地球流体动力学

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1、地球物理流体动力学GeophysicalFluidDynamics南京信息工程大学大气科学学院王文wangwen@unist.edu.cnGeophysicalFluidDynamics地球物理流体动力学余志豪杨大升等参考文献：1．J.Pedlosky，地球物理流体动力学导论2．A.E.Gill，大气-海洋动力学3．S.Friedlander，地球物理流体动力学数学理论导论4．刘式适，刘式达，大气动力学5．小仓义光，大气动力学原理6．杨大升，动力气象学7．郭晓岚，大气动力学8．J.R.Holton，动力气象学引论9．刘式适，刘式达，地球流体力学中的数学问

2、题10．巢纪平，厄尔尼诺和南方涛动动力学11．朱抱真等，大气和海洋的非线性动力学概论动力气象在流体力学的基础上研究地球大气的运动规律，它与一般的流体力学有所不同，它具有自身的特点，这些特点是由地球大气运动的固有特征决定的。首先，气象上有重要意义的运动具有相当大的尺度，其水平尺度从百公里到数千公里，甚至达到地球半径的大小。对于这些运动，地球的旋转具有重要影响。地球上的物体都受到地球旋转的作用，赤道地区的物体具有量级为400m/s的相对于地球轴的旋转线速度，远大于大气中的典型风速—10m/s。同时，地球旋转产生的涡度与大气中典型的大尺度运动产生的涡度相比，也

3、是非常大的。因此，对于气象上具有重要意义的大尺度运动，地球旋转的影响必须考虑。其次，大气受到地球重力场的作用，使大气质量向地表集中，造成大气密度随高度递减。此外，太阳辐射引起的地面非均匀加热，也造成大气密度的显著变化，这种大气密度的不均匀分布，使大气具有层结特征。对于大尺度大气运动，密度向上递减的大气层结，使大气运动几乎总是重力稳定的，其结果是使平行于局地重力方向的运动受到抑制，这就有助于产生准水平的大尺度运动。同时，稳定层结还使大气大尺度运动具有另一重要特性，即运动的水平尺度远大于其垂直尺度，也就是说，大尺度大气运动发生在非常薄的大气层内，对于这种运动

4、，静力近似高度精确成立。第三，大气运动过程中凝结潜热的释放是大气运动的一个重要能量源，造成大气运动的发展，增加大气运动的复杂性。此外，大气的斜压性、准不可压缩性也是大气的重要特性，对大气运动也产生重要影响。第一章引论在本章中，将对地球物理流体及地球物理流体动力学的内涵作初步的框定，并对它的物理特性及最基本的动力学特征作简单的介绍，其中亦涉及一些准备知识和基础知识。§1.1地球物理流体人类活动赖以生存的地球环境，主要是覆盖在整个地球上的大气圈以及约占地球表面积70%的海洋。大气和海洋都属流体，它们的运动都应遵循流体力学的一般规律。由于它们各自的特征及种种历

5、史原因，从19世纪开始出现了海洋动力学，到了20世纪初才开始形成大气动力学。对于大尺度海洋和大气运动的长期研究，人们发现这两者的运动规律具有多方面的共同特征。它们都是受热力、重力及地球旋转等三种基本因素支配，在动力学基本特征方面有着很多相同之处。于是本世纪70年代J.Charney(1972)及J.Pedlosky(1979)等人从大尺度运动规律角度出发，把地球大气和海洋概括成“地球物理流体”或“地球流体”这个统一的概念，从此就诞生了“地球物理流体动力学”或“地球流体力学”这门新型的学科。显然，地球流体不同于一般的抽象流体，它具有地球的固有特征，但它又不

6、是具体的大气和海洋，它是大气和海洋从大尺度运动方面得出的共性抽象。所以，具体说来地球流体力学就是在重力场、柯氏力场和加热作用下，旋转层结流体的大尺度动力学，即大气和海洋大尺度动力学的共性部份。就大气和海洋这两种流体介质而言，它们的物理特性是有着明显的差异的。例如，大气的流动一般要比海流快100倍。尽管如此，它们的大尺度动力学特征却是有着多方面的共性。例如，第二章将要介绍的大气和海洋的大尺度运动的一阶近似（Ro=10-1）都是地转流，或者它们的流动基本特性都是地转的。因此把两种物理特性不同的流体介质即大气和海洋，概括成统一的地球流体来探索研究，这无论对大气

7、或海洋环流的认识都是一个深刻的发展。可是，在热力性质方面，大气和海洋是不同的。水的比热(cp)比空气大4倍，更由于水的密度比空气大1000倍，因而使得整层大气(单位面积)升高温度1K所需的热量107J，只能使得25m厚海洋（单位面积）升高温度lK。由此可见，海洋相对于大气而言是一个巨大的热库，海洋潜热是一个很重要的量。在热带地区只要每天蒸发4mm的海水，就足以使得那里的整层大气每天升温1K，这相当于热带地区辐射冷却的量级。海洋相对于大气是一个巨大热库的特征，虽不能构成它们在地球流体力学的共性部分，但却在海-气相互作用、调节大气气候变化等方面起着重要作用。

8、近年来，年际短期气候变化异常已成为一个热门课题。而人们在寻求和探索解决这个热门课