有效位能向擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換；

再通過(guò)大型渦旋的斜槽結(jié)構(gòu)引起動(dòng)量輸送，使得擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)能向平均運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換；最后，通過(guò)大型渦旋耗散了大部分動(dòng)能。所以說(shuō)，大型渦旋在實(shí)際能量循環(huán)中起著重要作用。8、EKman抽吸、二級(jí)環(huán)流及大氣旋轉(zhuǎn)減弱在邊界層中，三力平衡下，風(fēng)要穿越等壓線，從高壓指向低壓，則氣旋區(qū)產(chǎn)生輻合上升，反氣旋區(qū)產(chǎn)生輻散下沉。這種邊界層頂?shù)拇怪边\(yùn)動(dòng)，稱為Ekman抽吸。相應(yīng)的，自由大氣中的氣旋區(qū)要產(chǎn)生輻散，反氣旋區(qū)要產(chǎn)生輻合，這樣就在垂直面內(nèi)形成閉合環(huán)流。如果將水平面上的氣旋、反氣旋，稱為一級(jí)環(huán)流，則稱這個(gè)由一級(jí)環(huán)流誘發(fā)的、在垂直面上的閉合環(huán)流，為二級(jí)環(huán)流大氣旋轉(zhuǎn)減弱：二級(jí)環(huán)流的作用：使邊界層與自由大氣發(fā)生物理量交換。J邊界層中角動(dòng)量小的空氣，輸送到自由大氣：［自由大氣中角動(dòng)量大型空氣，輸送到邊界層。結(jié)果：由自由大氣向邊界層輸送角動(dòng)量。自由大氣角動(dòng)量減少，大氣旋轉(zhuǎn)減弱，邊界層角動(dòng)量增加，以補(bǔ)償耗散自由大氣中:‘氣旋區(qū)輻散n自由大氣中:‘氣旋區(qū)輻散n氣旋減弱反氣旋區(qū)輻合二反氣旋減弱=>旋轉(zhuǎn)減弱=>用來(lái)補(bǔ)償耗散、+1mpz1rHf氣旋區(qū)輻合=>氣旋加強(qiáng)邊界層中s=>用來(lái)補(bǔ)償耗散、1反氣旋區(qū)輻散=>反氣旋加強(qiáng)旋轉(zhuǎn)減弱：自由大氣在埃克曼泵的作用下，若無(wú)外部能量的供給，其渦度會(huì)隨時(shí)間發(fā)生衰減,這種衰減就稱為旋轉(zhuǎn)減弱五，波動(dòng)學(xué)一一主流理論。槽脊，長(zhǎng)波，短波?波動(dòng)中的術(shù)語(yǔ)。1,波動(dòng)概念：1）振蕩機(jī)制一一回復(fù)機(jī)制（負(fù)反饋機(jī)制）2）傳播機(jī)制一一質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)間的相互聯(lián)系。特點(diǎn)：空間、時(shí)間上周期變化。波參數(shù)：有哪些？定義？關(guān)系？求波解？單波：討論波動(dòng)傳播問(wèn)題，不能討論波的發(fā)展。群速度一一波群一一群速度2,微擾動(dòng)的線性化方法：基本思想、假設(shè)？如何做？3,基本方程中有哪些波？各種波的機(jī)制、性質(zhì)？濾波條件？重力內(nèi)波一一浮力振蕩（體現(xiàn)產(chǎn)生機(jī)制）B—效應(yīng)（體現(xiàn)Rossby波產(chǎn)生機(jī)制）重力外波一一用自由面h體現(xiàn)的連續(xù)方程一一h變化，引起輻合輻散一一傳播機(jī)制。上游效應(yīng)4,會(huì)解：重力外波，大氣長(zhǎng)波

物理（氣象）模型、數(shù)學(xué)模型、線性化、設(shè)波解、本征值、求波速C、討論氣象意義4,濾波概念：掌握思想。作業(yè)：1、頻散波和非頻散波；相速度和群速度；上游效應(yīng)和卜游效應(yīng)；浮力振蕩，穩(wěn)定層結(jié)和不穩(wěn)定層結(jié)相速度是位相的傳播速度，如槽脊的移速群速度是振幅/能量的移動(dòng)速度。不穩(wěn)定層結(jié)：若,即周圍溫度下降得快，故氣團(tuán)T＞周圍，重力〈浮力，凈浮力向上穩(wěn)定層結(jié)：若非頻散波：物理（氣象）模型、數(shù)學(xué)模型、線性化、設(shè)波解、本征值、求波速C、討論氣象意義4,濾波概念：掌握思想。作業(yè)：1、頻散波和非頻散波；相速度和群速度；上游效應(yīng)和卜游效應(yīng)；浮力振蕩，穩(wěn)定層結(jié)和不穩(wěn)定層結(jié)相速度是位相的傳播速度，如槽脊的移速群速度是振幅/能量的移動(dòng)速度。不穩(wěn)定層結(jié)：若,即周圍溫度下降得快，故氣團(tuán)T＞周圍，重力〈浮力，凈浮力向上穩(wěn)定層結(jié)：若非頻散波：C與k無(wú)關(guān)

頻散波：C與k有關(guān)一,即周圍溫度下降得慢，故氣團(tuán)?。贾車?，重力＞浮力，凈浮力向下一一該波動(dòng)的波速與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，波動(dòng)的能量-該波動(dòng)的波速與波長(zhǎng)有關(guān)浮力振蕩：在穩(wěn)定層結(jié)中，當(dāng)氣團(tuán)受到垂直擾動(dòng)時(shí)，它要受到與位移相反的凈浮力（回復(fù)力）作用而在平衡位置附近發(fā)生振蕩，這種振蕩稱為浮力振蕩。上游效應(yīng)：波動(dòng)的能量先于波動(dòng)傳到下游，會(huì)在卜.游加強(qiáng)原擾動(dòng)或激發(fā)新的波動(dòng)，稱為上游效應(yīng)。下游效應(yīng)：下游波動(dòng)對(duì)上游波動(dòng)的影響2、已知自由表面高度為h的均質(zhì)不可壓大氣滿足下式：dudu 1dp——+u——= —dt dx pdx1前np&dudwc——+——=0dxdz其中符號(hào)同慣常意義。1.2..請(qǐng)說(shuō)出重力外波傳播的物理機(jī)制。.導(dǎo)出重力外波的波速公式，并討論之。水平輻合輻散du du dh——+u——=-2——dt dx dxdh dh .du八dt dx6x自由表面坡度產(chǎn)生壓力梯度力，改變大氣的水平運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生的輻合輻散運(yùn)動(dòng)又改變自由表面的坡度。， _ _令h=H+h'h=constu=u+u,u=Constdu9 fduohfc——+u——+u——+p——=0dt dxdx dx =>dhf dhf fdhf du lfdu八——+u——+u——+H——+h——=0.dtdxdxdxdxdtdxoh9_加——+it——dh，

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du.dtdxdx=0——(2)消去u'：6_d dd_a2,(記得)(2)-(H浜)(l)n(5+=)hg”d2hfdx2=0f形式解：M=a/W)=>(~ikc+uik)2hf-gH(ik)2hf=0“使.h =(c-w)2-gH=0 =N土

討論：①重力外波線性疊加在基本氣流上②雙向傳播③如g=10m/s2,H=10km時(shí)，后方7*300m/s快波，高頻波。④非頻散波。 -3、已知方程:dd3、已知方程:dd+u一+v——&dy)d\>_du4+0=0dudxdvdudxdv——d dx/其中：各符號(hào)同慣常意義。（1）由上式導(dǎo)出&ss"波的波速和群速公式，并討論之。線性化:其中：各符號(hào)同慣常意義。（1）由上式導(dǎo)出&ss"波的波速和群速公式，并討論之。線性化:u=u+u，,v=vr,H=Const,p-p即假設(shè)大氣長(zhǎng)波疊加在均勻的西風(fēng)基流上（中高緯大氣上空的西風(fēng)氣流并不均勻，存在西風(fēng)急流）代入方程，得到華+萬(wàn)望+〃，望+M望+皿=0|dtoxdxdyIdu3——十——=0dxdy略去二階小量，得到:dt5u Fdt5u F小5x+/7M=05v——=0有旋無(wú)輻散：可以引入流函數(shù)有旋無(wú)輻散：可以引入流函數(shù),0Pu—— ②uV二 dx02P 02P,0Pu—— ②uV二 dx02P 02P 7dxd)rV2Tz引入流函數(shù)，并略去方程中擾動(dòng)量的二次乘積項(xiàng),得制嗎心+嚕=。設(shè)波動(dòng)解:乎_a/（辰+/）」"）代入上面的一元線性卜方程中，得到n{(-ia)+iku)[(ik)2+(z7)2]+pikyV=0???TwOCOCD~就_4COCDk2+l2

co _cco丁cco<__K =一/十一（2）請(qǐng)說(shuō)出&ss"波的主要特征及其形成的物理機(jī)制。，Rossby波產(chǎn)生、傳播、振蕩所有機(jī)制，都是8—效應(yīng)。4、何謂6%應(yīng)？很據(jù)Rossby波的傳播機(jī)制，說(shuō)明下圖所示的渦旋系統(tǒng)將會(huì)向西其左側(cè)：半〈0,其左側(cè)：半〈0,故左半個(gè)加強(qiáng)：右側(cè)：竿＞0,故右半個(gè)減弱。dt dt=反氣旋的強(qiáng)度中心位置西移