考博地轉(zhuǎn)適應(yīng)理論

地轉(zhuǎn)運動的動力學關(guān)系矢量形式的水平運動方程

中緯度大尺度運動，一方面近似地滿足地轉(zhuǎn)平衡，另一方面這種平衡又不斷受到破壞，即存在地轉(zhuǎn)偏差。因此，這種平衡是運動中的平衡，是不斷變化中的平衡。正是這種平衡與不平衡矛盾的對立統(tǒng)一，才導致了天氣系統(tǒng)的變化與發(fā)展。問題的提出

為什么中緯度大尺度運動必然呈現(xiàn)出準地轉(zhuǎn)特征？中緯度大尺度運動的基本性質(zhì)之一：準地轉(zhuǎn)運動某些地區(qū)產(chǎn)生強烈非地轉(zhuǎn)運動地形強迫非均勻加熱動力強迫熱力強迫運動被迫偏離準地轉(zhuǎn)平衡運動必然有某種物理過程，使得被迫偏離準地轉(zhuǎn)平衡的運動，很快能恢復平衡運動。否則，中緯度大尺度運動不可能經(jīng)常是準地轉(zhuǎn)的。這兩種動力過程具有明顯不同的性質(zhì)和特點，而且在時間尺度上是可分的。地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程地轉(zhuǎn)平衡遭到破壞后，通過氣壓場與風場之間的相互調(diào)整，重新建立起新的準地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)的過程。準地轉(zhuǎn)演變過程準地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)的緩慢變化過程。大氣中的兩種基本動力過程

主要內(nèi)容1、地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程與準地轉(zhuǎn)演變過程的基本概念2、大氣中兩種基本動力過程的基本性質(zhì)

（地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程與演變過程的可分性）3.正壓大氣和斜壓大氣中適應(yīng)過程的分析討論Ch.10地轉(zhuǎn)適應(yīng)理論10.1準地轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的物理背景1、重力場的作用2、地球旋轉(zhuǎn)作用3、太陽輻射不均勻性的影響

地球大氣是重力作用下的旋轉(zhuǎn)流體，并且受到太陽輻射的作用和影響。一、在重力場的作用下，質(zhì)量的鉛直分布造成的鉛直氣壓梯度力和重力具有相同量級，并且使得大氣高度的尺度受到限制，即有（10.1）

二，由于地球旋轉(zhuǎn)的影響,大氣運動受到科里奧利力的作用和影響，科里奧力的相對重要性取決于旋轉(zhuǎn)大氣中固有的水平尺度，即羅斯貝變形半徑，當時，科里奧利力是重要的。三、若科里奧利力對運動有重要作用，水平氣壓梯度力應(yīng)與科里奧利力同量級，即故有因為所以于是有由此可見，大氣運動的水平速度尺度不但受到限制，而且相對地球的線速度是異常緩慢的。若時，則由上式可知，任何高度上總有，即運動是準水平的。對平均大氣運動情況，泰羅－佛羅德曼定理近似成立，即因所以，除低緯外有

若要求，則要求因此，當運動的水平尺度一定時，在這個尺度上溫度差愈小，運動愈接近地轉(zhuǎn)運動；這個尺度上溫度差愈大，運動中非地轉(zhuǎn)成份就愈大。此外，低緯處羅斯貝變形半徑大，當其它條件一定時，中緯度的大尺度運動比低緯更容易接近地轉(zhuǎn)運動。1、重力場的作用使大氣質(zhì)量向靠近地球固定邊界一薄層中堆積，從而制約了鉛直氣壓梯度，限制了大氣運動的鉛直尺度；2、地球旋轉(zhuǎn)作用制約了水平氣壓梯度，限制了大氣運動的水平速度尺度；3、地球旋轉(zhuǎn)和太陽輻射的共同作用，使中緯度大尺度運動必然呈現(xiàn)出準地轉(zhuǎn)特征。結(jié)論：受外界環(huán)境固有條件的制約，中緯度大尺度運動必然是一種準水平、準地轉(zhuǎn)的緩慢運動。§10.2大尺度運動過程的階段性中緯度大尺度運動是準地轉(zhuǎn)的，如果地轉(zhuǎn)平衡遭到破壞，那么必定有一種物理機制，使遭到破壞的地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)迅速地得到恢復，否則觀測到的大尺度運動就不可能是準地轉(zhuǎn)的。地轉(zhuǎn)平衡態(tài)遭到破壞后，通過風場和氣壓場之間的相互調(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。準地轉(zhuǎn)平衡態(tài)的緩慢變化（演變）過程，稱作準地轉(zhuǎn)演變過程。這是大氣中兩種最基本的動力學過程。這兩種過程可視為一般大尺度運動過程的兩個階段，在時間尺度上是可區(qū)分的。對于大尺度運動，水平運動方程可寫作如下形式取將方程無量綱化得在無量綱方程中無量綱量及其導數(shù)的量級為1，各項量級大小只取決于無量綱參數(shù)的大小。中緯度大尺度運動中，若運動外于高度非地轉(zhuǎn)狀態(tài)，則，此情形下，非線性平流項可略去，且有故為地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程的時間尺度。為準地轉(zhuǎn)演變過程的時間尺度。兩種過程的特征時間尺度之比恰好為羅斯貝數(shù)，即若運動處于準地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)，，非線性平流項不能略去，此時的量級等于或小于，即故對于大尺度運動，所以準地轉(zhuǎn)演變過程的特征時間尺度比地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程的特征時間尺度大一個量級以上。當運動處于高度非地轉(zhuǎn)狀態(tài)時，而在準地轉(zhuǎn)演變過程中。渦度和水平散度的量級可作如下估計

因此有結(jié)論：地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程是一種快過程，位勢運動顯著，運動基本上是線性的；準地轉(zhuǎn)演變過程中是一種慢過程，運動具有準渦旋性質(zhì)，運動是非線性的。

地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程：地轉(zhuǎn)平衡破壞后，通過風場和氣壓場之間的相互

調(diào)整，重新建立起新的平衡的調(diào)整過程準地轉(zhuǎn)演變過程：風場與氣壓場基本維持地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)的演變過程

地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程中的適應(yīng)方向相對于初始狀態(tài)氣壓場適應(yīng)風場風場適應(yīng)氣壓場1、

地轉(zhuǎn)適應(yīng)理論基本概念以上對中緯度準地轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的物理背景作了定性分析。概括地說，中緯度大尺度運動所以是準水平、準地轉(zhuǎn)的，這是外界的一些固有條件對運動制約的結(jié)果。這些固有條件是：重力場的作用使大氣質(zhì)量向靠近地球固定邊界一薄層中堆積，限制了大氣運動的鉛直尺度；地球旋轉(zhuǎn)作用制約了水平氣壓梯度，限制了大氣運動的水平尺度；地球和太陽幾何位置相對固定，使地球南北接受的太陽輻射能受到限制，從而制約了大氣的水平速度尺度。這樣使得根據(jù)泰羅－佛羅德曼定理，中緯度大尺度運動既然是一種緩慢的運動，因而必然具有準水平、準地轉(zhuǎn)的特征。2、大氣中兩種基本動力過程的性質(zhì)非地轉(zhuǎn)準地轉(zhuǎn)§10.3正壓大氣中的地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程

主要內(nèi)容

一、正壓適應(yīng)過程的定性分析

二、正壓適應(yīng)方程組的推導

三、正壓適應(yīng)過程的研究思路

四、正壓適應(yīng)方程組的基本性質(zhì)

五、地轉(zhuǎn)適應(yīng)與初始擾動尺度的關(guān)系復習與提問1.什么是地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程？什么是準地轉(zhuǎn)演變過程？

地轉(zhuǎn)平衡態(tài)遭到破壞后，通過風場和氣壓場之間的相互調(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。準地轉(zhuǎn)平衡態(tài)的緩慢變化（演變）過程，稱作準地轉(zhuǎn)演變過程。

2.這兩種過程的基本特征是什么?

地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程是一種快過程，位勢運動顯著，運動基本上是線性的；準地轉(zhuǎn)演變過程是一種慢過程，運動具有準渦旋性質(zhì)，運動是非線性的。

地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程準地轉(zhuǎn)演變過程以勢流為主（輻合輻散顯著）以渦流為主（準渦旋運動）線性過程（平流項可略）非線性過程（平流項不可略）迅速調(diào)整（快過程）緩慢演變（慢過程）

地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程與準地轉(zhuǎn)演變過程區(qū)別大氣中兩種基本動力過程的性質(zhì)ZxL-LOH適應(yīng)過程的物理圖像科氏力強迫作用ZxL-LOH適應(yīng)過程的物理圖像科氏力強迫作用fvv-▽Pfuu正壓適應(yīng)過程的物理圖像地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程快過程重力慣性波的頻散準地轉(zhuǎn)演變過程慢過程Rossby波的頻散時間t非地轉(zhuǎn)能量E地轉(zhuǎn)適應(yīng)時間1/f。大氣中兩種基本動力過程的性質(zhì)正壓適應(yīng)的物理圖像0小時正壓適應(yīng)方程組

奧布霍夫

地轉(zhuǎn)適應(yīng)方程組地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程的定常解地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程快過程重力慣性波的頻散大尺度運動過程的階段性準地轉(zhuǎn)演變過程慢過程Rossby波的頻散時間t非地轉(zhuǎn)能量E地轉(zhuǎn)適應(yīng)時間1/f。羅斯貝最早提出地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程問題時就認為：水平氣壓場的建立乃是水平氣流對科里奧利力的反應(yīng)，在地轉(zhuǎn)關(guān)系重建的過程中，氣壓場適應(yīng)風場。奧布霍夫的計算結(jié)果支持了羅斯貝的觀點。雖然羅斯貝、奧布霍夫都十分強調(diào)地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程中氣壓場適應(yīng)風場，但是古典的“風場適應(yīng)氣壓場”的想法是否就完全不對呢？葉篤正的研究結(jié)果表明：在地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程中，是風場改變得多去適應(yīng)氣壓場，還是氣壓場改變得多去適應(yīng)風場，這決定于初始非地轉(zhuǎn)擾動的水平尺度。地轉(zhuǎn)適應(yīng)與初始擾動尺度的關(guān)系

1、運動性質(zhì)：位勢運動占主導，有很強的水平輻合輻散。2、物理機制：重力慣性外波對非地轉(zhuǎn)擾動能量的頻散。3、數(shù)學模型：奧布霍夫地轉(zhuǎn)適應(yīng)方程組。4、適應(yīng)的速度：主要依賴于重力慣性外波的群速和初始非地轉(zhuǎn)擾動的水平尺度和強度。5、適應(yīng)的方向：L>L。，風場適應(yīng)氣壓場；

L<L。，氣壓場適應(yīng)風場。正壓適應(yīng)過程的重要知識點§10.4斜壓大氣中的地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程

主要內(nèi)容

一、斜壓適應(yīng)過程的定性分析

二、斜壓適應(yīng)方程組的推導

三、斜壓適應(yīng)過程的研究思路

四、斜壓適應(yīng)過程的一般性質(zhì)和特點Baroclinicair(斜壓大氣)Mechanismmodel低低V2V1MechanismmodelFcFpFcFpBaroclinicair(斜壓大氣)低低MechanismmodelBaroclinicair(斜壓大氣)低低MechanismmodelvvFcFcBaroclinicair(斜壓大氣)低低MechanismmodelvvFcW>0FcBaroclinicair(斜壓大氣)低低斜壓適應(yīng)方程組的推導思路1.地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程基本上是線性過程，非線性平流項可略去。2.以渦度方程、散度方程代替水平運動方程，用連續(xù)方程消去熱力學能量方程中w。3.引入流函數(shù)和速度勢，并利用調(diào)和函數(shù)的極值原理，即可得到斜壓適應(yīng)方程組。曾慶存斜壓適應(yīng)過程的基本性質(zhì)和特點1.重力慣性波對非地轉(zhuǎn)擾動能量的頻散是地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程最基本的物理機制，不過正壓大氣中只有重力慣性外波，而斜壓大氣中重力慣性內(nèi)波和外波可以同時存在。這就是說，在斜壓大氣中，除通過整層大氣質(zhì)量的輻合輻散調(diào)節(jié)風場和氣壓場外，還通過鉛直運動調(diào)節(jié)溫度場和風場之間的關(guān)系，使地轉(zhuǎn)適應(yīng)得以實現(xiàn)。此外，穩(wěn)定層結(jié)大氣中才有重力慣性內(nèi)波，不穩(wěn)定層結(jié)大氣中非地轉(zhuǎn)偏差激發(fā)不出重力慣性內(nèi)波，只可能引起慣性對流，因此，此種情況下無斜壓適應(yīng)過程。

斜壓適應(yīng)過程的基本性質(zhì)和特點2.斜壓適應(yīng)的速度依賴于初始非地轉(zhuǎn)擾動的空間尺度和強度，擾動的空間尺度愈大，強度愈強，達到適應(yīng)狀態(tài)的時間愈長。適應(yīng)速度本質(zhì)上是能量被頻散的速度，故適應(yīng)速度還應(yīng)與重力慣性波的群速有關(guān)。由于重力慣性內(nèi)波的最大群速遠小于重力慣性外波的最大群速，所以對于同樣水平尺度的擾動，斜壓適應(yīng)速度比正壓適應(yīng)速度要慢。

3.斜壓適應(yīng)過程中是風場適應(yīng)氣壓場還是氣壓場適應(yīng)風場，仍然決定于擾動的水平尺度和臨界水平尺度之間的關(guān)系。由于重力內(nèi)波的相速遠比重力外波速相小，故相對而言斜壓大氣中氣壓場容易維持些。斜壓適應(yīng)過程的基本性質(zhì)和特點4.斜壓大氣中初始非地轉(zhuǎn)擾動的結(jié)構(gòu)對適應(yīng)結(jié)果有很大影響。這是因為重力內(nèi)波的波速與層結(jié)穩(wěn)定度有關(guān)，平流層中層結(jié)很穩(wěn)定，重力內(nèi)波波速很大，而對流層中相對要小一些，使得高低空適應(yīng)的臨界水平尺度（）不同。因此，同一水平尺度的非地轉(zhuǎn)擾動，若出現(xiàn)在高空，適應(yīng)過程中風場的改變相對要小一些，高空流場容易維持，氣壓場向流場適應(yīng)；若出現(xiàn)在低空，則氣壓場容易維持（除擾動尺度很小外），風場向氣壓場適應(yīng)。

1、運動性質(zhì)：位勢運動占主導，有很強的水平輻合輻散和垂直運動。2、物理機制：重力慣性內(nèi)波對非地轉(zhuǎn)擾動能量的頻散。3、數(shù)學模型：斜壓地轉(zhuǎn)適應(yīng)方程組。4、適應(yīng)的速度：主要依賴于重力慣性內(nèi)波的群速和初始非地轉(zhuǎn)擾動的水平尺度和強度。5、適應(yīng)的方向：L>L。，風場適應(yīng)氣壓場；L<L。，氣壓場適應(yīng)風場。6、對于同一水平尺度的非地轉(zhuǎn)擾動,相對而言，斜壓大氣中氣壓場容易維持，高空流場比低空流場更容易維持。.

斜壓適應(yīng)過程的重要知識點①L<a天氣尺度②D/ζ~

R。<1③W遠比由連續(xù)方程分析要?、苓\動具有渦旋性①L~a超長波尺度②D/ζ

~

1③渦度方程中散度項與β項基本平衡④運動具有準定常性第十一章中緯度大尺度運動的準地轉(zhuǎn)理論中緯度大尺度運動的基本性質(zhì)：

準水平準靜力準地轉(zhuǎn)準水平無輻散準地轉(zhuǎn)過程：

風場與氣壓場基本維持地轉(zhuǎn)平衡的大尺度系統(tǒng)的演變過程第一類：S<R。<1第二類：S<R。~1準地轉(zhuǎn)運動分類無量綱參數(shù)：S=L/a大尺度準地轉(zhuǎn)運動關(guān)于準地轉(zhuǎn)方程組的幾點說明1、成立的條件：準地轉(zhuǎn)準靜力β平面近似2、準地轉(zhuǎn)近似：3、準靜力近似：4、β平面近似：f=f。＋βv5、靜力穩(wěn)定度：在等壓面上取平均值（滿足能量守恒）6、Rossby波的頻散過程7、準地轉(zhuǎn)位渦守恒（11.47）——作業(yè)。8、能量守恒（動能和有效位能）。9、垂直運動是渦度變化維持地轉(zhuǎn)平衡、溫度變化維持靜力平衡必需的?！?1.2準地轉(zhuǎn)方程組維持準平衡準地轉(zhuǎn)方程組Ch.11中緯度大尺度運動的準地轉(zhuǎn)理論歸納總結(jié)重力場的作用使大氣質(zhì)量向靠近地球固定邊界一薄層中堆積，從而制約了鉛直氣壓梯度，限制了大氣運動的鉛直尺度。地球旋轉(zhuǎn)作用制約了水平氣壓梯度，限制了大氣運動的水平速度尺度。地球和太陽幾何位置相對固定，使地球南北接受的太陽輻射能受到限制，從而制約了大氣的水平速度尺度。以上地球大氣的固有條件使得中緯度大尺度運動表現(xiàn)為一種緩慢的渦旋運動，根據(jù)泰羅－佛羅德曼定理可以推論出它必然具有準水平、準地轉(zhuǎn)的特征。fvv正壓大氣中非地轉(zhuǎn)渦旋的適應(yīng)過程-▽P第17講斜壓大氣中的地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程一.斜壓適應(yīng)過程的定性分析(一)斜壓適應(yīng)的基本概念(二)斜壓適應(yīng)的物理圖像(三)斜壓適應(yīng)的物理機制二.斜壓適應(yīng)方