大气运动的基本规律V(南京信息工程大学大气概论)详解.ppt

即得大气运动中的连续方程： 或 称为质量散度，即单位体积内流体的净流出量。净流出时散度为正，净流入时为负。 可以清楚的看出，固定在空间的单位体积内流体的净流出量，等于该单位体积内流体质量的减小。 热力学能量方程 按照热力学观点，大气是热机系统，冷热源汇的不均匀分布会引起大气运动。实际大气运动是动力学过程与热力学过程相互制约的。 对于一空气块而言，热力学第一定律（能量方程）可描述为：空气块的热力学能量（内能加动能）的变化率等于加热率加上外力对（流体元）空气块作功率。 假定空气是理想气体： 熵 ，且 （Q表示外界加热） 根据位温定义： 为定容比热 为定压比热 为比容 热力学能量方程 局地直角坐标系中大气运动的基本方程组 通过尺度分析，保留大项，略去小项，可以使方程得到简化。 （尺度分析是针对某种类型的运动估计基本方程各项量级的一种简便方法。） 零级简化，就是只保留方程中数量级最大的各项，而其他各项都略去不计。 大尺度系统的运动方程 大尺度运动方程的零级简化方程 4.4 风场和气压场的关系 地转平衡关系 水平运动方程的零级简化方程表示了对于中纬度天气尺度运动来说，在水平方向上地转偏向力和气压梯度力平衡，这一关系式称为地转平衡方程。 满足地转平衡关系的风称为地转风 地转平衡和地转风讨论： （1）地转平衡只有在中纬度自由大气的大尺度系统中，当气流呈水平（无垂直）直线（无弯曲）运动且无摩擦时才能成立。这种条件在实际大气中经常不能满足。因此，地转平衡只能看成是一种近似关系，绝对的地转平衡并不存在。 （2）在赤道（φ=0）水平地转偏向力等于零（因sinφ=0）,不能建立地转平衡关系，不存在地转风。 （3）地转风速大小与水平气压梯度力成正比。水平气压梯度力越大在天气图上表现为等压线密集，则表示该地区地转风较大，因而实际风也较大。 （4）地转风与等压线平行，在北半球北风而立，高压在右，低压在左。 （5）地转风速大小与纬度成反比。 第三讲完 第三章 大气运动的基本规律 王文 李栋梁 大气科学学院 主要内容 4.1 研究大气运动的主要坐标系 4.2 决定大气运动的主要因子和作用力 4.3 描写大气运动的物理定律 4.4 风场和气压场的关系 4.1 研究大气运动的主要坐标系 坐标系的建立 先暂不考虑地球公转的影响，仅考虑自转， 则坐标原点为地球球心的坐标叫惯性（绝对）坐标系。 气象中主要使用非惯性坐标系，即相对坐标系。 人类（气象观测员、百叶箱）在地球表面取一点，O作为坐标原点，过O点的纬圈切线指向东为X轴，过经线的切线指向北为Y轴，由O-XY组成了通过O点的切平面。由地心O’与地球表面O点连线指向天顶为Z轴。O-XYZ围绕地轴在旋转，称为旋转坐标系，即非惯性坐标系、相对坐标系、局地直角坐标系、Z-坐标系。 局地直角坐标系忽略了地球的曲面性。 4.2 决定大气运动的主要因子和作用力 牛顿第二定律：（单位质量的气团） 成立条件：绝对（惯性）坐标系 这里所指的力是真实作用于大气的力，包括气压梯度力、摩擦力、地心引力。 风速 －－相对于地球的相对速度 －－取地球作为参照系更为方便 －－地球是旋转的，具有加速度 －－非惯性坐标系 －－牛顿第二定律不能直接应用 对于相对自转地球的大气运动而言，单位质量空气块的相对运动加速度，除决定于基本作用力外，还决定于由于坐标系随地球一起旋转所呈现出的视示力，包括同地球旋转有关的惯性离心力和地转偏向力。 在基本作用力中包含视示力，牛顿第二定律仍然适用于随地球一起旋转的非惯性参考系。 气压梯度力 大气中任一微小的气块都被周围的大气包围着，因而气块的各个表面都受到周围气压的作用。 当气压分布不均匀时，气块就会受到一种净压力的作用，作用于单位质量气块上的净压力称为气压梯度力。 把气块视为一个微立方体，取局地直角坐标系，其体积为 B面压力： A面压力： (负号表示其方向与x方向相反) 作用于气块上的气压梯度力的x分量 X方向上周围大气作用于体积元上的净压力为两力之和： 同理，y方向作用于体积元上的净压力为： z方向作用于体积元上的净压力为： 作用于体积元上的总净压力为三者的向量和 设气块的密度为ρ，该体积元所含大气质量为m=ρδxδyδz，作用于单位质量气块上的净压力，即气压梯度力为： 式中 是由气压分布不均匀而造成的气压梯度。 气压梯度力是与气