五章運動形態(tài)動力學(xué)

中國科學(xué)技術(shù)大主講：周任君博士中國科學(xué)技術(shù)大主講：周任君博士§1§2§3§4.渦旋運§5§6.垂直運動和對流§7§8.潮汐運1大氣和海水運動的復(fù)大氣和海水運動的復(fù)雜2六種基本運動形六種基本運動形3§14§14§1重壓強梯度§1重壓強梯度摩擦科里奧利力（科氏力引潮5§1全導(dǎo)與偏dAAV§1全導(dǎo)與偏dAAVdTVVT項為溫度平流，是由于空氣運動引起的溫度局地變化，風(fēng)由冷區(qū)吹向暖區(qū)，VT為負(fù)（冷平流）。溫度的局地變化6§1球坐標(biāo)系和局地坐為了給出上述各種作用力的表達(dá)§1球坐標(biāo)系和局地坐為了給出上述各種作用力的表達(dá)式和空氣（或海水）微團(tuán)運動所遵循的方程，有必要選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系。7§1,,§1,,度、緯度和由到j(luò) 的距離。圖中i8§1如果用分別表示空氣（uv 三個方向上i,j§1如果用分別表示空氣（uv 三個方向上i,jk海水V vjdurv,w9§1ijk在球坐標(biāo)的方向隨地球面上的位置不同而是說在空氣（或海水）運動過程中， j§1ijk在球坐標(biāo)的方向隨地球面上的位置不同而是說在空氣（或海水）運動過程中， j 隨間是變化的。因此球坐標(biāo)系中的加速度dudvdwudjvw k所以在球坐標(biāo)系中加速度向量的表達(dá)式§1在大氣科學(xué)和海洋學(xué)中常常用P點離開海平面的距離z來代替rrr0r0§1在大氣科學(xué)和海洋學(xué)中常常用P點離開海平面的距離z來代替rrr0r0,w§1局地坐標(biāo)如果所研究的水平范圍不太大，§1局地坐標(biāo)如果所研究的水平范圍不太大，且不在極地附近，我們可以將ijkdxr0dyr0ddzdr§1這個坐標(biāo)系的原點取在所研究的地§1這個坐標(biāo)系的原點取在所研究的地標(biāo)系稱為局地直角坐標(biāo)系或簡稱局§1 dudvj§1 dudvjdw§1局地坐標(biāo)系中的加速度矢量表達(dá)式形式上似乎與笛卡兒直角坐標(biāo)系中§1局地坐標(biāo)系中的加速度矢量表達(dá)式形式上似乎與笛卡兒直角坐標(biāo)系中§1一．重地球上的任何物體，都受到地球的吸引力以及地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性離§1一．重地球上的任何物體，都受到地球的吸引力以及地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性離大氣科學(xué)和海洋學(xué)中所指的重力§1g*--地心引Ω2R§1g*--地心引Ω2R—慣性離心g—重§1重力加速度隨緯度g§1重力加速度隨緯度g=9.78032m/s29.83218§1重力加速度還隨著離§1重力加速度還隨著離海平面的距離但其量甚在大氣科學(xué)和海9.8m/s2學(xué)中，一般取為常重力并不指向地但它與海平-g)§1二單位質(zhì)量空氣（或海水）1G§1二單位質(zhì)量空氣（或海水）1G空氣（或海水）微團(tuán)在壓強梯§1在y,1Gx1G§1在y,1Gx1Gy z§1§1§11大得多，但由于它與重力相抵消，凈浮力很小，所以垂直方向上的加§11大得多，但由于它與重力相抵消，凈浮力很小，所以垂直方向上的加§1三．摩擦空氣（或海水§1三．摩擦空氣（或海水）§1§1§1以不同速度運動時，相鄰流體層之間zzV§1以不同速度運動時，相鄰流體層之間zzVz向上流速不均時上層流體對與其相鄰的下層流體的切應(yīng)力，而下層流體對相等，上層流體的切應(yīng)力大小與z§1§1zVz§1如果流體速度在不均，則還有兩個側(cè)面的切應(yīng)§1如果流體速度在不均，則還有兩個側(cè)面的切應(yīng)Vyx也各有三個分量，所以切應(yīng)力共有分量。但一般情況下側(cè)面的兩個切比垂直方向上的切應(yīng)力小得多。所常只考。z風(fēng)應(yīng)力就是風(fēng)與表層海水之間的切應(yīng)力§11zFz§11zFzI§1對于由湍流引起的內(nèi)摩擦§1對于由湍流引起的內(nèi)摩擦FIKz為垂直湍流滯系數(shù)§1貼近地面運動的空氣（或海水微團(tuán)除受內(nèi)摩擦作用外，還受到地表面（或海底）對它的阻力，稱為用§1貼近地面運動的空氣（或海水微團(tuán)除受內(nèi)摩擦作用外，還受到地表面（或海底）對它的阻力，稱為用明的大小與空氣（或海水）動速度成正比，其方向與空氣（§1K§1KK～1.9×10-4s-1§1摩擦力對大氣的作用在近地面減小地公里以上的公里以§1摩擦力對大氣的作用在近地面減小地公里以上的公里以上的大氣為自由大氣稱§1四．科里奧利§1四．科里奧利V§1§1§1kij2V2§1kij2V2vcoswsin0(2vsin2wcosk2usin2ucosj§1科氏力的水平分f§1科氏力的水平分f2sin，稱為地轉(zhuǎn)參其uvw是三個方向的運對于大尺度運動，w非常小，在研究水平2usin常常將和項略去，只考慮2vsin§1§1§1潮以地-月系統(tǒng)為例：地球受到兩個力的作§1潮以地-月系統(tǒng)為例：地球受到兩個力的作??§2§2§2大氣和海水運動也遵循牛頓第二§2大氣和海水運動也遵循牛頓第二F其是作用于空氣或海水）微F上的各力的合力，a是空氣（或海水）微團(tuán)的加速度，m為空氣（或§2把上述討論的各力之表達(dá)式代入牛頓第二定律表達(dá)式中并§2把上述討論的各力之表達(dá)式代入牛頓第二定律表達(dá)式中并考慮單位質(zhì)量空氣(或海水)微團(tuán)的運動，就可以得到旋轉(zhuǎn)地球上大氣(或海水)的運動方程的矢P2VgFr其表示總的摩擦力§2在局地坐標(biāo)系中，運動方程的分量形du1Pfv2wcos§2在局地坐標(biāo)系中，運動方程的分量形du1Pfv2wcosPfudw1Pg2ucos§2這組運動方程反映了大氣或海水運動過程中動量變化與外加作用§2這組運動方程反映了大氣或海水運動過程中動量變化與外加作用§2dw項比重力和垂直壓強梯2ucos§2dw項比重力和垂直壓強梯2ucosFrz力小得很多，在第一個運動方程中項比其他項也小得多§2簡化后的運動方程為du1Pfv§2簡化后的運動方程為du1Pfvdv1Pfu1Pg第三式又稱為靜力平衡方程?！?§3本節(jié)討論的環(huán)流本節(jié)討論的環(huán)流一.全球性平均大氣一.全球性平均大氣對大氣角動量、能規(guī)模輸送，維持著大氣圈全球性平均大氣環(huán)全球性平均大氣環(huán)（1）（1）平均地面風(fēng)平均地面風(fēng)平均高空平均高空。平均水平風(fēng)帶的形平均水平風(fēng)帶的形地轉(zhuǎn)風(fēng)（地轉(zhuǎn)流在地轉(zhuǎn)風(fēng)（地轉(zhuǎn)流在不考慮摩擦力的情況下，在水平壓強梯度力和水平科氏力平衡時產(chǎn)生的運動。在大氣中稱為地轉(zhuǎn)風(fēng)，在海洋中稱為地轉(zhuǎn)流。統(tǒng)稱地描述地轉(zhuǎn)運動的方1Pfvg1描述地轉(zhuǎn)運動的方1Pfvg1Pfug fyug1v fyug1vg和白貝羅定律（風(fēng)壓定律白貝羅定律（風(fēng)壓定律地轉(zhuǎn)風(fēng)與水平壓強梯度、空氣（海水）密、地轉(zhuǎn)參數(shù)關(guān)赤道附近，地轉(zhuǎn)關(guān)系不地轉(zhuǎn)Vggtanf海面的傾斜摩擦氣壓梯度力，科氏力和摩擦力摩擦氣壓梯度力，科氏力和摩擦力近地面層的風(fēng)和力的平衡關(guān)系風(fēng)和等壓線之間有一個夾角β，風(fēng)穿越等壓線吹向低壓方向。β近地面層的風(fēng)和力的平衡關(guān)系風(fēng)和等壓線之間有一個夾角β，風(fēng)穿越等壓線吹向低壓方向。ββ也大。所以在陸地上β大于海面上，隨著高度的β越來越小風(fēng)逐漸平行于等壓線接近于地轉(zhuǎn)風(fēng)。不考慮摩考慮摩不考慮摩考慮摩(2)平均經(jīng)向垂極地環(huán)(2)平均經(jīng)向垂極地環(huán)哈得來環(huán)哈得來環(huán)(3--沃克(Walker沃克環(huán)流圈(3--沃克(Walker沃克環(huán)流圈的位置和強弱發(fā)生較大變化，就會造成某些地區(qū)的氣候異常海溫分海溫分2．局地性的熱力2．局地性的熱力季風(fēng)，海陸風(fēng)和山谷風(fēng)大氣中同一時間內(nèi)加熱率(或降溫率)分布不均勻產(chǎn)上較涼的空氣下沉，形成海風(fēng)上較涼的空氣下沉，形成海風(fēng)（2）山白天—谷風(fēng)山（2）山白天—谷風(fēng)山坡上見陽光早，接受陽光增暖比山谷快，風(fēng)由山谷沿山坡向上夜間—山風(fēng)（3）季由不同季節(jié)海陸溫差引起夏季陸地比海上熱得多，形成強的（3）季由不同季節(jié)海陸溫差引起夏季陸地比海上熱得多，形成強的冬季陸地比海上冷得多，形成強的3．大洋3．大洋大洋上的風(fēng)場和海大洋上的風(fēng)場和海(1)大洋環(huán)流的幾大流系(1)大洋環(huán)流的幾大流系①②③④⑤赤道流包括南赤道赤道流包括南赤道赤道流的平均流速赤道流的平均流速赤道逆流赤道逆流2)西風(fēng)漂2)西風(fēng)漂由中緯度低壓形成的氣旋活動，造成頻繁的風(fēng)暴和大量的降由中緯度低壓形成的氣旋活動，造成頻繁的風(fēng)暴和大量的降3)西部邊界3)西部邊界西部邊界太平洋中的黑潮和東澳大利亞海流灣灣黑東岸、琉球群島、日本海岸到35N附近黑東岸、琉球群島、日本海岸到35N附近35親黑親黑4)東部邊界4)東部邊界5）冬季東北季5）冬季東北季夏季西南(2)(2)海水在風(fēng)的作用下運動受海水在風(fēng)的作用下運動受風(fēng)應(yīng)力—使海水運與上層海水的運動方向相這三個力平衡時海水的運動稱為風(fēng)生海流，其方向與風(fēng)向有一海水在風(fēng)的作用下的流海水在風(fēng)的作用下的流上消失。這就是風(fēng)生海流的形成?艾克曼的漂流無限深海的風(fēng)海流艾克曼的漂流無限深海的風(fēng)海流艾克曼，1905艾克(不考慮海岸艾克(不考慮海岸和海底的摩擦作用Kz為常數(shù)=0fvzz=0fvzzfuEkmanzzz)e4北半球取“+”南半球取“-”zuV0z)e4zz)e4北半球取“+”南半球取“-”zuV0z)e4zvV0 2Kz其中E0fKfz海表Ekman海表Ekman流的流uVuV0cosvV0sin(2)z=-DE流速為表面的0.04（e-）風(fēng)海流的垂直結(jié)風(fēng)海流的垂直結(jié)也稱為艾克曼螺線§4．§4．§4．渦旋運渦旋運§4．渦旋運渦旋運在壓強梯度力作用下，空氣或海由高壓向低壓運動并在科氏力作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)在北半球在南半球旋轉(zhuǎn)§4．渦旋運1.梯度風(fēng)和旋衡§4．渦旋運1.梯度風(fēng)和旋衡梯度風(fēng)在大氣中，如果運動的曲率較空氣運動時除受氣壓梯度力和科氏力§4．渦旋運北半球§4．渦旋運北半球高、低壓區(qū)中力的§4．渦旋運用梯度風(fēng)解釋渦旋§4．渦旋運用梯度風(fēng)解釋渦旋內(nèi)運動，在北半球科氏力使它向右偏轉(zhuǎn)于是產(chǎn)生反時針旋轉(zhuǎn)的流動??高壓區(qū)（反氣旋）的情況則相反，產(chǎn)生時針旋轉(zhuǎn)的流?南半球的情況則完全相§4．渦旋運北半球§4．渦旋運北半球高、低壓區(qū)§4．渦旋運梯度風(fēng)的表達(dá)式2V1 crV1 A§4．渦旋運梯度風(fēng)的表達(dá)式2V1 crV1 Ar其中和速，r為曲率半徑§4．渦旋運梯度風(fēng)的r rsin(rsin§4．渦旋運梯度風(fēng)的r rsin(rsin)2crrsin(rsin)2 A§4．渦旋運2衡§4．渦旋運2衡?§4．渦旋運旋衡風(fēng)的§4．渦旋運旋衡風(fēng)的例子范圍很小而很強烈的熱帶風(fēng)和臺旋衡風(fēng)也是梯度風(fēng)的一個特例§4．渦旋運2V1r§4．渦旋運2V1r§4．渦旋運大氣中的渦旋§4．渦旋運大氣中的渦旋運在中緯度地區(qū)溫帶氣旋和反氣旋--中緯度地區(qū)重要的天氣§4．渦旋運（1）臺§4．渦旋運（1）臺§4．渦旋運§4．渦旋運§4．渦旋運我國熱帶氣旋的分類（2006新標(biāo)準(zhǔn)底層中心附近最大平均風(fēng)速§4．渦旋運我國熱帶氣旋的分類（2006新標(biāo)準(zhǔn)底層中心附近最大平均風(fēng)速（風(fēng)力16級或以上米/秒41.5-14-1532.7-41.4米/秒，12-1324.5-10-11熱帶風(fēng)暴:底層中心附近最大平均風(fēng)速17.2-8-9熱帶低壓:底層中心附近最大平均風(fēng)速10.8-6-7§4．渦旋運§4．渦旋運§4．渦旋運確定臺§4．渦旋運確定臺風(fēng)強度的依臺風(fēng)中心地面最大平均臺風(fēng)中心海平面最低氣近中心風(fēng)速愈大，中心氣壓愈低，則臺風(fēng)1958年27號臺風(fēng)是一次非常強的臺風(fēng)，臺風(fēng)中心附近最大平均風(fēng)速達(dá)110米／秒，中心氣壓為877§4．渦旋運臺風(fēng)內(nèi)低空風(fēng)場的§4．渦旋運臺風(fēng)內(nèi)低空風(fēng)場的臺風(fēng)大風(fēng)區(qū)--臺風(fēng)風(fēng)力可達(dá)15米/秒，向內(nèi)風(fēng)速急增臺風(fēng)渦旋區(qū)--臺風(fēng)最強烈的對流和降水臺風(fēng)破壞力最大、最集中的區(qū)域臺風(fēng)眼區(qū)--臺風(fēng)內(nèi)其直徑約10—60???§4．渦旋運臺風(fēng)眼§4．渦旋運臺風(fēng)眼臺風(fēng)無雨螺旋雨§4．渦旋運§4．渦旋運§4．渦旋運（2005.08.31§4．渦旋運（2005.08.31at§4．渦旋運全球臺風(fēng)發(fā)生§4．渦旋運全球臺風(fēng)發(fā)生的8個海北半球五個??南半球三個§4．渦旋運臺風(fēng)路徑§4．渦旋運臺風(fēng)路徑§4．渦旋運大洋西部發(fā)生的臺風(fēng)比大洋東部發(fā)生的多得多。其中以西北太平南大西洋和東南太平洋至今尚§4．渦旋運大洋西部發(fā)生的臺風(fēng)比大洋東部發(fā)生的多得多。其中以西北太平南大西洋和東南太平洋至今尚§4．渦旋運西太平洋§4．渦旋運西太平洋臺風(fēng)的源菲律賓以關(guān)島附近南海中部§4．渦旋運§4．渦旋運§4．渦旋運臺風(fēng)發(fā)生的季節(jié)性§4．渦旋運臺風(fēng)發(fā)生的季節(jié)性一般在生成地區(qū)太陽高度角達(dá)§4．渦旋運臺風(fēng)的水平范圍通?！?．渦旋運臺風(fēng)的水平范圍通常以臺風(fēng)系統(tǒng)最外圍近圓的等壓線為準(zhǔn)直徑一般為600—公里最大的可達(dá)最小的只有公里公§4．渦旋運溫帶氣旋和反氣水§4．渦旋運溫帶氣旋和反氣水平氣旋的直大的可小的只公里或更小§4．渦旋運氣旋、反氣旋的強§4．渦旋運氣旋、反氣旋的強中心氣壓值愈低，氣旋愈氣旋地面氣旋的中心氣壓值一般在—1010hPa之間強大的氣旋，中心氣壓值可低于935hPa反氣旋:中心氣壓值愈高地面反氣旋的中心氣壓值一般1020—冬季東亞大陸上反氣旋的中心氣可達(dá)到1040hPa§4．渦旋運海上的溫帶氣旋要比陸地上的§4．渦旋運海上的溫帶氣旋要比陸地上的§4．渦旋運?！?．渦旋運?！?．渦旋運反氣旋有冷性和暖性§4．渦旋運反氣旋有冷性和暖性之冷性反氣旋--冷高壓活動于中高緯度大陸近地當(dāng)冷高壓主體從北方移到南方常常引起降在冬季強大的冷高壓南下時，小時10℃的造氣§4．渦旋運§4．渦旋運北半球的副熱帶高壓有太平洋他們的位置隨季節(jié)會發(fā)生在南北方向的移動和在東西方向上的進(jìn)§4．渦旋運§4．渦旋運§4．渦旋運江淮氣§4．渦旋運江淮氣§4．渦旋運渦描述空氣微團(tuán)旋轉(zhuǎn)運動的強弱程度及§4．渦旋運渦描述空氣微團(tuán)旋轉(zhuǎn)運動的強弱程度及大氣科學(xué)中常用的渦度ζ是速度旋量§4．渦旋運w§4．渦旋運wVyzizxjxy§4．渦旋運v§4．渦旋運v速度。因此ζ又稱為相對渦度§4．渦旋運渦度與氣旋反氣§4．渦旋運渦度與氣旋反氣旋的關(guān)氣旋—渦度為正值反氣旋—渦度為負(fù)值渦度增加—氣旋增強或渦度減小—氣旋減弱或反氣§4．渦旋運3.海洋中的渦旋§4．渦旋運3.海洋中的渦旋運灣流和黑潮的彎曲現(xiàn)象發(fā)展到一定程度時，有的彎曲部分與主體斷離，形在一些海底地形復(fù)雜的地方也有渦百慕大群島附近的強大的渦旋運動可是造成很多失事的原因§5．波大氣和海水§5．波大氣和海水都是連續(xù)介質(zhì)。若在其上質(zhì)點的振動，依此下去，振動就會從擾逐漸向外傳播，這種振動的傳播稱為§5．波yAsink(x或yAcos§5．波yAsink(x或yAcosk(x2A為波的振L為波長，所以kLL,τ為振動周2kc?！?．波i(kxt§5．波i(kxtik(xcty§5．波重力波—以§5．波重力波—以重力為主要的慣性波—以科氏力為恢§5．波海洋中的波動§5．波海洋中的波動還有：表面張力波或毛細(xì)波—它的主要恢§5．波1.重力大氣§5．波1.重力大氣和海洋中的重力波分§5．波(1)重力外§5．波(1)重力外§5．波§5．波§5．波§5．波§5．波海洋中最常見的重力外波風(fēng)浪是海水在風(fēng)的直接作用下產(chǎn)生§5．波海洋中最常見的重力外波風(fēng)浪是海水在風(fēng)的直接作用下產(chǎn)生§5．波淺水波淺水波§5．波淺水波淺水波C0u§5．波其中u為平均風(fēng)速或海水的流速g為重力加速度H§5．波其中u為平均風(fēng)速或海水的流速g為重力加速度H為海洋深度或均質(zhì)大氣的高度(即標(biāo)高)，0H（大氣g所以在大氣中C0u通常情況下，C0≈280m／s，略小于聲速§5．波(2)重力內(nèi)波§5．波(2)重力內(nèi)波是大氣和海洋中特有的一重力內(nèi)波又分為續(xù)變化的大氣和海水中的重力內(nèi)§5．波發(fā)生在大氣或海水密度的不連續(xù)§5．波發(fā)生在大氣或海水密度的不連續(xù)§5．波②發(fā)生在密度連§5．波②發(fā)生在密度連續(xù)變化的和海水中的重力內(nèi)波它是在空氣或海水密度具有穩(wěn)層結(jié)時，空氣或海水微困受擾動時成的在密度連續(xù)變化的大氣或海水§5．波§5．波§5．波NuCIk§5．波NuCIk§5．波m其中為重力內(nèi)波在垂直方向上的稱數(shù)為重力內(nèi)波在水平方向上的波§5．波m其中為重力內(nèi)波在垂直方向上的稱數(shù)為重力內(nèi)波在水平方向上的波gN布倫特-維賽拉頻率。在大氣中g(shù)N可以寫，其為ddT氣微團(tuán)絕熱上升時的溫度遞減率，為氣層的垂直溫度遞減在通常情況下，重力內(nèi)波的相速度比重力外波小。有時它可以與平均風(fēng)速接近。§5．波在實際大氣中，重§5．波在實際大氣中，重力內(nèi)波與某些天氣現(xiàn)象有密切聯(lián)系例如：雷暴§5．波§5．波§5．波§5．波§5．波2.斯貝§5．波2.斯貝以羅斯貝(Rossby)又稱渦旋慢波--具有明顯的渦旋運動又稱長波—波長很長，在大氣中，其波長幾千公里，通常繞一個緯圈大約有3—6個波§5．波§5．波§5．波羅斯貝波與高空氣壓場的關(guān)系§5．波羅斯貝波與高空氣壓場的關(guān)系波峰對應(yīng)于高壓區(qū)，常稱為或長波脊§5．波羅斯貝波與中短期天氣關(guān)系通常在長§5．波羅斯貝波與中短期天氣關(guān)系通常在長波槽前地面附近為一系列的氣旋族，槽后為一高壓區(qū)。因此，當(dāng)長波槽移過某地時，常會帶來一系列壞天氣。當(dāng)長波脊控制某地上空時，則會維持一段時間好§5．波羅斯貝波的移速公式kCuL2C2§5．波羅斯貝波的移速公式kCuL2C2或2（其，為f轉(zhuǎn)參數(shù)，Ω為地球自轉(zhuǎn)角速秒-Ω=7.29×10-。φ為緯度§5