第6章中纬度天气系统动力学 HHHMHMHHHMHNNNHMMHNNNHHHMMNNNMHHNNHHHHNNNNHNHMNNNHHMMHNPHHHNHNHMHMNNNHHHMHMNNHHH 1、大气的层结特征 2、中纬度天气系统的结构 3、建立中纬度天气系统的动力学理论:准地转理论 a)垂直向运动满足(准)静力平衡 b)水平向运动满足(准)地转平衡 c)流体运动(准)不可压 d)运动近似绝热,流点位温和位势涡度守恒 流体运动的三维速度场和扰动温度场等物理量均决定于位势高度场 用准地转理论解释中纬度天气系统的结构,研究温度平流和涡度平流在 中纬度天气系统的发生发展过程中的作用
第 6 章 中纬度天气系统动力学 1、大气的层结特征 2、中纬度天气系统的结构 3、建立中纬度天气系统的动力学理论：准地转理论 a) 垂直向运动满足（准）静力平衡 b) 水平向运动满足（准）地转平衡 c) 流体运动（准）不可压 d) 运动近似绝热，流点位温和位势涡度守恒 流体运动的三维速度场和扰动温度场等物理量均决定于位势高度场 4、用准地转理论解释中纬度天气系统的结构，研究温度平流和涡度平流在 中纬度天气系统的发生发展过程中的作用
§1大气层结与静力稳定度 HHHHHNE國■ HHdNHHHHHdN b■MHHH■ HHNNHL■MMM■ MHMNNHHHHHNN■ HHHdHNHHHHMNHHHHNHMNHHHH 考虑静止大气:≡0:p0,P,T,日 ap po g 0 at ap ax P08 oz 气压仅仅是高度z的函数,因重力而引起 根据状态方程和位温方程,有 Po=Po(a,Po=Plz), T=T(, 0=0(z, 一般将大气的热力学状态随z的分布,称为大气的层结特征。显然,若无重力, 所有热力学变量均与z无关。这说明,正是地球引力场造成了空间的非均匀性, 从而导致了热力学变量与z有关
§1 大气层结与静力稳定度 考虑静止大气： 0 0 ρ 0 0 θ 0 v ≡ : p , , T , 0 1 0 0 − ∇ p + g = ρ g z p y p x p 0 0 0 0 0 0 = − ρ ∂∂ = ∂∂ = ∂∂ , , 0 0 = ∂ ∂ t ρ 气压仅仅是高度 z 的函数，因重力而引起. 根据状态方程和位温方程，有 p p (z), (z),T T (z), (z), 0 = 0 ρ 0 = ρ 0 0 = 0 θ 0 =θ 0 一般将大气的热力学状态随z的分布，称为大气的层结特征。显然，若无重力， 所有热力学变量均与z无关。这说明，正是地球引力场造成了空间的非均匀性， 从而导致了热力学变量与 z 有关
§1大气层结与静力稳定度 热力学能量方程化为 90 即所有的非绝热加热处于热平衡状态中。正是这种辐射平衡决定了温度场和其它 热力学场的空间分布。 臭氧:臭氧主要分布在平流层中层 2、二氧化碳:二氧化碳在中间层顶以下是充分混合的。 3、水汽:水汽主要分布在对流层低层 4、云 5、大气运动
§1 大气层结与静力稳定度 热力学能量方程化为 Q = 0 即所有的非绝热加热处于热平衡状态中。正是这种辐射平衡决定了温度场和其它 热力学场的空间分布。 1、臭氧：臭氧主要分布在平流层中层， 2、二氧化碳：二氧化碳在中间层顶以下是充分混合的。 3、水汽：水汽主要分布在对流层低层 4、云 5、大气运动
100 100 90 80 80 70 70 WINTER UMMER 60 60 WINTER SUMMER 50 50 40 40 20 10 SUMMER& 300 2×10 4× T(deg k) N2(sec-2)
Z(km) T(deg k) N2(sec –2) 2×102 4 ×104
⑥⑤國 October 79 October 80 October 8 Octobor 83 October 84 6/( October 85 October 86 October 87 October 88 October 89 October 90 October 91 De Lober 92 October 93 NASA/GSFC: TOMS TOTAL OZONE MONTHLY AVERAGES Dobson Unit
大气层结特征: §1大气层结与静力稳定度 HHHMHMNHHMMNNNHHMHNNNHHHMMNMHHMHNNHHHHNNNNHMHMNNNHHMMHNPNHHNNNHHHMMNPHHHMHMNNHHH 1、气压随高度变化特征 R1--大气标高,可近 g似看成常数 RT H 在垂直方向经过10公里气压 的改变能达到本身的量级 2、密度随高度变化特征 ap P 0T。 P 1 a P T。 10-5 1。109<0在垂直方向经过10公里密 ap。Oz 度的改变能达到本身的量 级
大气层结特征： §1 大气层结与静力稳定度 RT H g z p p o o o 1 1 = − = − ∂ ∂ g RT H 0 = ---大气标高，可近 似看成常数。 在垂直方向经过10公里气压 的改变能达到本身的量级 o o o o o o o o o z T p p z T z T p z p Γ + ∂ ∂ = ∂ ∂ − ∂ ∂ = ∂ ∂ 1 1 ρ 1 1 ρ 1、气压随高度变化特征 2、密度随高度变化特征 m z T To T ~ 10 / 1 0 5 0 − ∂ ∂ = − Γ 0 1 1 < ∂ ∂ ≅ ∂ ∂ z p z p o o o o ρ ρ 在垂直方向经过10公里密 度的改变能达到本身的量 级
§1大气层结与静力稳定度 HHHMHMNHHMMNNNHHMHNNNHHHMMNMHHMHNNHHHHNNNNHMHMNNNHHMMHNPNHHNNNHHHMMNPHHHMHMNNHHH 3、位温随高度变化特征 06 aTo 1 apo r 8. az T az g 1o 0.98K/100m 在垂直方向经过10公里位温 的改变不能达到本身的量级 大气质点的干绝热递减率
§1 大气层结与静力稳定度 = ( ) Γ − Γ Γ = − ∂ ∂ − ∂ ∂ = ∂ ∂ d p p T c T g T c R z p z p T z T 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 θ 1 1 θ 3、位温随高度变化特征 K m c g p d Γ = = 0.98 /100 在垂直方向经过10公里位温 的改变不能达到本身的量级 大气质点的干绝热递减率
层结稳定度 §1大气层结与静力稳定度 HHHMHMNHHMMNNNHHMHNNNHHHMMNMHHMHNNHHHHNNNNHMHMNNNHHMMHNPNHHNNNHHHMMNPHHHMHMNNHHH 稳定度的概念:物理系统受到外界扰动后,它仍维持在受扰前的状态附近, 我们称它为稳定系统;它远离其受扰前的状态,则称此物理状态是不稳定 的 稳定系统 不稳定系统
层结稳定度 §1 大气层结与静力稳定度 稳定度的概念：物理系统受到外界扰动后，它仍维持在受扰前的状态附近， 我们称它为稳定系统；它远离其受扰前的状态，则称此物理状态是不稳定 的。 稳定系统 不稳定系统
§1大气层结与静力稳定度 HHHMHMNHHMMNNNHHMHNNNHHHMMNMHHMHNNHHHHNNNNHMHMNNNHHMMHNPNHHNNNHHHMMNPHHHMHMNNHHH 层结(静力)稳定度:在层结大气中, 若空气质点受到扰动在垂直方向发生 位移,若该质点仍将返回原来的平 z+△z 衡位置,则称此种层结大气是稳定的。 若质点继续远离平衡位置,则称此种 大气层结是不稳定的。 判据推导: 假定1、流点运动足够的快,非绝热加热可忽略 2、流点的运动又足够的慢,流点气压始终等于环境大气气压 g gtg=g 0-b 阿基米德浮力 g g
§1 大气层结与静力稳定度 z + Δz z 层结（静力）稳定度：在层结大气中， 若空气质点受到扰动在垂直方向发生 一位移，若该质点仍将返回原来的平 衡位置，则称此种层结大气是稳定的。 若质点继续远离平衡位置，则称此种 大气层结是不稳定的。 判据推导： 假定 1、流点运动足够的快，非绝热加热可忽略； 2、流点的运动又足够的慢，流点气压始终等于环境大气气压 z p g dt dw ∂∂ = − − 1 0 ρ ρ ρ ρ ρρ 0 − 0 = −g + g = g dt dw 0 0 0 0 θ θ −θ = − − = − g T T T g dt dw 阿基米德浮力
不可压流体: §1大气层结与静力稳定度 HHHMHMNHHMMNNNHHMHNNNHHHMMNMHHMHNNHHHHNNNNHMHMNNNHHMMHNPNHHNNNHHHMMNPHHHMHMNNHHH 在z+8流点密度: =+)=p(=) 在+上环境密度:p(z+△)=p()+9a a=-g-1l|=-N2l 稳定性判据: 稳定 g ap 0中性 不稳定 这说明,对不可压压流体,若是重流体在上,轻流体在下,这种流体层结是 不稳定的,反之是稳定的。如,油在水面上,是稳定的,水在油上是不稳定的
§1 大气层结与静力稳定度 (z z) (z) ρ + δ = ρ 0 不可压流体： ( ) () z z z z z Δ ∂∂ + Δ = + 0 0 0 ρ ρ ρ 在 流点密度： z + δz 在 环境密度： z + δz z N z z g dt d z δ δ ρ ρ δ 0 2 0 2 2 1 = − ⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛ ∂∂ = − − M 0 2 N = z g N ∂ ∂ = − 0 0 2 ρ ρ 稳定性判据： 稳定 中性 不稳定 这说明，对不可压压流体，若是重流体在上，轻流体在下，这种流体层结是 不稳定的，反之是稳定的。如，油在水面上，是稳定的，水在油上是不稳定的