高等大气动力学Rossbywave
大气Rossby长波理论的建立和发展

大气Rossby长波理论的建立和发展
陈国森;王林;陈文
【期刊名称】《气象科技进展》
【年(卷),期】2012(002)006
【摘要】大气Rossby波的发现和大气长波理论的建立在大气科学发展过程中起着非常重要的作用,它不但对大气动力学和气候动力学研究具有里程碑式的意义,而且奠定了数值天气预报的理论基础,在某种程度上使气象学成为一门真正意义的科学.简要回顾并讨论了罗斯贝本人是如何发现Rossby波及推导出大气长波相速度公式的过程,着重分析了大气长波理论在20世纪四五十年代的主要发展过程,力图展现罗斯贝在提出大气长波理论中所表现出的高度物理直觉和对现实的抽象、建模能力.希望对当今的大气科学研究有所借鉴,对气象科研工作者有所启发.
【总页数】5页(P50-54)
【作者】陈国森;王林;陈文
【作者单位】中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心,北京100190;中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心,北京100190;中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心,北京100190
【正文语种】中文
【相关文献】
1.热带大气中30~60天低频振荡的CISK-Rossby波理论 [J], 罗德海
2.中层大气受迫Rossby波包的非线性相互作用:I.理论分析 [J], 熊建刚;易帆
3.从Rossby波能量频散理论到准定常行星波动力学研究的发展 [J], 黄荣辉;皇甫
静亮;刘永;杜振彩;陈国森;陈文;陆日宇
4.中层耗散大气中Rossby波包的非线性相互作用理论 [J], 熊建刚;易帆;李钧
5.也谈Rossby长波理论及其"悖论" [J], 陶祖钰;费海燕
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高等大气动力学

高等大气动力学高等大气动力学是研究大气运动和变化的学科。
大气是地球上最外层的气体,它与地球的平衡和稳定密不可分。
大气动力学研究着大气中的运动、能量传递、压力分布、热力学过程、气候变化等一系列重要现象,通过这些研究可以更好地理解和预测天气、气候和环境变化。
在大气运动方面,高等大气动力学关注着大气中的各种运动:从大尺度的大气环流到小尺度的湍流运动。
大气的运动是由地球自转、地球表面的不均匀加热以及气候因子的相互作用所驱动的。
通过分析和模拟大气运动,我们可以了解不同地区的气候区别,帮助气象预测,指导农业生产、城市规划和环境保护等。
能量传递是大气动力学的另一个重要方面。
太阳能是维持地球气候系统的主要能量来源,而大气则是能量在地球系统中的传递媒介。
通过了解热传递、辐射和对流等过程,我们可以理解气温变化、降水模式以及云的形成等现象。
这对于气候模拟和可持续发展的研究具有重要的指导意义。
压力分布是大气动力学中的基本概念之一。
大气中的气压随着高度的变化而变化,从而形成了气压梯度力。
这种气压梯度力与地球的自转和地形的影响相结合,驱动着大气的水平运动。
了解这种压力分布对于预测气候变化和天气系统的形成至关重要。
热力学过程也是大气动力学的研究重点之一。
大气中的物质是以气体形式存在的,它遵循着热力学的基本原理。
研究大气中的热力学过程,可以帮助我们理解气溶胶、化学反应和云微观结构等与大气密切相关的现象。
最后,高等大气动力学研究实际应用领域广泛。
大气动力学的成果可以广泛应用于气象预报、天气灾害预警、工程设计和环境保护等方面。
例如,通过模拟大气运动,我们可以预测台风路径和飑线的形成;通过分析气候变化,我们可以评估气候变暖对海平面上升和自然灾害的影响。
这些研究成果为我们提供了指导,并帮助我们更好地保护地球的气候系统和生态环境。
总之,高等大气动力学是一门关于大气运动和变化的重要学科,它通过对大气中的运动、能量传递、压力分布和热力学过程等方面的研究,为我们提供了更深入地了解和预测天气、气候和环境变化的能力。
考博高等大气动力学复习题汇总

高等大气动力学习题汇总2007年11月24日终稿hzs目录一.概念题 (4)1、Taylor-Proudman原理 (4)2、薄层近似 (5)3、P坐标系 (5)4、θ坐标系 (5)5、大气运动的基本定律 (5)6、位势涡度(Ertel位涡) (6)7、尺度效应 (6)8、上游效应、下游效应 (6)9、斜压不稳定 (6)10、地转动量近似 (7)11、半地转运动 (7)12、大气中的Kelvin波 (7)13、混合Rossby波-重力波 (8)14、无辐散正压大气中平均尺度守恒: (8)15、缓变波包 (8)16、WKBJ方法 (8)17、确定性非周期流 (9)18、分岔 (9)19、突变 (9)20、孤立波 (9)21、自治动力系统 (9)22、高截断波谱模式 (10)23、波作用量 (10)24、弱非线性不稳定 (10)25、E-P通量 (10)26、(球面Rossby波能量传播的)大圆理论 (10)27、准包辛内斯克近似(或滞弹性近似) (11)28、包辛内斯克(Boussinesq)近似 (11)39、平面波 (11)30、波包 (11)31、行星波 (11)32、潜水波近似 (12)33、亚临界不稳定和超临界不稳定 (12)34、Rossby数的物理含义 (13)35、有效位能 (13)36、多平衡态 (13)37、β平面近似、赤道β平面近似 (13)38、浅水近似(正压模式) (14)39、深水近似 (14)40、准平衡演变 (14)41、临界层 (14)42、折射指数 (15)二.问答题 (15)1、形成Rossby波的物理机制有哪些?β平面和球面Rossby波传播有何不同? (15)2、比较正压与斜压大气中的地转适应过程,说明两者的异同点 (15)3、地转适应的成因 (16)4、什么说大气中地转适应是旋转大气中特有的过程? (16)5、大气中平均尺度守恒原理的物理含义是什么? (16)6、非静力平衡与静力平衡的大气系统中,能量及其转换有何区别? (17)7、全位能和动能间能量转换的条件和途径? (17)8、大气中动能、位能、内能三种能量转换关系 (17)9、研究扰动发展的方法有哪几类? (18)10、地转适应过程与静力平衡适应过程有什么不同? (18)11、大气动力学中有铅直坐标变换,与一般的纯数学变换有什么不同?θ坐标系限于研究哪些运动? (18)12、什么是动力系统相平面定性分析方法? (19)13、KDV方程和Burgers方程所描述的非线性波基本形式是什么?什么是孤立波?1914、非静力平衡与静力平衡的大气系统中,能量及其转换有何区别? (20)15、非均匀波与均匀波在波的特征和传播上有何区别? (20)16、正压Rossby波的发展与何有关,作图说明导式波与曳式波的情况。
大气长波

罗斯贝和大气长波理论罗斯贝(Carl-Gustav Rossby), 1898年12月28日生于瑞典斯德哥尔摩。
他的第一个学位是在斯德哥尔摩大学获得的。
一开始他主修数学和物理,于1818年获得理论力学基础学位(Kandidat)。
随后,他到当时的气象圣地挪威的卑尔根师从威廉.皮叶克尼斯学习气象学。
1921年他又随皮叶克尼斯去德国莱比锡大学学习一年,1922年回国,并在瑞典气象水文局谋得一个职位。
随后三年,他参与了在扬马延岛(位于格陵兰岛和冰岛之间)、环不列颠群岛、葡萄牙以及马德拉群岛的海洋科学考察活动。
同时,他还在斯德哥尔摩大学继续学习数学物理,1925年获得副博士学位(Licentiat)。
1926年罗斯贝访问美国,并加入位于华盛顿的美国天气局,继续做气象科学研究。
其间,他先后发表了几篇有关大气湍流和平流层动力学的重要论文。
与此同时,他还在加利福尼亚的一个试验基地组建了美国第一个航空气象台。
1928年他又在麻省理工学院组建全美第一个大学层次的气象专业。
不久,他成了该校的一名正教授。
他在麻省理工学院一共工作了11年,主要从事气象学教学和科研工作。
他的科研主要集中在气团热力学,大气和海洋湍流,海气边界层相互作用等领域。
后来,他逐渐将研究重点转移到大气的大尺度运动,在研究大气环流的时候引进了涡度和动量等基本概念。
1939年他离开麻省理工学院,再次加入美国天气局,成为该局主管研究工作的主任助理。
1940年,他应邀担任芝加哥大学气象系主任。
在此期间,他提出了著名的大气长波理论。
二战期间,他还为美国军方培训了许多军事气象预报员。
战后,他为芝加哥大学吸收了一大批杰出的气象研究人才,并在数值天气预报方程的构建中发挥了重要作用。
为了响应故乡的召唤,当时已经加入美国国籍的罗斯贝毅然返回瑞典。
1947年当他回到斯德哥尔摩后,立即作手为母校组建了一个新的部门,斯德哥尔摩大学气象研究所,并担任所长。
这个气象研究所具有很强的国际背景,她受瑞典、美国以及象联合国教科文组织,国际大地测量学和地球物理学联合会等许多国际机构的资助。
大气动力学daolun

以Vilhelm Bjerknes (1862-1951)为首的挪 威学派提出锋面理论 和温带气旋的发展思 想 锋面和气团理论以及 锋面不稳定理论的提 出对天气预报有重要 的作用
A Norwegian scientist who was one of the founders of modern meteorology and scientific weather forecasting
课程介绍 — 课程渊源
高等大气动力学
(第一学期) (第二学期)
动力学1 大气动力学导论 经典理论、基本原理、 基本方法、基本概念 形成动力学的思考方式
动力学2 高等大气动力学 研究进展,基本科学问 题,深入的研究方法和 研究工具 走向科研
Course syllabus
大气基本方程组和基本守恒定理 大气能量学 + general 涡度,位涡度理论 circulation 大气波动 大气不稳定性理论 地转适应过程理论
Dynamics tells WHY!
广为关注的动力学问题
QBO是赤道准两年震荡( Equatorial quasi-biennial oscillation )的简称,其周 期差不多为27个月
东西风轮流交替下传
From Baldwin et al. 2001
Schematic illustration of the dynamics
Wave-flow interaction
大气遥相关
PNA EAP
Huang 2004
低频振荡
Wheeler et al. (2008).
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大气Rossby波动力学的研究进展

大气Rossby波动力学的研究进展谭本馗北京大学物理学院大气科学系,北京,100871摘要Rossby波是旋转大气和海洋中的一类重要波动,在天气和气候演变中起有重要的作用。
该文介绍了北半球中纬度地区的两类重要Rossby波——斜压不稳定波和准定常行星波,在最近20余年来取得的一些重要研究进展。
文中涉及的主要研究领域有:斜压不稳定波包动力学、湿斜压过程对斜压不稳定波的作用、北半球风暴轴动力学、斜压波包与高影响天气的预报、准定常行星波的形成机理、准定常行星波的水平传播与能量频散、准定常行星波的垂直传播与能量频散、三维准定常行星波的传播与能量频散。
关键词:罗斯贝波,斜压波,准静止行星波,风暴轴,准静止波的传播与频散作者简介:谭本馗,主要从事动力气象研究、教学工作。
E-mail:bktan@资助课题:国家自然科学重点基金项目(40533016)。
2008-08-15收稿,2008-11-28改回.中图法分类号 P432Advances of atmospheric of Rossby waves dynamicsTAN BenkuiDepartment of Atmospheric Science, Peking University, Beijing 100871, ChinaAbstractRossby waves are a kind of large-scale waves in the atmosphere and oceans on the rotating earth and their activity is closely related to weather and climate. This article reviews the progress achieved in the recent two decade in studies on Rossby waves, particularly on two families of Rossby waves——baroclinic Rossby waves and quasi-stationary planetary waves. The focuses of the review are: dynamics of baroclinic wave packets, effects of moist process on baroclinic waves, Northern Hemisphere storm track dynamics, baroclinic waves and prediction of high impact weather, mechanisms of quasi-stationary waves, horizontal propagation and dispersion of quasi-stationary waves, vertical propagation and dispersion of quasi-stationary waves, and three-dimensional propagation and dispersion of quasi-stationary waves.Key words :Rossby waves, Baroclinic waves, Quasi-stationary planetary waves, Storm tracks, Propagation and dispersion of quasi stationary waves。
中高层大气物理学第六章Waves大气动力学波动
方程组的线性化
• 线性化采用小扰动方法或微扰法,在物理上相当于对小扰动引起的波动求线性 简化近似。 – 描述大气运动和状态的物理量都是由已知大气背景状态有关的量与叠加其 上的微扰量组成q = q0 + q’
– 背景量满足原基本方程组和边条件 – 扰动量与背景量相比为小量。所以q’的二次以上高阶量都可以从方程和边
– 环境大气在距离z内的大气密度变化为
z0
V0,ρ0,p0 p0, ρ0,T0
– 浮力
• 运动方程
浮力频率
• 当ωB取不同值时,方程的解是不同的。 • 当ωB2>0时,方程有振动解z = AcosωBt + B sinωBt,振动频率为ωB。即气团在垂
直方向以角频率ωB围绕流体静力平衡点振动。 • 当ωB2<0时,气团所受的力与位移方向相同,位移将继续增大,大气处于不稳
重力波
• 等温大气
•
D称为声重波算子,
重力波
• 方程组有解的必要条件是矩阵D的行列式det|D| = 0。行列式展开得到ω的四次 方程,也是声重力波的色散关系
• 取+号时,对应较高的频率,是大气中的声波。 • 当取−号时,较低的频率对应大气中的重力波。 • 波传播的方向
重力波
• 相速度表示为
– 当取+时,波数(k = 2π/λ)很大时相速度vp → c,这对应于声波的波速。当k → 0时,存 在一个截止程
• 引入连续性方程,即密度随时间和空间变化
– 引进本征微商记号
• 热力学第一定律,热量输入Q全部消耗于使温度升高和通过压强p对外做功
– Q代表所有热源和热汇的影响,包括辐射加热或辐射冷却,焦耳加热或焦耳热损耗, 热传导和化学加热等。
高等大气动力学 复习重点
高等大气动力学1、自由大气:是指行星边界层以上,湍流摩擦力可忽略,空气运动不受地表摩擦影响的大气。
大致在1.5km 以上,水平气压梯度力和科氏力相平衡(准地转)。
在中、高纬度,自由大气中空气运动基本遵守地转风或梯度风法则,气流几乎与等压线平行。
D 是由于空气的内摩擦或湍流动量传输所导致的的耗散力,忽略D 就是所谓的“自由大气近似,除靠近地表面的“摩擦层”以外,对于以一天为时间单位的运动来说,使用自由大气近似大体上是可以的。
2、绝热近似:在空气运动的短期变化过程中,可以认为空气微团与外界无热量交换,这就是绝热过程。
热力学第一定律可写成热流量方程的形式:忽略dQ/dt 就是“绝热”近似,除靠近地表的“热力边界层”内、位于平流层中的臭氧层内以及有着严重的水汽相变过程的区域外,对于以一天为时间单位的运动来说,使用绝热近似大体上是可以的。
3、薄层近似:大气中90%以上的质量集中在离地表的一薄层中,其有效厚度约为几十公里,远比地球平均半径小,因此在推导球坐标系下的基本方程组时,可取r a z a =+(z 0)<<,其中a 是地球半径,z 是离地表的铅直高度。
球坐标的运动方程中,当r 处于系数时,r 用a 代替;当r 处于微商地位时,用z 代替r 。
这一近似郭晓岚称之为薄层近似。
4、标准层结近似:针对热力学量(p,ρ,θ,T )引入一个垂直方向的标准分布,亦即所谓的标准层结(气候态)。
我们据此引入标准层结近似,在运动、连续、热力学及状态方程中将这些热力学量表示成标准分布加上一个扰动量。
这样在预报、诊断等问题中只计算扰动量或其变量,而把标准分布视为已知。
好处在于降低了方程的非线性程度,易于求解,从而减少了计算误差。
()()0''0;,,,ρρρρρ<<+=t z y x z5、地球流体的基本属性⑴层结性,使之更具“弹性”。
密度和温度在垂直方向上的分布是不均匀的,这种介质的物理性质的不均匀分布,使大气具有层结的分布。
大气动力学复习要点.
梯度风的定义:当水平气压梯度力、水平科氏力、惯性离心力三力平衡时形成的流场称作梯度风场。
注意:离心力总指向圆外、科氏力指向运动方向的右侧、气压梯度力由高压指
向低压
气旋式环流VG<0,无意义
(RT>0)
正常气旋
不可取
正常反气旋
反气旋环流
(RT<0)
无意义
所谓效应,就是科氏参数f随纬度有变化,即,并且系统有南北运动时( ),引起系统的牵连涡度发生变化,为保证绝对涡度守恒,系统的相对涡度也要发生相应的变化。这就产生了涡旋性波动~Rossby波,这种变化机制就称为效应。
传播
其中,k是沿纬圈的波数
无基流时( ),Rossby波向西传播
有西风基流时,要比较的量级大小,才能确定Rossby波向西抑或向东传播
当或时,下游扰动的能量会向上游传播,使波动所在地的上游产生新的波动或加强上游原有的扰动,这种现象叫做下游效应。
大气长波有可能出现上游效应
31、重力内波、惯性重力内波、重力外波、惯性重力外波的产生机制各是什么?各具有哪些波动特点?
重力外波产生的物理机制:
这种流体自由表面的扰动,
是由于个别流体柱受扰后在
8、位温的含义及其数学表达式是什么?如何证明干绝热过程中位温守恒?
位温:把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气压(常取1000hpa)时应有的温度称位温。
取对数再微分:
利用热力学方程:
干绝热过程中,
即位温守恒
9、什么是尺度分析法?对于大尺度运动,如何利用尺度分析法对大气运动方程组进行零级简化?
尺度分析法:在大气运动基本规律的支配下,根据不同天气系统具有的不同尺度之间的关系,估计方程中各项量级的大小,保留量级较大的项,忽略量级较小的项,从而进行方程简化的一种分析方法
海洋中的波动现象-海浪
6.2.1波浪运动的形式 Progressive wave
进行波 Progressive wave
进行波:波形会向外传播 (e.g., 风浪).
驻波:波形不向外传播,但是 会在某一节点上上下运动. 波节 :不产生运动的 点,无垂直位移. 波腹 :具有最大垂直 位移的点
驻波 Standing wave
6.2.2波形传播与水质点的运动
6.2.2波形传播与水质点的运动
每个水质点都在 做同样的圆周运 动,那么每个水 质点的运动情况 有何不同?
沿波向,相邻水质点的运动半径和角速度都相同,只是后一个水质点 比前一个启动要慢一段时间。这样,在同一时刻,水质点位于不同的 位相上,这些水质点的连线就构成一定的波形,经过某一时刻后,每 个水质点都在自己的轨道上移动相等的一段弧。把这些不同位相的水 质点再连接起来,仍保持一定波形。
6.3.3.1 涌浪在传播过程中的特点
① 波高H逐渐降低
能量是与H2成正比的
涌浪传递传递过程能 量是衰减的
弥散 角散
Deep-water wave transformations
6.3.3.1 涌浪在传播过程中的特点
② 波长、周期逐渐变大,波速变快-P185
由于弥散, 波速快、波长大的跑在前面, 因此, 传播距离越远, 波长大、周期长的涌 浪越占优势地位。波高变得更小, 在海上 难以看到它。
波浪成因:
风 火山、地震 大气压力的变化 日、月引潮力
毛细波
成因 风
风暴 地震、风暴 日、月引潮力
波浪类型 碎浪 涌
荡漾、海啸 潮汐
周期
1~30 s 30s ~ 5 min
min ~hr 12 ~24 h
三、波浪的分类 3
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Restoring force is the north-south gradient of background potential vorticity (f/H). That gradient can be due to either the variation in f with latitude, or to a variation in H (“topographic Rossby waves” and when trapped near the coast “continental shelf waves”). Note that Rossby waves are tranverse waves, that is the particles move perpendicular to the direction of propagation. Conserves PV = (f+ζ)/H.
White and red indicated higher than average levels; purple and magenta indicate lower than average levels. These scenes show eastward-moving Kelvin waves and westward-moving Rossby waves. Superimposed black circles show how the elevated sea surface moves east in April, then west as Rossby 10 waves during July and December.
Ocean
Mechanism of Rossby Wave
Rossby Waves
The most important class of large-scale atmospheric waves are called planetary waves, or Rossby waves. These waves are characterized by oscillations in the rotational part of the horizontal wind that are parallel to the horizontal gradient in the potential vorticity.
2
Wave
What is wave?
In physics, a wave is a disturbance that travels through space and time, usually accompanied by the transfer of energy. Waves travel and the wave motion transfers energy from one point to another, often with no permanent displacement of the particles of the medium—that is, with little or no associated mass transport. They consist, instead, of oscillations or vibrations around almost fixed locations.
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Rossby wave propagation
In last section, we derived the properties of Rossby waves. Our key findings was that Rossby waves rely on the β-effect for their existence. We also discussed the mechanism for Rossby wave propagation through potential vorticity conservation.
Physics of Rossby Wave
Yihua Lin AOPP, Clarendon Laboratory University of Oxford, UK 4th, June, 2008
Outline
Wave Rossby wave in atmosphere & ocean Mechanism of Rossby wave Propagation & dispersion of Rossby wave
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Atmosphere
• usually are 4-6 of them around the globe at a given time • wavelength varies between 4000-8000 km • are generally stationary - or move very slowly east or west
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Surface pressure analysis; 03 March 2005 12Z.
Height Leabharlann f the 500hPa isobaric surface (dam), 03 March 2005 06Z.
8
9
The 2 small black circles off the coast of the Americas correspond to sea level highs on the trailing edge of Kelvin waves. The leading edge of this wave group has bounced off the coastline, creating Rossby waves whose rising and falling sea levels are marked by solid and dashed lines, respectively. In the July image, the circles are moving west with the Rossby waves. The "X" marks a relative sea level low caused by a Kelvin wave moving east. In December, the Rossby waves continue to move westward. The shapes of the solid and dashed lines indicate that the Rossby waves are moving away from the Americas faster at the equator than at higher latitudes.
The same thing will hold true on a slope ─ pushed towards shallower water will require decreased relative vorticity and vice versa ─ so shallower water is the analog of northward over a flat bottom and there are analogous waves generated on strong topographic slopes called topographic Rossby waves. H~f.
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Sketch: northern hemisphere
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Imagine that something pushes a water column perpendicular to the planetary vorticity. What will happen? The parcel will conserve total potential vorticity ─ (f+ζ/H). As it moves into a region of higher f, it will tend to decrease relative vorticity ─ a tendency to clockwise motion. Likewise if it were displaced towards lower relative vorticity, it will increase relative vorticity ─ a tendency towards counterclockwise motion.
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Now let’s look at the Coriolis forces on the induced circulation pattern.
Size of restoring force (for a given displacement) is proportional to β= df/dy. PV equation: Dζ/Dt +15βv = 0
3
Mechanical wave, which propagates through a medium in which the substance of this medium is deformed. The deformation reverses itself owing to restoring forces resulting from its deformation. For example, sound waves.
Electromagnetic radiation (including visible light, ultraviolet radiation, infrared radiation, gamma rays, X-rays, and radio waves). This type wave can travel through a vacuum and consists of periodic oscillations in electrical and magnetic fields.