大氣動力學

大氣動力學（atmospheric dynamics） 套用流體力學的基本定律（核心是牛頓第二定律和質量守恆定律），從理論上研究發生在大氣中各種動力過程的學科。它是動力氣象學的一個組成部分。它從分析地球大氣中的作用力入手，研究這些力和運動的關係，探索大氣運動的基本規律和機制。

基本介紹

• 中文名：大氣動力學
• 外文名：atmospheric dynamics
• 類別：學科
• 方法：流體力學
• 分支：動力氣象學的分支
• 分析：大氣中的作用力
• 探索：大氣運動的基本規律

簡介

大氣運動的形式是多種多樣的，不同的運動形式有不同的特點，它們的差別，主要是由促使大氣運動的作用力不同而造成的。這自然會影響到大氣運動的水平尺度。根據水平尺度ι的大小，可粗略地把大氣運動分成：大尺度運動（ι的量級約為103公里）,如大氣的長波和超長波；中尺度運動（ι的量級約為102公里）,如颱風、中尺度低壓和氣旋；小尺度運動(ι的量級約為10公里)，如雷暴和龍捲（見天氣系統）。

研究的特點

大氣運動的空間尺度不同，描寫各種運動形式的動力方程組簡化的形式也不同（見大氣動力方程）。但一般說來，運動由其主要因子（基本力）所決定。因此，大氣動力學的任務，首先是區分不同類型的大氣運動的主要因子和次要因子，然後針對不同情況，將大氣動力方程組，作合乎實際的簡化，求出方程組的解。這些解反映了特定大氣運動的基本狀態，同時也清楚地反映了這些運動狀態演變的物理過程。

特徵參數

地球大氣的基本作用力，有重力、科里奧利力、氣壓梯度力和粘性力（摩擦力）。在不同尺度的大氣運動中，由於作用力不同，其慣性加速度也不同。一般將空氣水平運動的慣性力和科里奧利力的比值，定義為羅斯比數，它可表示為

式中ι為大氣運動的水平特徵尺度，u為水平風速特徵尺度，f=2ωsinφ(ω為地球自轉角速度，φ為緯度)為科里奧利參數。顯然，ι越大，Ro 越小,科里奧利力的作用就越重要。中緯地區的大氣運動，u≈ 10米/秒，f≈10-4秒-1。在大尺度運動的情形下,Ro 約為1/10，這說明慣性力比科里奧利力小得多，在最粗略的近似下可以略去。這樣，氣壓梯度力將和科里奧利力平衡，而形成地轉風。至於中尺度運動，Ro ≈1。可見，羅斯比數是描寫大氣水平運動特性的一個重要參數。

另一方面，把鉛直方向的慣性力和阿基米德浮力之比定義為弗勞德數，即 ：這裡w是大氣運動鉛直速度的特徵尺度；孒 是大氣的平均密度;x′是密度變化的特徵量；g 是重力加速度；啛是大氣標高（均質大氣高度）,一般為8公里。當弗勞德數Fγ<<1時，運動是準靜力的。倘若Fγ≥1,即w較大時,則運動將是非靜力的。一般大尺度運動都是準靜力的。

研究大氣邊界層的運動時，常引入埃克曼數，它定義為粘性力和科里奧利力之比，即

式中v是渦旋運動粘度。如果Ek<<1,粘滯力可以忽略不計；若Ek>>1,粘滯力的作用將顯得很重要。一般在行星邊界層中才需要考慮渦旋粘性對運動的影響。

隨著近代數學和計算技術的發展，大氣動力學的研究，已深入到更廣泛的領域，成為天氣學、氣候學和數值天氣預報的基礎。