螺旋度及螺旋度方程的討論

《螺旋度及螺旋度方程的討論》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、第61卷第6期氣象學(xué)報(bào)Vol.61,No.62003年12月ACTAMETEOROLOGICASINICADecember2003X螺旋度及螺旋度方程的討論陸慧娟高守亭(中國科學(xué)院大氣物理研究所,北京,100029)摘要文中從無摩擦的運(yùn)動(dòng)方程出發(fā),利用量綱分析的方法,導(dǎo)出簡化了的螺旋度方程和不同方向上的螺旋度方程,并對(duì)影響它們變化的各因子進(jìn)行了討論。分析結(jié)果表明,除了Lilly在1986年研究中強(qiáng)調(diào)的浮力效應(yīng)外,壓力梯度與渦度共同作用項(xiàng)和力管項(xiàng)對(duì)螺旋度的變化也有重要影響,甚至比浮力效應(yīng)更大,且力管作用、水平壓力梯度與水平渦度共同作用主要影響水平螺旋度,浮

2、力效應(yīng)、垂直壓力梯度與垂直渦度共同作用主要影響垂直螺旋度;螺旋度的輸送和大氣的輻散、輻合對(duì)螺旋度變化的影響較弱;地轉(zhuǎn)偏向力(無論是在水平方向還是垂直方向)的作用要在系統(tǒng)水平尺度較大時(shí)才能體現(xiàn)出來。水平和垂直方向上的螺旋度既相互區(qū)別在暴雨、強(qiáng)對(duì)流天氣過程中表現(xiàn)出不同的作用,又相互聯(lián)系。一方面,水平螺旋度更具預(yù)示性,對(duì)預(yù)報(bào)強(qiáng)風(fēng)暴有指示意義,而垂直螺旋度更傾向?yàn)槟芊从诚到y(tǒng)的維持狀況和系統(tǒng)發(fā)展、天氣現(xiàn)象的劇烈程度的一個(gè)參數(shù)。另一方面,大的正水平螺旋度有助于垂直螺旋度的增長,而與垂直螺旋度對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)可能對(duì)水平螺旋度產(chǎn)生影響。將中尺度模式和螺旋度計(jì)算結(jié)合起來可能可以

3、提高風(fēng)暴路徑和雨區(qū)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度。關(guān)鍵詞:螺旋度,強(qiáng)風(fēng)暴,不同方向上的螺旋度。[5]發(fā)生在螺旋度值大的地方。Etling討論總結(jié)了大1引言氣中存在的幾種典型螺旋流,并指出流體穩(wěn)定性與螺旋度是表征流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)的螺旋度密切相關(guān)。Wu等[6]對(duì)切變熱對(duì)流擾動(dòng)中螺動(dòng)力特性的物理量,最早用來研究流體力學(xué)中的湍旋度的產(chǎn)生以及螺旋度與非線性能量傳輸之間的關(guān)[1,2]流問題,在等熵流體中具有守恒性質(zhì)。其嚴(yán)格系進(jìn)行了研究。中國氣象學(xué)者也較早對(duì)螺旋度的性[7]定義為H=mV#(¨@V)dS,通常人們所說質(zhì)、應(yīng)用做了研究。伍榮生等推導(dǎo)出完全的螺旋度方程,并指出若不

4、計(jì)摩擦、在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中,大氣的螺旋度是局地螺旋度h,定義為h=V#(¨@V)。[8]的螺旋度具有守恒的性質(zhì)。Tan等討論、研究了螺旋度的重要性還在于它比渦度包含了更多輻散風(fēng)[9]螺旋度在邊界層和鋒區(qū)的動(dòng)力性質(zhì)。劉式適等效應(yīng),更能體現(xiàn)大氣的運(yùn)動(dòng)狀況,其值的正負(fù)情況反映了渦度和速度的配合程度。自20世紀(jì)80年代以研究指出定常準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式中的螺旋度緊密地與大氣來,氣象學(xué)者將螺旋度應(yīng)用到對(duì)強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的旋轉(zhuǎn)垂直運(yùn)動(dòng)有關(guān),即對(duì)于定常的大氣大尺度運(yùn)動(dòng),穩(wěn)定發(fā)展維持機(jī)制和其他相關(guān)的大氣現(xiàn)象研究中,并對(duì)層結(jié)下的上升運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)正螺旋度,下沉運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)負(fù)其在強(qiáng)對(duì)流天氣分析預(yù)報(bào)中的應(yīng)

5、用進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)螺旋度;同樣,螺旋度也緊密地與溫度平流有關(guān),暖和診斷分析。平流對(duì)應(yīng)正螺旋度,冷平流對(duì)應(yīng)負(fù)螺旋度。Lilly[3,4]最早將螺旋度正式地引入到強(qiáng)對(duì)流風(fēng)螺旋度的重要性不僅體現(xiàn)在理論研究方面,還暴研究中。他的研究指出強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴具有高螺旋度在于它在強(qiáng)對(duì)流天氣分析預(yù)報(bào)中的應(yīng)用?；诼菪齕3,4,10][11~15]特征,它的螺旋度從環(huán)境場中獲得并在浮力效應(yīng)下度的理論研究及后來的數(shù)值模擬結(jié)果[16~21]增強(qiáng),同時(shí),高螺旋度阻礙了擾動(dòng)能量耗散,對(duì)超級(jí)和觀測資料分析,螺旋度逐漸成為引入天氣單體風(fēng)暴的維持有重要作用;穩(wěn)定的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴常分析預(yù)報(bào)中的一個(gè)重要

6、物理量。X初稿時(shí)間:2003年7月3日;修改稿時(shí)間:2003年9月1日。資助課題:中國科學(xué)院海外杰出學(xué)者基金(2002-1-2),中國科學(xué)院創(chuàng)新工程(KZCX3-SW-213)和奧運(yùn)科技專項(xiàng)(2001BA904B09)。6期陸慧娟等:螺旋度及螺旋度方程的討論685眾所周知,大氣是一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng),人們關(guān)心表征Hc這里b=bk=gk。H其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量的變化趨勢(shì)甚于關(guān)心這些物理對(duì)式(2)進(jìn)行叉乘運(yùn)算,并計(jì)¨@V=X,X=量本身。因此,對(duì)影響螺旋度變化的因子進(jìn)行研究(X1,X2,F),T=-cpH¨Pc-28@V+b是重要而有意義的,而這恰恰是過去研究所缺乏的

7、。[4]則得渦度方程:1986年,Lilly在研究具有強(qiáng)螺旋性對(duì)流風(fēng)暴的結(jié)9X構(gòu)、能量及其傳播時(shí),在假設(shè)密度為常數(shù)和忽略科氏+(V#¨)X+X(¨#V)-9t力影響的條件下,曾推導(dǎo)過螺旋度方程,并強(qiáng)調(diào)浮力(X#¨)V=¨@T(3)效應(yīng)對(duì)螺旋度的時(shí)間傾向影響很大。在實(shí)際情況分別對(duì)式(2),(3)點(diǎn)乘X和V得下,密度不是常數(shù),忽略密度的變化主要是影響力管9VX#+X#[(V#¨)V]=X#T(4)效應(yīng),即大氣斜壓性不能很好地體現(xiàn)出來,而觀測事9t實(shí)表明,強(qiáng)風(fēng)暴天氣常發(fā)生于風(fēng)垂直切變大,即斜壓9XV#+V#[(V#¨)X+X(¨#V)-9t性強(qiáng)的地方;另一方面

8、,造成中國災(zāi)害性天氣的大氣(X#¨)V]=V#(¨@T)(5)系統(tǒng)常為中尺度或次