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尺度分析与基本方程组的简化(2)

时间:2010-01-29 03:26 来源:地理教师网 作者:云中雪 责任编辑:地理教师
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    3.连续方程和热力学方程的简化

    同样,我们可以得到大尺度运动连续方程各项的量级如下:

    (2.22)

    故其零级简化和一级简化分别为

    (2.23)

    (2.24)

    可见,大尺度运动在一般情况下具有准水平无辐散的特点。类似无量纲水平运动方程的推导,将静止大气的状态作为大气的背景状态,并以ρ0,U0=0,V0=0,W0=0表示。在此背景场上若有扰动产生,并以u'=u,v'=v,w'=w表示扰动场,并代入(2.4)式,则对扰动的连续方程有

    (2.25)

    

    令

    则上式可简化为

    这就是所谓非弹性近似。再进一步,令

    连续方程简化为

    (2.26)

    这就是所谓不可压连续方程。

    最后,我们分析一下热力学方程。对于短期天气过程,可以把大气运动看成是绝热的,这时热力学方程为

    (2.27)

    

    (2.28)

    对于大尺度运动,上式前三项的量级都是10-4,(γd-γ)w是10-5,其余各项为10-6,故热力学方程的零级和一级简化分别为

    (2.29)

    (2.30)

    故由以上结果可以看到,在大尺度运动中温度的局地变化主要是由温度的平流引起的。如果要求精确一些,这还需要考虑由于空气的垂直运动引起的温度变化。

    绝热热力学方程的另一种形式可以表示为

    (2.31)

    其中Cv为等容比热,Cv=R+Cp。根据不可压连续方程,我们立即得到

    (2.32)

    (2.32)式表示温度T在绝热和不可压条件下,在运动过程中保持守恒,这在天气学中有广泛的运用。


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