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1、第六章第六章 大气中的准地转运动大气中的准地转运动 对中高纬自由大气大尺度运动，其运动方程的零级简化对中高纬自由大气大尺度运动，其运动方程的零级简化形式为形式为地转平衡关系地转平衡关系，即实际水平风场接近地转风场。但，即实际水平风场接近地转风场。但是，这种平衡关系只是一种近似关系，事实上经常存在是，这种平衡关系只是一种近似关系，事实上经常存在地地转偏差转偏差，即实际风场与地转风场存在差别。，即实际风场与地转风场存在差别。尽管地转偏差经常存在，但其并不会无限增长。这意示尽管地转偏差经常存在，但其并不会无限增长。这意示着大气运动的过程是一种着大气运动的过程是一种准地转运动过程准地转运动过程:既包含
2、由地转平衡状态向非平衡状态的演变，即地转平既包含由地转平衡状态向非平衡状态的演变，即地转平衡的破坏过程（演变过程），又包含着由非平衡过程向新衡的破坏过程（演变过程），又包含着由非平衡过程向新的地转平衡调整的过程（适应过程）。的地转平衡调整的过程（适应过程）。因此大气运动是地转平衡的破坏又不断建立的过程，也因此大气运动是地转平衡的破坏又不断建立的过程，也是一连串的风场和气压场在不断变化和相互适应调整的准是一连串的风场和气压场在不断变化和相互适应调整的准地转运动过程。地转运动过程。（本章的主要内容：自由大气中风场和气压场之间的相互适本章的主要内容：自由大气中风场和气压场之间的相互适应调整过程的特征
3、、物理机制等应调整过程的特征、物理机制等）6.1 地转偏差地转偏差1 1 地转偏差的定义和性质地转偏差的定义和性质 地转偏差地转偏差：是指某空间点实际的水平风矢量与该点的地转：是指某空间点实际的水平风矢量与该点的地转 风矢量之差风矢量之差。自由大气的水平运动方程可写成：自由大气的水平运动方程可写成：ghVVVdtVdkfVh1hhhVk fdtVdVfVVfVfkdtVdkghhhh)(地转偏差的性质：地转偏差的性质：1）在北半球，地转偏差（风）的方向与空气微团的水平加）在北半球，地转偏差（风）的方向与空气微团的水平加速度的方向垂直并指向其左侧。速度的方向垂直并指向其左侧。2）地转偏差（风）的
4、大小与空气微团的水平加速度的大小）地转偏差（风）的大小与空气微团的水平加速度的大小成正比，与科氏参数成正比，与科氏参数f或纬度或纬度 成反比。成反比。2 2 地转偏差对天气演变的意义地转偏差对天气演变的意义 1)地转偏差对动能制造的贡献地转偏差对动能制造的贡献 用用 点乘水平运动方程：点乘水平运动方程：hhhVk fdtVdhhhhVdtVdVhVhhghVVVdtVd)()2(2dtVdkfVh1地转偏差与动能的变化地转偏差与动能的变化 动能增加动能增加动能减少动能减少2 2）地转偏差对垂直运动的贡献）地转偏差对垂直运动的贡献 P坐标系的连续方程为坐标系的连续方程为 0pyvxu0pDppp
5、pssDdpdppsppsDdppp)()(若取下边界条件：若取下边界条件：0)(spspsspphppghpphhppdpVdpVVdpVDdpp)()(如果不存在地转偏差，则不如果不存在地转偏差，则不存在水平风场得辐合辐散，存在水平风场得辐合辐散，也就没有垂直运动。也就没有垂直运动。3 3 决定地转偏差的因子决定地转偏差的因子 pVkfVVkftVkfdtVdkfVhhhhhh)(111风场的非定风场的非定常性引起的常性引起的偏差风偏差风 风速的水平风速的水平平流引起的平流引起的偏差风偏差风 对流变化对流变化引起的引起的偏差风偏差风 (1)变压风：变压风：tVkfh1)(8.9)(1)(1
6、11222tHftftkkftVkftVkfVhhhgh？变高场与地转偏差变高场与地转偏差（1 1）沿流线方向的风速的不均匀性造成的风速水平平流沿流线方向的风速的不均匀性造成的风速水平平流(或或辐散辐合辐散辐合)而引起的横向（与方向垂直）的偏差风（称为而引起的横向（与方向垂直）的偏差风（称为横辐散风横辐散风）。）。(2)横辐散和纵辐散风：横辐散和纵辐散风：)(1hhhVVkfsfrVnsVVfsVnnsssVkfVVkfVshhhhhhhh21)(1)(112推导？推导？nsVVfnsVVfVghhh/1/12 当地转风沿流线方向增大时，则由此引起的地转偏差风当地转风沿流线方向增大时，则由此引
7、起的地转偏差风指向地转风的左侧（指向地转风的左侧（左图左图）；当地转风沿流线方向减小时）；当地转风沿流线方向减小时，则由此引起的地转偏差风指向地转风的右侧（，则由此引起的地转偏差风指向地转风的右侧（右图右图）横辐散偏差风横辐散偏差风（2）纵辐散风）纵辐散风（3）风的对流变化引起的地转偏差热成偏差风）风的对流变化引起的地转偏差热成偏差风sfrVVsh2纵辐散辐合偏差风纵辐散辐合偏差风 槽前脊后的区域是地转偏差风槽前脊后的区域是地转偏差风的纵辐散区，而在脊前槽后区的纵辐散区，而在脊前槽后区 域则是地转偏差风的纵辐合区。域则是地转偏差风的纵辐合区。TpfRpVkfpVkfVhgh2 热成偏差风与大气
8、的斜压性和垂直运动有关：热成偏差风与大气的斜压性和垂直运动有关：当有上升运当有上升运动时，动时，与与 方向相反；当有下沉运动时，方向相反；当有下沉运动时，与与 方方向相同，如出现暖（冷）中心区，则偏差风矢量由四周（向相同，如出现暖（冷）中心区，则偏差风矢量由四周（中心）指向中心（四周）中心）指向中心（四周）。6.2 地转适应理论概要地转适应理论概要1、适应过程和演变过程的基本概念：、适应过程和演变过程的基本概念：VVThTh准准地地转转过过程程演变过程演变过程（发展过程）（发展过程）由动力平衡向动力不平衡过渡的由动力平衡向动力不平衡过渡的过程，属于平衡中的运动过程。过程，属于平衡中的运动过程。
9、适应过程适应过程（调整过程）（调整过程）由动力不平衡向新的动力平衡过渡由动力不平衡向新的动力平衡过渡的过程，属于运动中的平衡过程。的过程，属于运动中的平衡过程。2、适应过程与演变过程的可分性、适应过程与演变过程的可分性1 1）时间尺度上的可分性）时间尺度上的可分性P坐标系大尺度水平运动方程一级简化可写为：坐标系大尺度水平运动方程一级简化可写为：其中其中 为地转偏差风纬向和经向分量。引入无量纲变量：为地转偏差风纬向和经向分量。引入无量纲变量：下标下标“1”的量为无量纲量。将上式各量代入水平运动方程的量为无量纲量。将上式各量代入水平运动方程,并用并用 除各式，得除各式，得：vfxfvyuvxuut
10、uufyfuyvvxvutvvu,1tt),(),(11yxLyx),(),(11vuUvu10fff),(),(11vuUvu，Uf0其中：其中：对于大尺度运动，对于大尺度运动，1010 在脊线在脊线0 在槽线在槽线 于是，正如下图所示，于是，正如下图所示，低层的冷平流加深了对流层高层的低层的冷平流加深了对流层高层的槽，而低层的暖平流则加强了高层的脊槽，而低层的暖平流则加强了高层的脊。因此，尽管微差。因此，尽管微差温度平流只在低层较明显，但它却是决定高空系统槽脊发温度平流只在低层较明显，但它却是决定高空系统槽脊发展的因子。展的因子。发展的斜压波动东西向垂直剖面图发展的斜压波动东西向垂直剖面图
11、 微差温度平流对高层气压变化的作用是很容易解释微差温度平流对高层气压变化的作用是很容易解释的。对于任一等压面而言，的。对于任一等压面而言，在静力平衡条件下，其下在静力平衡条件下，其下层的暖平流会导致它的高度抬升，而其上层的暖平流层的暖平流会导致它的高度抬升，而其上层的暖平流会使它的高度降低；当暖平流随高度减小时，较大的会使它的高度降低；当暖平流随高度减小时，较大的“抬升抬升”效应与较小的效应与较小的“降低降低”效应抵消的结果是使效应抵消的结果是使其高度其高度“升高升高”。类似地，对于任一等压面而言，类似地，对于任一等压面而言，在静力平衡条件下在静力平衡条件下，其下层的冷平流会导致它的高度降低，
12、而其上层的，其下层的冷平流会导致它的高度降低，而其上层的冷平流会使它的高度抬升；当冷平流强度随高度减小冷平流会使它的高度抬升；当冷平流强度随高度减小时，较大的时，较大的“降低降低”效应与较小的效应与较小的“抬升抬升”效应抵消效应抵消的结果是使其高度的结果是使其高度“降低降低”。3 准地转准地转方程与方程与 矢量矢量 1）准地转）准地转方程方程 由准地转涡度方程和准地转热力学方程可以推导出一个由准地转涡度方程和准地转热力学方程可以推导出一个用于诊断估算垂直运动的用于诊断估算垂直运动的准地转准地转方程方程。为此，对准地转。为此，对准地转热力学方程作水平拉普拉斯运算：热力学方程作水平拉普拉斯运算：然
13、后对准地转涡度方程求然后对准地转涡度方程求p的微分，得：的微分，得：QtQpCRpVppsg2222)(22200202)()(pfffVpfpg12tQpCRpVffVpfpfspgsgss2220022202)(1)1(两式相减两式相减如果不考虑非绝热加热，则场由场决定准地转准地转 等号右边第一项可改写为：等号右边第一项可改写为：而等号右边第二项则可改写为：而等号右边第二项则可改写为：各自的第二项大小相等但符号相反，彼此相抵消。故准地转各自的第二项大小相等但符号相反，彼此相抵消。故准地转方程等号右边第一、二项对方程等号右边第一、二项对的强迫作用是部分相抵消的强迫作用是部分相抵消的。的。下面
14、讨论各强迫项的物理意义。下面讨论各强迫项的物理意义。pVffpVfgsgs220011pVpyvpxugsggs22211假设假设在水平方向和垂直方向都波动形式变化，而且在下边在水平方向和垂直方向都波动形式变化，而且在下边界和大气层顶为零，则可把界和大气层顶为零，则可把表示成：表示成：准地转准地转方程的左边可变为：方程的左边可变为：即即方程左边与方程左边与成比例。于是有成比例。于是有 lykxppsinsin)/sin(0020022222021pflkpfsstQpCRpVffVpfspgsgs22200)(1)1(（1）微差涡度平流项：）微差涡度平流项：i)如果正（负）涡度平流随高度增大（
15、减小），则强迫出如果正（负）涡度平流随高度增大（减小），则强迫出上升运动上升运动。ii)如果正（负）涡度平流随高度减小（增大），则强迫出如果正（负）涡度平流随高度减小（增大），则强迫出下沉运动下沉运动。iii)如果高、低层的涡度平流反号，则产生的垂直运动较强如果高、低层的涡度平流反号，则产生的垂直运动较强。微差涡度平流破坏高低层的地转平衡，亦破坏热成微差涡度平流破坏高低层的地转平衡，亦破坏热成风平衡激发出垂直运动和相应的辐散辐合（次级环流风平衡激发出垂直运动和相应的辐散辐合（次级环流），它们的作用使温度场重建热成风平衡：），它们的作用使温度场重建热成风平衡：pApfVfgg/)()(yuxv/
16、流场涡度流场涡度位势场涡度位势场涡度f/2热成风平衡的解释（具体讲解：热成风平衡的解释（具体讲解：教案教案），或），或P114-115(2)冷暖平流中心产生的垂直运动（斜压效应）冷暖平流中心产生的垂直运动（斜压效应）故在暖平流中心区，上式为负，由此强迫出的故在暖平流中心区，上式为负，由此强迫出的为负，即为负，即上升运动上升运动；在冷平流中心区，上式为正，强迫出的；在冷平流中心区，上式为正，强迫出的为正为正，即，即下沉运动下沉运动。冷平流中心改变温度场热成风涡度冷平流中心改变温度场热成风涡度 ，与原来流场热，与原来流场热成风涡度成风涡度 不平衡，即破坏热成风平衡，强迫出垂直运动不平衡，即破坏热成风平衡，强迫出垂直运动，调整，调整 ，相随的辐散辐合调整流场，相随的辐散辐合调整流场 ，使之重建热，使之重建热成风平衡。成风平衡。（具体解释：教案具体解释：教案）（3）非绝热加热冷却中心产生的垂直运动）非绝热加热冷却中心产生的垂直运动TVpVpVggg)()(2TTTtQtQ2在加热中心区，强迫出在加热中心区，强迫出0即下沉运动。即下沉运动。说说 明明1）从以上的讨论可知，微差涡度平流项和温度平流
