大气动力学

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  大气动力学汉语拼音:Daqi Donglixue;英语:Atmospheric Dynamics),应用流体力学的基本定律(核心是牛顿第二定律质量守恒定律),从理论上研究发生在大气中各种动力过程学科。是动力气象学的一个组成部分。

  大气中的动力过程主要是空气在运动时所受到的作用力的过程。大气中的作用力,主要有重力压力梯度力科里奥利力黏性力等。重力是指旋转地球上的空气所受地心引力离心力的合力。压力梯度力是指压力在空间的分布不均匀而作用于空气上的力。科里奥利力是指由于地球自转和相对于旋转地球空气有运动时所受到的一种惯性力(在北半球,它垂直于速度方向且指向其右方;在南半球,它垂直于速度方向且指向其左方)。黏性力是指速度在空间分布的不均匀,邻近空气的相对运动引起动量输送而作用于空气上的力,在大气中动量输送主要是湍流运动所引起的,所以,黏性力主要是湍流黏性力。在大气中除靠近地面的大气边界层以外(称为自由大气),一般不考虑黏性力对空气运动的作用。

  大气运动的性质与一般非旋转流体(如地面上的水)运动的性质有极大的差别,其主要原因之一就在于空气随地球旋转要受到科里奥利力的作用。对于非旋转流体,它在压力梯度力的作用下从高压向低压运动(如地面上的水从高处往低处流),但对于空气而言,它还受到科里奥利力的作用,使得空气几乎在垂直于压力梯度力的方向上运动。

  大气运动的性质与它的水平范围(称为水平尺度)有很大的关系。一般,小尺度(水平尺度为几十千米)运动不要考虑科里奥利力的作用;中尺度(水平尺度为几百千米)运动就要考虑科里奥利力的作用了;大尺度(水平尺度为几千千米)运动不仅要考虑科里奥利力的作用,还要考虑科里奥利参数随纬度的变化(这种变化通常用罗斯比参数表示)。此外,在铅直方向,由于对流层的铅直尺度只有10千米左右,比大尺度运动的水平尺度小两个量级以上,在这种条件下,重力和铅直方向的压力梯度力接近平衡,这种平衡称为静力平衡,它表示,大气大尺度运动在铅直方向上的加速度非常之小,以致它在铅直方向上满足静力平衡。但对大气中、小尺度运动,静力平衡就不易满足了。水平尺度越小,越非静力平衡,铅直方向上的加速度越大。

  基于上述分析,通常认为:大气小尺度运动的演变主要受层结在重力作用下形成的重力波所控制,中尺度运动的演变主要受科里奥利力和重力共同作用下形成的惯性重力波所控制,大尺度运动的演变主要受科里奥利参数f随纬度的变化(即罗斯比参数)作用下形成的罗斯比波(或大气长波)所控制。

  描写大气运动和状态演变的方程组通常包括运动方程、连续性方程(即质量守恒定律)、状态方程(即理想气体状态方程)、热力学方程(即热力学第一定律)和水汽方程(即水汽守恒定律)。