关于大气动力学介绍

[拼音]：daqi donglixue

[外文]：atmospheric dynamics

用流体力学的方法研究大气运动的学科，是动力气象学的重要分支。它从分析地球大气中的作用力入手，研究这些力和运动的关系，探索大气运动的基本规律和机制。

大气运动的形式是多种多样的，不同的运动形式有不同的特点，它们的差别，主要是由促使大气运动的作用力不同而造成的。这自然会影响到大气运动的水平尺度。根据水平尺度ι的大小，可粗略地把大气运动分成：大尺度运动（ι的量级约为103公里），如大气的长波和超长波；中尺度运动（ι的量级约为102公里），如台风、中尺度低压和气旋；小尺度运动(ι的量级约为10公里)，如雷暴和龙卷（见天气系统）。

大气运动的空间尺度不同，描写各种运动形式的动力方程组简化的形式也不同（见大气动力方程）。但一般说来，运动由其主要因子（基本力）所决定。因此，大气动力学的任务，首先是区分不同类型的大气运动的主要因子和次要因子，然后针对不同情况，将大气动力方程组，作合乎实际的简化，求出方程组的解。这些解反映了特定大气运动的基本状态，同时也清楚地反映了这些运动状态演变的物理过程。

地球大气的基本作用力，有重力、科里奥利力、气压梯度力和粘性力（摩擦力）。在不同尺度的大气运动中，由于作用力不同，其惯性加速度也不同。一般将空气水平运动的惯性力和科里奥利力的比值，定义为罗斯比数，它可表示为

式中ι为大气运动的水平特征尺度，u为水平风速特征尺度，f=2ωsinφ(ω为地球自转角速度，φ为纬度)为科里奥利参数。显然，ι越大，Ro 越小，科里奥利力的作用就越重要。中纬地区的大气运动，u≈ 10米/秒，f≈10-4秒-1。在大尺度运动的情形下，Ro 约为1/10，这说明惯性力比科里奥利力小得多，在最粗略的近似下可以略去。这样，气压梯度力将和科里奥利力平衡，而形成地转风。至于中尺度运动，Ro ≈1。可见，罗斯比数是描写大气水平运动特性的一个重要参数。

另一方面，把铅直方向的惯性力和阿基米德浮力之比定义为弗劳德数，即

这里w是大气运动铅直速度的特征尺度；孒 是大气的平均密度;x′是密度变化的特征量；g 是重力加速度；啛是大气标高（均质大气高度），一般为8公里。当弗劳德数Fγ<<1时，运动是准静力的。倘若Fγ≥1，即w较大时，则运动将是非静力的。一般大尺度运动都是准静力的。

研究大气边界层的运动时，常引入埃克曼数，它定义为粘性力和科里奥利力之比，即

式中v是涡旋运动粘度。如果Ek<<1，粘滞力可以忽略不计；若Ek>>1，粘滞力的作用将显得很重要。一般在行星边界层中才需要考虑涡旋粘性对运动的影响。

随着近代数学和计算技术的发展，大气动力学的研究，已深入到更广泛的领域，成为天气学、气候学和数值天气预报的基础。

参考书目

1. 郭晓岚讲授，朱伯承整理：《大气动力学》，江苏科学技术出版社，南京，1981。J.Pedlosky，GeophysicalFluid Dynamics，Verlag，New York，1979.