动力气象学复习题
相关主题
- 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)。
求相速和群速的公式及物理意义
相速：
相速表示等位相面沿x方向移动的速度。
群速：
群速指波群传播的速度。
微扰动方法及其基本假定
微扰动法是将非线性方程进行线性化的一种有效方法。基本思想如下：
1）设
2）基本场变量表征大气的基本运动状态，它满足基本方程和边界条件
3）假设扰动量 是充分小的，其二次以上乘积项可以忽略不计。
但实际上埃克曼螺旋解很少被观察到，因为中性层结下埃克曼层中平均运动常常是不稳定的，以及运动的瞬变性和大气的斜压性。由此造成埃克曼层中风雨地转风交角变小。
二级环流的概念
在准地转涡旋流场中，由于湍流摩擦效应将会在埃克曼层中造成强迫的铅直环流，它叠加在准地转水平环流之上，称之为二级环流。
埃克曼抽吸
产生二级环流的机制称为埃克曼抽吸。
位能和内能成正比例关系，同时增加或减少。
大气的动能平衡方程、位能平衡方程及内能平衡方程
动能平衡方程：
位能平衡方程：
内能平衡方程：
闭合系统中，上述能量方程各项的物理意义、能量间转换的条件与机制
闭合系统中动能和位能是通过铅直运动相互交换的。
辐射等非绝热加热过程只能直接转变为闭合系统中的内能。
闭合系统中的机械能（位能、动能）和内能直接的转换只能通过系统内气压场作压缩宫才能实现。
声波产生的物理机制及其求解、相速和群速
声波是由于流体的可压缩性产生的，由于空气交替地压缩、膨胀引起的绝热增压和减压使得声波得以传播。
声波的相速和群速：
重力惯性外波产生和传播的物理机制
由于地球旋转对重力外波的影响而产生。
浮力振荡以及重力内波形成的机制
稳定层结大气中，气块受扰发生铅直位移离开平衡位置时，将在一个指向平衡位置的净浮力作用下作绝热浮力振荡。浮力振荡的传播变形成重力内波。
密度的空间分布同时以来与气压和温度。
热成风
热成风定义为铅直方向上两等压面上地转风的矢量差。
地转偏差
实际风与地转风的矢量差。
涡度方程和散度方程
涡度的定义及其物理意义
速度场的旋度定义为涡度。涡度是流体旋转特征的微观度量。
涡度方程各项的物理意义
涡度方程：
右边三项分别为散度项、涡管扭曲项、力管项。
P坐标系中的涡度方程和散度方程
大气行星边界层
大气边界层的特征
在行星边界层中，强烈的风的铅直切变和下垫面非均匀增热，常会引起湍流的发展。中纬度行星边界层的厚度平均为1~1.5km.
贴地层、近地面层、埃克曼层，它们各自的特点
贴地层；这层中分子黏性应力很大，而湍流黏性应力较小。
近地面层：这层中湍流黏性应力比分子黏性应力重要，且湍流黏性应力基本上不随高度改变，风速岁高度呈对数分布。
地球大气的动力学和热力学特征
大气是重力场中的旋转流体、大气是层结流体、大气中含有水分、大气的下边界是不均匀的
描写大气运动的方程组
个别变化与局地变化
个别空气微团的温度在运动中随时间的变化率，称为温度的个别变化。
大气运动空间中固定点上温度随时间的变化率，称为温度的局地变化。
绝对坐标系与相对坐标系
作用于大气上的各种作用力及其特性
定义：
，是一个与大气层结稳定度和风的铅直切变有关的动力学参数。
平面近似
P坐标，铅值坐标变换
静力平衡
对于静止大气，重力和铅直气压梯度力相平衡，即 。实际大气也满足静力平衡条件，静止大气的气压场结构是实际大气极好的近似。
P坐标
将z坐标系的铅直坐标变量z被物理场变量p替换，称由x、y、p作为独立坐标变量的坐标系称为p坐标系。
真实力
气压梯度力：方向与气压梯度相同，垂直于等压面；大小与气压梯度的大小成正比，与密度成反比。
地球引力：方向为高值等重力位势面指向低值等重力位势面的方向，大小由等重力位势面的疏密程度来决定。
摩擦力
视示力
科里奥利力：在北半球，科里奥利力指向速度的右方，南半球指向左方。对空气微团不做功。
惯性离心力：
运动方程、连续方程、状态方程、热力学方程、水汽方程
坐标
将 作为铅直坐标变量，得到 坐标系。
自由大气的平衡流场
地转风
地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动
精确满足上式的矢量 成为地转风。
梯度风
梯度风是自由大气中水平气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力三个力达到平衡时的空气的水平运动
正压大气
密度的空间分布只依赖于气压。
斜压大气
性质：
1）正压大气中罗斯贝波是由绝对涡度守恒控制的一种大尺度涡旋性波动， 效应是它得以传播的最主要机制
2）罗斯贝波相对于基本气流向西传播
3）罗斯贝波相速愈波数无关，是频散波
4）罗斯贝波是大尺度波动，具有准地转性。
群速：
“噪音”与滤波
“噪声”是指所研究的运动中那些次要的起干扰作用的波动。
通过某种途径把“噪声”从基本方程组中的解中排除掉，使方程组只包含所需要的“谐音”，这就是气象上所谓的“滤波”。
大气运动的尺度分类
大尺度、中尺度、小尺度
尺度分析方法Байду номын сангаас
尺度分析法是依据表征某类运动系统的运动状态和热力状态各物理量的特征值，估计大气运动方程中各项量级大小的一种方法。
中高纬度中尺度及大尺度大气运动各自的特性
中纬度大尺度运动是准水平、准地转平衡、准静力平衡、准水平无辐散、缓慢变化的涡旋运动。
重要的特征参数R0数、Ri数等
埃克曼层：这层中湍流黏性应力和科里奥利力、水平气压梯度力几乎同等重要，这三个力基本平衡。
粗糙高度
式中， 称为粗糙度。它取决于下垫面的物理性质。
近地面层中性层结下风随高度分布的特征
风向不随高度改变，风速随高度呈对数分布。
埃克曼层中风随高度分布的特点及原因
从埃克曼螺旋解可得：
风有指向低压一侧的分量，湍流黏性力愈大，风与等压线交角也越大。
大气旋转减弱的物理机制
二级环流可使准地转涡旋强度减弱，这种作用称为旋转衰减。
因为旋转衰减的时间尺度远比湍流扩散的时间尺度要小很多。因此，在旋转大气中，有摩擦符合强迫造成的二级环流与一般湍流扩散过程相比，是使地转涡旋衰减的更有效的机制。
大气中的基本波动
有关波动的基本物理量
线性振动、简谐波、波动振幅、波动圆频率、波长、波数、波动周期
重力惯性内波传播的物理机制
1）重力惯性内波的相速矢量和群速矢量是垂直的
2）相速矢量和群速矢量的水平分量方向相同，铅直分量方向相反，此时表现为重力内波性质；相速矢量和群速矢量的水平分量方向相反，铅直方向相同，此时表现为惯性内波性质。
罗斯贝波产生的机制、性质及求解、相速和群速
在北半球中纬度地区，其传播速度与风速相当的波，被称为大气长波，也叫罗斯贝波。罗斯贝波是由于地转参数随纬度变化（即 效应）造成的。
P坐标系的涡度方程：
散度方程：
位势涡度方程和位涡守恒定律
位势涡度方程：
位涡守恒定律：
大气能量学
单位质量及单位截面积大气基本能量的表达式
内能：
位能：
动能：
潜热能：
单位质量及单位截面积大气组合能量的表达式
全位能：
显热能：
干静力能：
湿静力能：
压力位能的物理意义
压力能是显热能的一部分。
静力平衡下，无限高气柱中位能与内能的关系
绝热无摩擦条件下，闭合系统的内能、位能、动能的总和是守恒的。
有效位能的概念、定义
大气处于某一状态时，可用于转换为动能的能量只是全位能的一小部分，这部分能量称为有效位能。
实际大气中能量的主要转换过程及物理机制
大气吸收少部分太阳辐射能后可直接转换为大气的内能。太阳辐射能主要被下垫面吸收，然后通过湍流热量输送和辐射热量传递给大气，使大气内能增加。水分从下垫面蒸发时，消耗掉下垫面的一部分能量。水汽在大气中凝结时，释放出凝结潜热使大气得到热能。大气的内能、重力位能可转换为大气的动能。
质量守恒定律的数学表达式称为连续方程。
连续方程：
干空气的状态方程： ，其中R为干空气比气体常数
引入虚温 ，湿空气状态方程为：
热力学方程：
水汽方程：
初始条件及边界条件
下边界条件：z=0时，
上边界条件：
尺度分析和基本方程组的简化
尺度的概念
各物理场变量“具有代表意义的量值”称之为物理场变量的特征值，某一物理场变量的“尺度”正是指它的特征值。
相速：
相速表示等位相面沿x方向移动的速度。
群速：
群速指波群传播的速度。
微扰动方法及其基本假定
微扰动法是将非线性方程进行线性化的一种有效方法。基本思想如下：
1）设
2）基本场变量表征大气的基本运动状态，它满足基本方程和边界条件
3）假设扰动量 是充分小的，其二次以上乘积项可以忽略不计。
但实际上埃克曼螺旋解很少被观察到，因为中性层结下埃克曼层中平均运动常常是不稳定的，以及运动的瞬变性和大气的斜压性。由此造成埃克曼层中风雨地转风交角变小。
二级环流的概念
在准地转涡旋流场中，由于湍流摩擦效应将会在埃克曼层中造成强迫的铅直环流，它叠加在准地转水平环流之上，称之为二级环流。
埃克曼抽吸
产生二级环流的机制称为埃克曼抽吸。
位能和内能成正比例关系，同时增加或减少。
大气的动能平衡方程、位能平衡方程及内能平衡方程
动能平衡方程：
位能平衡方程：
内能平衡方程：
闭合系统中，上述能量方程各项的物理意义、能量间转换的条件与机制
闭合系统中动能和位能是通过铅直运动相互交换的。
辐射等非绝热加热过程只能直接转变为闭合系统中的内能。
闭合系统中的机械能（位能、动能）和内能直接的转换只能通过系统内气压场作压缩宫才能实现。
声波产生的物理机制及其求解、相速和群速
声波是由于流体的可压缩性产生的，由于空气交替地压缩、膨胀引起的绝热增压和减压使得声波得以传播。
声波的相速和群速：
重力惯性外波产生和传播的物理机制
由于地球旋转对重力外波的影响而产生。
浮力振荡以及重力内波形成的机制
稳定层结大气中，气块受扰发生铅直位移离开平衡位置时，将在一个指向平衡位置的净浮力作用下作绝热浮力振荡。浮力振荡的传播变形成重力内波。
密度的空间分布同时以来与气压和温度。
热成风
热成风定义为铅直方向上两等压面上地转风的矢量差。
地转偏差
实际风与地转风的矢量差。
涡度方程和散度方程
涡度的定义及其物理意义
速度场的旋度定义为涡度。涡度是流体旋转特征的微观度量。
涡度方程各项的物理意义
涡度方程：
右边三项分别为散度项、涡管扭曲项、力管项。
P坐标系中的涡度方程和散度方程
大气行星边界层
大气边界层的特征
在行星边界层中，强烈的风的铅直切变和下垫面非均匀增热，常会引起湍流的发展。中纬度行星边界层的厚度平均为1~1.5km.
贴地层、近地面层、埃克曼层，它们各自的特点
贴地层；这层中分子黏性应力很大，而湍流黏性应力较小。
近地面层：这层中湍流黏性应力比分子黏性应力重要，且湍流黏性应力基本上不随高度改变，风速岁高度呈对数分布。
地球大气的动力学和热力学特征
大气是重力场中的旋转流体、大气是层结流体、大气中含有水分、大气的下边界是不均匀的
描写大气运动的方程组
个别变化与局地变化
个别空气微团的温度在运动中随时间的变化率，称为温度的个别变化。
大气运动空间中固定点上温度随时间的变化率，称为温度的局地变化。
绝对坐标系与相对坐标系
作用于大气上的各种作用力及其特性
定义：
，是一个与大气层结稳定度和风的铅直切变有关的动力学参数。
平面近似
P坐标，铅值坐标变换
静力平衡
对于静止大气，重力和铅直气压梯度力相平衡，即 。实际大气也满足静力平衡条件，静止大气的气压场结构是实际大气极好的近似。
P坐标
将z坐标系的铅直坐标变量z被物理场变量p替换，称由x、y、p作为独立坐标变量的坐标系称为p坐标系。
真实力
气压梯度力：方向与气压梯度相同，垂直于等压面；大小与气压梯度的大小成正比，与密度成反比。
地球引力：方向为高值等重力位势面指向低值等重力位势面的方向，大小由等重力位势面的疏密程度来决定。
摩擦力
视示力
科里奥利力：在北半球，科里奥利力指向速度的右方，南半球指向左方。对空气微团不做功。
惯性离心力：
运动方程、连续方程、状态方程、热力学方程、水汽方程
坐标
将 作为铅直坐标变量，得到 坐标系。
自由大气的平衡流场
地转风
地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动
精确满足上式的矢量 成为地转风。
梯度风
梯度风是自由大气中水平气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力三个力达到平衡时的空气的水平运动
正压大气
密度的空间分布只依赖于气压。
斜压大气
性质：
1）正压大气中罗斯贝波是由绝对涡度守恒控制的一种大尺度涡旋性波动， 效应是它得以传播的最主要机制
2）罗斯贝波相对于基本气流向西传播
3）罗斯贝波相速愈波数无关，是频散波
4）罗斯贝波是大尺度波动，具有准地转性。
群速：
“噪音”与滤波
“噪声”是指所研究的运动中那些次要的起干扰作用的波动。
通过某种途径把“噪声”从基本方程组中的解中排除掉，使方程组只包含所需要的“谐音”，这就是气象上所谓的“滤波”。
大气运动的尺度分类
大尺度、中尺度、小尺度
尺度分析方法Байду номын сангаас
尺度分析法是依据表征某类运动系统的运动状态和热力状态各物理量的特征值，估计大气运动方程中各项量级大小的一种方法。
中高纬度中尺度及大尺度大气运动各自的特性
中纬度大尺度运动是准水平、准地转平衡、准静力平衡、准水平无辐散、缓慢变化的涡旋运动。
重要的特征参数R0数、Ri数等
埃克曼层：这层中湍流黏性应力和科里奥利力、水平气压梯度力几乎同等重要，这三个力基本平衡。
粗糙高度
式中， 称为粗糙度。它取决于下垫面的物理性质。
近地面层中性层结下风随高度分布的特征
风向不随高度改变，风速随高度呈对数分布。
埃克曼层中风随高度分布的特点及原因
从埃克曼螺旋解可得：
风有指向低压一侧的分量，湍流黏性力愈大，风与等压线交角也越大。
大气旋转减弱的物理机制
二级环流可使准地转涡旋强度减弱，这种作用称为旋转衰减。
因为旋转衰减的时间尺度远比湍流扩散的时间尺度要小很多。因此，在旋转大气中，有摩擦符合强迫造成的二级环流与一般湍流扩散过程相比，是使地转涡旋衰减的更有效的机制。
大气中的基本波动
有关波动的基本物理量
线性振动、简谐波、波动振幅、波动圆频率、波长、波数、波动周期
重力惯性内波传播的物理机制
1）重力惯性内波的相速矢量和群速矢量是垂直的
2）相速矢量和群速矢量的水平分量方向相同，铅直分量方向相反，此时表现为重力内波性质；相速矢量和群速矢量的水平分量方向相反，铅直方向相同，此时表现为惯性内波性质。
罗斯贝波产生的机制、性质及求解、相速和群速
在北半球中纬度地区，其传播速度与风速相当的波，被称为大气长波，也叫罗斯贝波。罗斯贝波是由于地转参数随纬度变化（即 效应）造成的。
P坐标系的涡度方程：
散度方程：
位势涡度方程和位涡守恒定律
位势涡度方程：
位涡守恒定律：
大气能量学
单位质量及单位截面积大气基本能量的表达式
内能：
位能：
动能：
潜热能：
单位质量及单位截面积大气组合能量的表达式
全位能：
显热能：
干静力能：
湿静力能：
压力位能的物理意义
压力能是显热能的一部分。
静力平衡下，无限高气柱中位能与内能的关系
绝热无摩擦条件下，闭合系统的内能、位能、动能的总和是守恒的。
有效位能的概念、定义
大气处于某一状态时，可用于转换为动能的能量只是全位能的一小部分，这部分能量称为有效位能。
实际大气中能量的主要转换过程及物理机制
大气吸收少部分太阳辐射能后可直接转换为大气的内能。太阳辐射能主要被下垫面吸收，然后通过湍流热量输送和辐射热量传递给大气，使大气内能增加。水分从下垫面蒸发时，消耗掉下垫面的一部分能量。水汽在大气中凝结时，释放出凝结潜热使大气得到热能。大气的内能、重力位能可转换为大气的动能。
质量守恒定律的数学表达式称为连续方程。
连续方程：
干空气的状态方程： ，其中R为干空气比气体常数
引入虚温 ，湿空气状态方程为：
热力学方程：
水汽方程：
初始条件及边界条件
下边界条件：z=0时，
上边界条件：
尺度分析和基本方程组的简化
尺度的概念
各物理场变量“具有代表意义的量值”称之为物理场变量的特征值，某一物理场变量的“尺度”正是指它的特征值。