第三章 青藏高原大气动力学基础
青藏高原对大气环流的影响复习过程
青藏高原对大气环流的影响青藏高原对大气环流的影响《中国自然地理教学参考书》主编：聂树人单树模常剑峤山东教育出版社1987.济南青藏高原对大气环流影响主要是两个方面：一是热力作用，主要从冷热原的角度讨论青藏高原对天气，气候的影响；二是机械的动力作用，这种动力作用影响范围很宽广，从局部环流到长波以至超至长波都受到地形牵制。
这种作用主要是通过地形迫使气流爬越它或绕过它而产生，青藏高原是一个东西长的椭圆体。
长轴基本上顺风向，气流绕行的部分就会更重要些。
（1）青藏高原的热力作用为了从冷热源角度来讨论青藏高原对天气，气候的作用，应首先了解高原冷热源情况。
下面根据叶笃正《青藏高原气候学》“引论”介绍如下：关于青藏高原冷热源问题，过去有过不少人讨论。
但由于计算方法不同，不但结果不同，也涉及到对从冷热源定义的问题。
总的来说，有两种定义：一种是从下垫面出发，如果某地区源。
但这种热量不一定都能用于本地区的大气。
有一部分或大部分可以输送本区以外的大气。
第二种定义是：在某个月里，某个地区的大气柱内有净能量的收入（通过运动从侧边界流出的能量不计在内，）则在这个月这个地区的大气称为热源，有净能量支出，称为冷源。
第二种定义的冷热源暂称为地面冷热源，第二种称为大气的冷热源。
从地面有三种能量可以输送给大气：一种是地面有效辐射，一种是潜热，一种是湍流感热。
高原上三者之和见表3—1 表3-1高原平均地面向大气输送的总热量从上表可以看出，全年平均，高原的每平方厘米的每天向大气输送约344卡的热量。
从布特科年平均蒸发潜热及湍流感热分布图可看出，两者全年最大值皆发生在北美东岸沿海（北纬40度，西经60度区域），它们分别为120和50千卡·厘米-2·年-1.青藏高原这种冷热源作用对大气环流的影响，在夏季，除机械动力作用外，更重要的是通过热力作用。
一些研究者指出，高原的剧烈辐射效应以及高原南部和东南部的凝结潜热释放，使夏季青藏高原成为一巨大热源。
大气科学导论第三章大气运动1
视示力：科氏力和惯性离心力
f 2sin ~ 2 7.292105 sin 450 ~ 104 f1 2 cos ~ 2 7.292105 sin 450 ~ 104
大气运动方程的分量形式
du
1 p
dt Fx x fv f1w
dv dt
Fy
1
p y
标架方向固定
2、 重力只出现在 z方向 重力一般在水平面上也有分量
在中高纬度地区，当所考虑范围不是很大时， 切平面与球面差别不是很大，两坐标系的区别也 不大。但在高纬或极地附近二者的区别明显。
局地直角坐标系：
在一个不大的范围内，又可以将（x, y, z）的方 向看成不变； 考虑全球范围或极地地区的大气运动问题时必须 采用球坐标系，其余情况采用局地直角坐标系。
2、若等压线为圆形，且中心气压高，向外降低， 称为“高压”。在 无摩擦情况下：
地转偏向力
气压梯度力
P1 P0
惯性离心力
V
地转偏向力 + 惯性离心力 + 气压梯度力 = 0
此平衡称为“梯度风平衡”，此时的风称为“梯度风”。
北半球，高压中，风呈顺时针旋转，称为“反气旋”
3、若等压线为圆形，且中心气压低，向外升高，
D V Vg 称为 “地转偏差”
地转偏差，指向摩擦力的右侧，且与之垂直， 指向低压一侧
Байду номын сангаас
地转偏差的作用：
低压
高压
辐合 上升运动 恶劣天气
辐散 下沉运动
好天气
思考题
1. 旋转参考系中运动方程的矢量形式？ 2. 地球旋转（自转）会产生哪些力？ 3. 为什么地球不可能是一个绝对球体？ 4. 在赤道上，水平运动有没有科氏力？ 5. 惯性离心力是怎么产生的？如果空气微
青藏高原与大陆动力学地体拼合、碰撞造山及高原隆升的深部驱动力
青藏高原与大陆动力学地体拼合、碰撞造山及高原隆升的深部驱动力一、本文概述青藏高原，被誉为“世界屋脊”，其壮丽的自然景观和独特的地质构造吸引了全球科学家的目光。
作为地球上最大、最高的高原，青藏高原的形成和演变过程涉及了复杂的地壳运动和动力学过程。
本文旨在深入探讨青藏高原与大陆动力学地体拼合、碰撞造山及高原隆升的深部驱动力，以期更好地理解这一重要地质现象的本质和机制。
文章将首先概述青藏高原的基本地质特征和构造格局，包括其形成的历史背景、主要的地体拼合事件以及碰撞造山过程。
在此基础上，文章将深入探讨青藏高原隆升的深部驱动力，包括地壳增厚、地幔对流、板块俯冲等因素的作用。
通过对这些深部驱动力的详细分析，文章将揭示青藏高原隆升的地质过程和机制，以及这些过程对区域乃至全球地质环境和气候变化的影响。
本文还将关注青藏高原与大陆动力学地体拼合、碰撞造山过程中的岩石圈、软流圈以及地幔等深部结构的变化，探讨这些变化如何影响青藏高原的隆升和地质演化。
通过综合研究，文章将提出新的观点和认识，为理解青藏高原乃至全球大陆动力学过程提供新的思路和方法。
本文旨在全面、深入地探讨青藏高原与大陆动力学地体拼合、碰撞造山及高原隆升的深部驱动力，以期为推动地球科学领域的发展做出贡献。
二、青藏高原与大陆动力学地体拼合青藏高原的形成与演化，深受大陆动力学地体拼合的影响。
地体拼合是指不同地块或地体在构造应力的作用下，通过断裂、滑脱、碰撞等过程，最终合并形成一个更大规模的构造单元。
这一过程不仅塑造了青藏高原现今的地貌格局，也深刻地影响了区域乃至全球的气候、生物和环境。
在地质历史的长河中，青藏高原经历了多期的地体拼合事件。
其中最具代表性的是印度板块与欧亚板块的碰撞拼合。
这一事件发生在约50 Ma前，印度板块向北俯冲，与欧亚板块发生碰撞，导致了青藏高原的快速隆升和变形。
这次拼合事件不仅形成了青藏高原的主体部分，也奠定了高原现今的基本构造格局。
青藏高原的形成还与其他地体拼合事件密切相关。
动力气象学第3章
（一）正压大气和斜压大气 “流体力学”中正压流体和斜压流体 ：
正压流体：密 气度 压仅 的仅 函 ＝ 是 f数 （P)， 斜压流＝ 体 f(P ： ,T,盐度 ）
力管项：
P
正压流体： 等压面平行于等容 面，力管项为0
斜压流体： 等压面与等容面相 交，力管项不为0
a) 中纬度大尺度运动：
f0~1 0 4s,V~110ms
L~106m
R0
V ~101 f0L
1
——准地转
b) 中纬度中小尺度运动：
f0~1 0 4s,V~110ms
L~105m
R0
V f0L
~100
——非地转
c) 热带大尺度运动：
f0~1 0 5s,V~110ms
L~106m
－－热力过程相对应；
（二）热成风
地转风，Z坐标：
Vg
1
f
k P，
取决于P－－与等压面的坡关度有
若不同高度上的等压都面平行，
则各高度上V的g都相等。
热成风为零，反之亦然
等压面上温度分布均匀
－－正压大气情形，密度仅仅和气压有关
P+与P-之间二个气 柱重量相同，密度 相同
－－高度也相同
对方程组进行尺度分析：
二、运动Байду номын сангаас程的尺度分析
u u u v u w u 1 p ~ fw f v 2 u t x y z x
V T
10-4
V2 L
10-4
VW H
10-5
f V 1 h P
0 L
cha3 青藏高原大气动力学基础 《高原气象学进展》课件
• 简述与动力学研究密切相关的数值试验方法在青藏高 原地区应用的基本情况、遇到的主要困难。
3.1 坐标系和基本方程组
• 3.1.1 局地直角坐标系 • 3.1.2 气压坐标系 • 3.1.3 对数压力坐标系 • 3.1.4 柱坐标系 • 3.1.5 球坐标系 • Eta坐标系
3.4 数值试验与模拟
• η模式 • MM4, MM5
第三章 青藏高原大气动力学基础
关键词：垂直坐标，湿位涡，倾斜涡度发展，大圆理论， 非线性波动分析，螺旋度，地形处理
• 讨论用动力学方法研究青藏高原大气所涉及的一些基 本问题，这些问题构成了用动力学观点和方法研究青 藏高原大气运动的理论基础。
• 诸如坐标系和方程组的选取、方程组的简化、动力学 下边界条件的处理等；
第三章 动力作用分析
绕流 若Z为地形高度，则Vf和局地的高度梯度 垂直， Vf | ▽Z Vf ·▽Z=0 V×▽Z= Vf ×▽Z
爬流 Vc沿局地高度梯度爬升。 Vc // ▽Z Vc×▽Z=0 V ·▽Z= Vc ·▽Z
如何确定Vf 和 Vc？
尺度分析
运动的水平尺度： L=1000m Z<=1000m 准水平、准地转 L=1000m Z>30*1000m 扰流；或爬流，非
山爬流明显，在近似椭圆形状的高原，绕流 明显。 事实：飞机模型、D车 • 与气流强度和层结稳定度有关： （季节性变化）高原夏季绕流作用大，冬 季绕流和爬流都大，与西风气流强弱有关。 事实：赛车
垂直方向 等）
w=V·▽Z（数值预报、诊断分析 Vf+Vc=V
倾斜方向产生爬坡风分量（Vc），气流被 强迫抬升，爬越山体而行。水平方向产生 绕流风分量（Vf），水平围绕山体而行，气 流分支。 Vf及Vc间的相对比例一直是一个 争论不休的复杂问题。
高原（大地形）影响大气的三种方式
1、动力作用 2、热力作用 3、动力+热力的作用
所谓大地形的动力作用：
1.纯粹由机械阻挡气流和摩擦引起的，这可 以认为是纯粹的动力作用；
动力影响:气流遇山会受阻、 减速、分支、变向
2.地形造成的抬高引起冷热源，这实际上可 归为热力作用； 3.由大地形造成摩擦分布不均匀而引起的。
青藏高原动力作用
主要内容
1.大地形作用 2.高原影响大气的方式——阻挡作用 3.高原影响大气的方式——地面摩擦影响
• 重点：大地形的动力作用 • 难点：西南低涡的倾斜涡度发展机制
各种尺度地形的一般作用
地球上的山脉对地球大气有重要的影响。不 但能影响山区及其邻近地区的天气和气候， 而且对大范围地区，甚至半球的天气和气候 有重要的影响。山脉对大气影响的程度，一 方面取决于大气的状态，另一方面取决于山 脉本身的特征（长度、宽度、高度等）。
大气动力学教学大纲
《大气动力学》教学大纲第0章引论第一章大气运动的基本方程组§1. 旋转坐标系下的动量方程§2. 连续性方程§3. 热力学能量方程§4. 闭合方程组及其初边值条件§5. 球坐标系§6. 局地直角坐标系§7. P坐标系第二章自由大气中的平衡运动§1. 自然坐标系§2. 地转平衡与地转风§3. 梯度平衡与梯度风§4. 旋转平衡与旋转风§5. 惯性平衡与惯性风§6. 地转风随高度的变化：热成风§7. 地转偏差与垂直运动第三章大气中的涡旋运动§1. 环流定理§2. 涡度与涡度方程§3. 位势涡度方程§4. 散度与散度方程第四章大气边界层§1. 雷诺平均运动方程组§2. 行星边界层§3. 次级环流与旋转减弱§4. 地形上空的边界层(I) 均质流体§5. 地形上空的边界层(II) 层结流体第五章中纬度天气系统动力学§1. 大气层结与层结稳定度§2. 中纬度天气系统的结构：观测事实§3. 天气尺度系统的尺度分析§4. 准地转位势倾向方程§5. 方程§6. 发展中的斜压系统的理想模式第六章大气中的波动§1. 波动的基础知识§2. 摄动方法§3. 大气声波§4. 浅水重力波§5. 重力内波§6. Rossby波第七章大气波动的稳定度§1. Rossby波的正压不稳定§2. 斜压不稳定§3. Eady波§4. 两层模式中的斜压不稳定波第八章大气中的非线性过程§1. 非线性波与孤立波§2. 大气孤立波§3. Lorenz混沌系统主要参考书目:1、Holton, J. R., An Introduction to Dynamic Meteorology, 4th Edition, Academic Press,2004.2、刘式适、刘式达编著《大气动力学》上册3、杨大升等编著《动力气象学》4、伍荣生等，《动力气象学成绩构成：作业20％；报告，口试20％；期终考试60％大气动力学名词、思考题、习题和文献阅读一、名词f-平面 -平面正压大气斜压大气地转风梯度风热成风地转偏差自由大气边界层Ekman泵旋转减弱Ekman螺旋线气旋反气旋大气层结包辛尼斯克近似大气标高Rossby数Ekman数基别尔数层结稳定度惯性稳定度静力平衡地转平衡梯度平衡正压不稳定斜压不稳定白贝罗定律准不可压缩二、思考题1．考虑地球自转后，牛顿第二定律的形式如何？写出科氏力和惯性离心力的表达式。
大气动力学教学大纲
《大气动力学》教学大纲第0章引论第一章大气运动的基本方程组§1. 旋转坐标系下的动量方程§2. 连续性方程§3. 热力学能量方程§4. 闭合方程组及其初边值条件§5. 球坐标系§6. 局地直角坐标系§7. P坐标系第二章自由大气中的平衡运动§1. 自然坐标系§2. 地转平衡与地转风§3. 梯度平衡与梯度风§4. 旋转平衡与旋转风§5. 惯性平衡与惯性风§6. 地转风随高度的变化：热成风§7. 地转偏差与垂直运动第三章大气中的涡旋运动§1. 环流定理§2. 涡度与涡度方程§3. 位势涡度方程§4. 散度与散度方程第四章大气边界层§1. 雷诺平均运动方程组§2. 行星边界层§3. 次级环流与旋转减弱§4. 地形上空的边界层(I) 均质流体§5. 地形上空的边界层(II) 层结流体第五章中纬度天气系统动力学§1. 大气层结与层结稳定度§2. 中纬度天气系统的结构：观测事实§3. 天气尺度系统的尺度分析§4. 准地转位势倾向方程§5. 方程§6. 发展中的斜压系统的理想模式第六章大气中的波动§1. 波动的基础知识§2. 摄动方法§3. 大气声波§4. 浅水重力波§5. 重力内波§6. Rossby波第七章大气波动的稳定度§1. Rossby波的正压不稳定§2. 斜压不稳定§3. Eady波§4. 两层模式中的斜压不稳定波第八章大气中的非线性过程§1. 非线性波与孤立波§2. 大气孤立波§3. Lorenz混沌系统主要参考书目:1、Holton, J. R., An Introduction to Dynamic Meteorology, 4th Edition, Academic Press,2004.2、刘式适、刘式达编著《大气动力学》上册3、杨大升等编著《动力气象学》4、伍荣生等，《动力气象学成绩构成：作业20％；报告，口试20％；期终考试60％大气动力学名词、思考题、习题和文献阅读一、名词f-平面 -平面正压大气斜压大气地转风梯度风热成风地转偏差自由大气边界层Ekman泵旋转减弱Ekman螺旋线气旋反气旋大气层结包辛尼斯克近似大气标高Rossby数Ekman数基别尔数层结稳定度惯性稳定度静力平衡地转平衡梯度平衡正压不稳定斜压不稳定白贝罗定律准不可压缩二、思考题1．考虑地球自转后，牛顿第二定律的形式如何？写出科氏力和惯性离心力的表达式。
大气物理学第三章第一节解读
正方
向
P P dz
z
dz dA
P 质量力和表面力
P P(x, y, z) P(z dz) P(z) dP P(z) P dz
z
重力与压强梯度力相平衡
(P dP) PdA gdzdA
(P
P z
dz)
PdA
gdzdA
P g
z
结论：
1. 当dz>0时，dp<0，说明随高度的增加气压是下降的。
静力学方程是在假设大气处于相对静止的条件下求得的， 但实践证明，除了有强烈对流运动的山区或强对流天气 系统以外，它可以相当准确地应用于运动大气。
假设压强只是高度的函数, P=P(z); 或者我们只关心压强在 垂直方向的分布, P=P(x,y,z)
已知动力条件:气块铅直方向相对静止. 求 dP 或 P 或P(z) .
在做天气分析时，需要绘制地面天气图， 在海平面图上绘等压线，因各气象观测站 高度不同，所测得的气压值，不能进行比 较，因此必须将各站所测得的气压值一律 订正到海平面高度。
多年平均 1 月份 地面气压分布
多年平均 1 月份 海平面气压分布
三、压高公式
静力平衡方程的一个应用，估计气压与高度的关 系。
2．因g随高度的变化很小，所以气压随高度的增加而降低的快慢主要 取决于空气的密度。密度大的气层，气压随高度的增加降低得快， 密度小的气层，气压随高度的增加降低得慢。
3. 任意高度处的气压等于从该高度向上到大气上界的单位截面 积垂直气柱的重量。
积分，
P g
z
P2 dP z2
P1
z1
gdz
1 P g
t (C) 0 20 8.0 8.6 16.0 17.2 80 85.8
《大气科学基础》复习大纲教学内容
《大气科学基础》复习大纲《大气科学基础》复习大纲大气动力学基础作用于空气的力：重力、气压梯度力、地转偏向力、摩擦力其中)(-k zp j y p i x p p ρρρ∂∂+∂∂+∂∂-=∇地转偏向力：V C ρρρ⨯Ω-=2科里奥利系数：φsin 2Ω=f 科里奥利力在各方向的分量：φφφφ cos u 2 z cos u 2 - y cos w 2 - sin v 2 x Ω=Ω=ΩΩ= 忽略摩擦，标准坐标系的动量方程为：g - cos u 2 z p 1 - dt dw sin u 2 - yp 1- dt dv cos w 2 - sin v 2 x p 1 - dt du φρφρφφρΩ+∂∂=Ω∂∂=ΩΩ+∂∂= 简化后：ρρρρg - p g - z p 1 - 0fu - yp 1 - dt dv fv x p 1 - dt du =∂∂∂∂=∂∂=+∂∂=z 连续方程：00)(0)(=∇+=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=∇+∂∂v dtd zw y v x u z w y v x u t V t ρρρρρρρρρρρ 速度散度的意义：dt d dt d v z w y v x u v ααρρ11-==∇∂∂+∂∂+∂∂=∇ρρ，ρα1=为比容单位时间质量的变化率：，流出辐散，质量减少，，流入辐合，质量增加，0000>∇<<∇>v dtd v dt d ρρρρ 单位时间体积的变化率：，缩小辐合，体积减少，，膨胀辐散，体积增加，0000<∇>>∇>v dtd v dt d ρραα 水平速度散度和垂直速度的关系： 对不可压缩大气有：0=dtd ρ，即0=∇v ρ 则：zw y v x u z w y v x u ∂∂=∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂-0，有，加强上升运动，垂直速度随高度增大，水平辐合，，减弱上升运动，垂直速度随高度减小，水平辐散，0000>∂∂<∂∂+∂∂<∂∂>∂∂+∂∂z w y v x u z w y v x u 大气中的平衡运动：地转风：在水平气压梯度力与水平地转偏向力达到平衡的风，无加速度、无摩擦的空气水平运动梯度风是水平气压梯度力、水平地转偏向力和惯性离心力三者相平衡时的风。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关键词：垂直坐标，湿位涡，倾斜涡度发展，大圆理论， 非线性波动分析，螺旋度，地形处理
• 讨论用动力学方法研究青藏高原大气所涉及的一些基 本问题，这些问题构成了用动力学观点和方法研究青 藏高原大气运动的理论基础。
• 诸如坐标系和方程组的选取、方程组的简化、动力学 下边界条件的处理等；
• 介绍国内外比较新的ห้องสมุดไป่ตู้可用于高原大气研究的诊断方 法和动力学分析方法；
• 简述与动力学研究密切相关的数值试验方法在青藏高 原地区应用的基本情况、遇到的主要困难。
3.1 坐标系和基本方程组
• 3.1.1 局地直角坐标系 • 3.1.2 气压坐标系 • 3.1.3 对数压力坐标系 • 3.1.4 柱坐标系 • 3.1.5 球坐标系 • Eta坐标系
3.4 数值试验与模拟
• η模式 • MM4, MM5 • WRF • AREM（改进的η模式 ） • ReGCM3
3.2 尺度分析和方程组简化
• 3.2.1 z坐标系大气运动的简化方程组 • 3.2.2 p坐标系大气运动的简化方程组 • 浅水方程组（浅水模式）
3.3 动力学诊断分析方法及进展
• 3.3.1 Q矢量（ω方程） • 3.3.2 E－P通量（矢）和无加速原理 • 3.3.3 动能平衡方程（K, KΧ, KΨ, APE, CAPE） • 3.3.4 湿位涡（MPV）方程和位势散度（2D, 3D）方程
• 湿位涡（MPV）的单位和量级与位涡（PV）相同
• 3.3.5 全型垂直涡度方程和倾斜涡度发展（SVD） • 3.3.6 条件对称不稳定（CSI）：大尺度，中尺度 • 3.3.7 Ekman抽吸（泵）：质量补偿，二级环流、感热泵和旋转减
弱 • 3.3.8 球面上Rossby波的经向频散－大圆理论 • 3.3.9 非线性波动分析的级数展开法