大气动力学的一些问题

大气动力学的基本问题,也是自然流体力学中的一些基本问题.大气运动是极其多种多样的.在时、空尺度上以及在形态和性质上都有很大差别.大体上说可以分为全球规模的和行星尺度的运动——即所谓大气环流、大尺度天气系统、涡旋、波动、对流以及边界层湍流.我们这里只讲关于前三者的一些问题. 一、大气环流和大尺度运动的动力学 1.在引力和旋转力场中流体运动的一般特点简言之,大气运动是由地球吸收太阳辐射能所推动的.然而它又是在地球重力场和旋转力场作用之下.     

第二讲 大气运动的基本方程组

动力气象学是一门根据流体力学与热力学的基本定律来研究在地球大气中所发生的各种运动的学科。因此,从流体力学与热力学的基本定律出发,建立适合于地球大气运动特点的方程组,这是动力气象学最基本的内容。     

大气模拟实验简介

大气模拟实验是在实验室条件下,控制影响大气运动的主要因素、研究这些运动的发生发展规律,以帮助人们了解发生在实际大气中的气象现象的一种手段。用模拟实验研究大气运动规律至今已有一百多年历史,现有数值模拟、电模拟和流体力学实验模拟等方法。本文只介绍后面一种方法。流体力学模拟实验的范围很广。一百多年来国内外实验工作者已用气体、液体和磁流体对气象、海洋、行星大气中的某些现象进行了一定程度的模拟研究。仅就地球大气的模拟实     

第三讲 数值天气预报的控制方程组

几乎一切天气现象都与大气运动息息相关。大气运动遵循一定的流体力学和热力学规律,在数学上表示为所谓大气运动控制方程组。数值天气预报是采用数值方法求解这组控制方程,从而预报出未来的天气要素场。     

带状恒定大气环流下的地面气压分布

本文解决的是带状恒定大气环流下地面气压的分布.应用的是适用於大范围运动即大气环流的粘性流体力学方程式.并假定运动学的湍流粘性系数是高度的线性函数.     

流体力学(一)

在本系列连载的第一篇文章中,阿特金森(1978)指出,空气运动对天气和气候是十分重要的。他还指出,我们对空气运动的理解,需借助经典物理学的某些概念,特别是流体力学和热力学的一些概念。当气压、温度、空气密度、水气含量、风速、风向和垂直风等这样七个关于大气的要素(或变量)全部已知时,就能很好地说明大气的状态。这七个变量的特性受七个方程支配,其中三个是热力学方面的,四个是流体力学方面的。热力学方程包括气体定律、一个热力方程和一个表示水气守恒的方程。流体力学方程是三个运动方程(牛顿第二定律在三个方向上的分量)和一个表示质量不灭原理的连续方程。给出七个方程和七个变量,就可     

地球流体力学的研究与进展

简要介绍中国科学院大气物理研究所七十多年来在理论与计算地球流体力学方面的若干研究及其新的进展.在理论地球流体力学方面,介绍了长波动力学及线性稳定性问题、弱非线性理论及行星波动力学以及用Arnold方法(能量-Casimir方法)研究大气和海洋中各种流体运动的非线性稳定性问题的成果.此外,对扰动演变、扰动和基流相互作用及热带大气动力学中的第二类不稳定条件(CISK)也作了简要的介绍.在计算地球流体力学方面,主要内容包括:用物理观点和数学分析相结合的方法阐述了造成计算紊乱和计算不稳定的机理,论证计算稳定性、算     

500毫巴图上相对涡度零线与地面锋面和降水的关系

涡度是流体力学中一个主要的概念。它在说明大气运动的性质方面,曾被发现了很多有用的事实。通常,在研究大范围大气运动的涡度时,我们所关心的是绝对涡度。倘若我们在绝对涡度中把局地科氏参数略去,这样可以得到相对涡度场。这对在处理对流层中部接近无辐散层的流场时,可以发现不少使我们感兴趣的,而且在实用和理论上都有价值的特征。就作者多年实践的结论是:对流层中部移动性气旋前进方向的半圆内,500毫巴图上相对涡度零线可作为最大上升运动和降水区域的指标(自然降水的发生尚有赖于空气中可提供的有用水汽量)。对     

通过又一次近地层大气试验对范卡曼常数进行临界估算

一、引言范卡曼常数(K)是湍流结构中的一个基本参数。它在50多年前就出现了,当时流体力学家试图用它建立流体力学中的墙壁定侓(Hinze,1975)。然而,Sheppard(1947)以后40多年来边界层大气中 K 的估算值(大都在0.35—0.42之间)是一直有争议的,并认为其精度不高(Businger,     

中期天气预报中的统计与统计—动力学方法

引言在这一系列的文章中,试图把描述大气大尺度运动“行为”的统计概念和动力概念结合起来。在几十年前的纯统计方法不能够处理大气本质上的非线性特性,因此尚不能流行。后来,它们为纯动力方法所取代,最终成为大气的“决定论的”(Deterministic)非线性数值模拟。但是,最近几年,“决定论”模拟的许多方面仍然是在统计基础上,许多重要的问题都具有统计性质,所从一个完满的描述,需要一个大气的统计流体力学方法。     

数值天气预报概况

数值天气预报方法是根据描写大气运动规律的流体力学和热力学定律(动量增加定律、质量守恒定律、热力学第一定律)组成闭合的方程组,然后用数学方法进行求解,得出未来天气的变化。由于我们对大气演变的规律还没有完全认识,以及数学求解上的困难,因此,通常都是针对某一具体预报问题建立相应的预报模式。     

广西气象学校举办两期讲习班

△为了加强中级技术人员的流体力学与大气热力学基础理论,区气象学会,委托广西气象学校于1984年8月 1日至8月20日在南宁举办《流体力学和大气热力学》讲座。邀请南京大学气象系余志豪付教授,空军气象学院沈春康讲师担任主讲。     

第二讲 资料处理和客观分析

众所周知,在进行天气预报之前,必须首先掌握现在的大气状态。尤其是数值天气预报,它是通过解流体力学方程组、热力学方程和水汽方程等来预报未来天气变化的,更必须首先有正确的大气状态作为初值。我们知道,天气图能展现出某一瞬间大范围的大气状态。人工分析的天气图包含着预报员的丰富经验,因而也带来主观性的缺     

第三讲:滤波

大气中存在各种不同规模的运动和运动系统,水平尺度从几十米至几千公里,时间尺度从数十分钟至数月。根据运动的水平尺度一般将大气运动分成三类:水平尺度在千公里及其以上的运动系统称大尺度天气系统,如大气长波、超长波、气旋、反气旋、高空急流及副热带高压等天气系统;水平尺度在数十公里以内的为小尺度天气系统,如龙卷、局地     

正压大气中尺度半平衡和准平衡动力学模式

应用描写正压大气运动的基本方程组，分析了中尺度大气运动的物理特征，指出非平衡强迫运动是引起中尺度重要天气演变的根本原因。中尺度动力学方程组是中尺度动力学理论研究的基础，因此，结合中尺度大气运动的基本特征，依据严格的尺度分析理论和摄动理论，简化基于流体力学和热力学的大气动力学方程组使之能够恰当地描述出中尺度运动的基本特征，对于中尺度动力学的发展是极为必要的。基于非线性平衡方程所得到的半平衡和准平衡动力学模式分别与半地转和准地转模式极为相似，它们可以较精确地描述中尺度大气运动的基本特征，因而，可作为中尺度动力学研究的理论基础。将准平衡动力学模式应用于中尺度涡旋系统的研究，结论表明中尺度平衡涡旋系统主要是受梯度风控制，其流场和气压场的发展演变则由一个演化方程来描写，获得了较为理想的结果。     

斜压大气中涡旋运动方程及其在天气预报中的应用

本文根据流体力学的基本理论,得出了斜压大气中的涡旋运动方程。并讨论了决定涡旋运动的六个基本因子。对日常应用的高空引导观念给予比较明确的物理解释并加以修正。文中对这方程在预报台风移动的应用作了初步说明,也附带简单地谈到了中纬度系统的移动。在附录中还指出了关于系统内力作用的误解,并简单地讨论了台风运动的摆动周期和振幅。     

天气预报和气候模拟的数值模式的计算问题

一、引言对于认识大气行为和预报天气变化及气候趋势的经济和社会的重要性,这里已无需强调。目前,在朝着L.F.Richardson(1922)提出的“人类梦想”的境界已经取得稳步进展的时候,对我们的前景和存在问题作一系统的评述,看来是有益的。预报地球大气的行为是对科学家们一种真正的挑战。大气运动是受一组可以表示成流体力学和热力学方程的物理定律支配的。仅从这个角度来看,预报大气行为要比预报某种经济体系更可行一些,因为经济     

大气随机动力学与可预报性

偶然性与必然性过程及其相互转化是世界事物变化复杂性的根源。根据布朗运动统计理论,提出了分子热运动是不稳定流体中湍流形成之源,由此形成不同宏观尺度的随机运动是大气运动固有的属性。观测事实表明,太阳辐射作为决定大气运动与变化的主要因子,它的变化具有随机性,是大气的随机强迫因子,它对气候变化具有决定性影响。地-气相互作用是一个时变的非线性相互反馈的耦合过程,形成了下边界对大气复杂的随机强迫作用,其界面交换耦合随机动力学模式尚待建立。由于大气过程固有的随机性以及随机的外强迫耦合作用,大气确定性预报的时效是有界的,它决定于预报对象的不确定性及其空间尺度与时间尺度,以及预报时效内的大气不确定性。由此,客观存在着大气过程的报不准关系。     

相对垂直加速度和中尺度大气运动方程组

对具有强对流性质的中尺度系统运动的描写，直接采用包含准静力假设的p坐标系或σ坐标系大气运动方程组是不精确又不合理的。因此，必须发展更精确的非静力中尺度大气运动方程组。本文通过引入相对垂直加速度δ和通用(x，y，ζ，t)坐标系(简称ζ坐标系).导出了ζ坐标系中的非静力大气运动方程组。该方程组的垂直运动方程是非静力的，相对垂直加速度δ是可预报的；垂直加速度可由δ直接求得；而δ既直接影响速度场、位势场、质量场和地面气压场，还间接影响温度场。通过对通用ζ坐标系中非静力大气运动方程组的应用，可以很容易地获得p坐标系或σ坐标系及其它垂直坐标系中的非静力大气运动方程组；当δ为零时，则简化为一般包含准静力假设的p坐标系或σ坐标系及其它垂直坐标系中的大气运动方程组。在一般广泛使用的p坐标系或σ坐标系大气运动方程组中，因未考虑δ的贡献，对一些场的预报就会产生误差，较长时间的数值积分会使这种误差积累愈来愈大。显然，新发展的非静力大气运动方程组考虑了δ的贡献，从而消除了这种误差，所以就更为精确，也更适用于对中尺度系统运动的描写和预报。     

数值天气预报简介

数值天气预报是使用大型快速电子计算机,通过求解描写大气运动规律的流体力学、热力学方程组,进行天气和天气形势的预报。数值预报工作,是气象工作现代化的一个重要组成部分,是衡量一个国家天气预报发展水平的一个重要标志。现就数值预报的几个主要方面以及存在问题和发展趋势等介绍如下。