位涡理论及其应用

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1、第３６卷第３期气象Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．３２０１０年３月ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬＭＯＮＴＨＬＹＭａｒｃｈ，２０１０寿绍文．位涡理论及其应用［Ｊ］．气象，２０１０，３６（３）：９１８．位涡理论及其应用寿绍文南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，大气科学学院，南京２１００４４提要：位涡是近代天气动力学的重要概念之一。本文主要对位涡理论的某些要点，包括位涡的概念、位涡的守恒性、位涡的分析、位涡思想、位涡反演、湿位涡及位涡理论的发展和应用等作一简要介绍。关键词：位涡，位涡思想，湿位涡ＴｈｅｏｒｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰｏｔｅｎｔ

2、ｉａｌＶｏｒｔｉｃｉｔｙＳＨＯＵＳｈａｏｗｅｎＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｆＤｉｓａｓｔｅｒＷｅａｔｈｅｒ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４４犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｖｏｒｔｉｃｉｔｙ（ＰＶ）ｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｎｃｅｐｔｓｉｎａｄｖａｎｃｅｄｓｙｎｏｐｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓａｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅ

3、ｔｈｅｏｒｙｏｆｐｏｔｅｎｔｉａｌｖｏｒｔｉｃｉｔｙ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆＰＶ，ｔｈｅｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄｉｎｖｅｒｔｉｂｉｌｉｔｙｏｆＰＶ，ＰＶｔｈｉｎｋｉｎｇ，ｍｏｉｓｔＰＶ（ＭＰＶ），ａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＶｔｈｅｏｒｙ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｐｏｔｅｎｔｉａｌｖｏｒｔｉｃｉｔｙ（ＰＶ），ＰＶｔｈｉｎｋｉｎｇ，ｍｏｉｓｔＰＶ（ＭＰＶ）／犺＝常数（１）ζ犪引言这里，ζ犪／犺即为“位涡”最简单的表达形式，它表明位涡是一个既与大气的涡度（旋转性）有关，又与大自２０世纪８０年代前后以来，关于位涡的理论气的

4、位势（厚度或高度）有关的物理量。在天气学中和应用的研究蓬勃发展。位涡理论被广泛地应用于常用ζ犪／犺＝常数，即位涡守恒的理论来解释低压天气分析预报和研究工作中。本文主要对位涡理论（槽）上山时减弱，下山时加强的现象，这是位涡理论的一些要点，包括位涡的定义、特性、分析方法、位涡应用中最为人们熟悉的例子之一。思想、位涡反演、湿位涡以及位涡理论的发展和应用与Ｒｏｓｓｂｙ同一时期，Ｅｒｔｅｌ也提出了一个位涡等作一简要介绍。的表达式：狇＝αζ犪·θ（２）其中θ为位温，α（＝－１）为比容，ζ为绝对涡度矢１位涡的概念ρ犪量，狇称为Ｅｒｔｅｌ位涡，或称为广义位涡。Ｒ

5、ｏｓｓｂｙ提位涡是“位势涡度（ＰｏｔｅｎｔｉａｌＶｏｒｔｉｃｉｔｙ）”的简出的位涡只是Ｅｒｔｅｌ位涡的一个特例。广义位涡在称，通常写为ＰＶ。早在２０世纪４０年代初，Ｒｏｓｓｂｙ绝热、无摩擦的干空气中具有严格的守恒性（即ｄ狇／就提出了位涡的概念，他指出在正压条件下，绝对涡ｄ狋＝０）。由式（２）可见，狇是绝对涡度矢量与位温梯度的垂直分量与气柱的高度犺之比值为一常数，度矢量的点乘积。在静力平衡条件下，狇可以简化ζ犪即为绝对涡度垂直分量与静力稳定度的乘积：本文由国家自然科学基金项目（４０８７５０２５，４０８７５０３０，４０７７５０３３、４０４０５００９，

6、４０５７５０２２）及气象灾害省部共建教育部重点实验室开放课题ＫＬＭＥ０９０５资助２００８年７月９日收稿；２００９年１２月３０日收修定稿第一作者：寿绍文，主要从事中尺度大气动力学、天气动力学研究．Ｅｍａｉｌ：ｓｓｈｏｕ９９９＠１２６．ｃｏｍ气象第３６卷１０θ包含动力因子的综合的物理量。狇＝（ζθ＋犳）（－犵）（３）狆涡度是一个三维矢量，通常主要关心其垂直分其中，为等熵面涡度垂直分量，犳是地转涡度的垂ζθ量。当大气运动是非地转的，即有辐合或辐散时，绝直分量，（θ）为静力稳定度，犵为重力加速度。式对涡度不是一个守恒量。由涡度方程可知，当有辐狆合时

7、，涡度增大，辐散时，涡度减小。而且由大气连（３）也可写为：续方程可知，水平散度又是与垂直运动相联系的。－１（４）犘犞＝σζ犪θ一个垂直气柱若保持质量不变，则当其水平方向收其中，缩时，垂直方向便拉长；相反，当其水平方向扩大时，－１σ＝－犵狆／θ＞０（５）垂直方向便缩短。假设地面的垂直速度狑，则０＝０（６）ζ犪θ＝犳＋ζθ当对流层低层有水平辐合时，便有垂直上升运动产σ为在狓狔θ空间中的气块密度，θ为位温，犵为重力生；而当有水平辐散时，则有垂直下沉运动。所以当加速度，为等熵绝对涡度，在等熵面上的位涡称ζ犪θ一个作气旋性旋转的气柱收缩（辐合）时，气柱拉

8、长，为等熵位涡（ＩＰＶ）。涡度增大，旋转加快。绝对涡度包括相对涡度和地对于典型的中纬度天气尺度系统，，因此，ζ＜犳转涡度两