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大气环流期末复习


第一章
1.大气环流是什么?大气环流有哪些研究方法? (1)大气环流一般是指大范围的大气运动现象。 它的水平尺度在数千千米以上, 垂直空间尺度在 10 千米以上,时间尺度是 1-2 日以上。这种大尺度大气运行的 基本状态不但影响天气的类型及其改变,也影响气候的形成;而它们的年际变化 (即环流异常)与气候异常有直接联系。 (p1) (2)诊断分析,数值模拟,理论研究,转盘实验(具体看 p7) 2.洛伦茨将 20 世纪 70 年代中期前的大气环流学发展分为按四个阶段?最近 30 多年又有哪些新的进展?举例说明观测事实对大气环流学发展的重要性。 (1)四个阶段:单圈环流阶段,三圈环流阶段,确定大型涡旋作用阶段,阐明 大型涡旋成因阶段。 (p1) (2)在 80 年代以来的新阶段中, 人造卫星与电子计算机用于大气环流研究极大 地推动力了大气环流学的发展。新天尚提出大气环流研究中的两个问题: (1)人 类活动(如工业化产生的热量与二氧化碳)对大气环流有何影响?(2)大气环 流与气候及其变化有何关系?而人们在全球观测系统建立和观测资料的累积 (大 气环流研究的基础) ,热带大气环流及其与热带外大气的相互作用研究,大气圈 与地球其他圈层(水圈,岩石圈,冰雪圈,生物圈)的相互作用,以及大气环流 异常(包括人类活动的影响)等方面过了大量的研究。 (p6) (3)观测事实是大气环流研究的出发点和成果检验的标准。 全球观测网的建设, 观测,数据处理手段的现代化,资料的积累地大气环流学的发展有决定的意义。 例如:①二次世界大战后,形成了高空探测网,且统一了时次。20 世纪 60 年代 以来,气象卫星和电子计算机的迅速发展从根本上改变了气象观测。全球大气环 流模式从根本上改变了观测数据的处理,实现了地面,高空和卫星观测资料的同 化,获得了全球三维多要素场的最优估算,产生了以 NCEP\NCAR,ECMWF 为代 表的全球,多要素,长序列再分析资料,为研究大气环流基本事实提供了基础。 (p8) ②从 60 年代起,由于观测技术的发展,特别是卫星遥感探测技术,使热带及平 流层观测资料大大增加,发现了许多新的观测事实,如热带大气波动的发现,热 带低频振荡的发现, 以及大气环流异常遥相关的发现为热带大气环流的研究提供 了反复的观测事实。 (网上找的)

第二章
1.控制大气环流的基本因子有哪些,为什么说大气成分也应属于基本因子(举例论证)?描 述大气环流的压、 温、 风场间存在的哪些强相互联系?它们对掌握基本观测事实有何意义? (1)控制大气环流的基本因子:1.大气尺度和成分;2.太阳辐射;3.地球的转动;4.地球表 面的不均匀性;5.地面摩擦。 (书 p9) (2)因为大气是地气系统的子系统,它对太阳短波辐射的直接吸收,对地面能量(长波辐 射、潜热、感热)的吸收、转换和放射都与大气成分有关,因此大气成分也是影响大气环流 的因素。 例如:O3 的存在决定了极区平流层 T、 P、 V 场的季节变化; 工业化使大气中的 CO2

等温室气体含量增加,导致全球增暖现象(书 p9) (3)压高关系制约 P 随高度的变化,地转风关系制约 V、P 水平配置,热成风关系制约 V、 (书 p12) ?hTm 垂直配置。 (4)意义:根据这些关系,我们可以将这些要素反映的大气环流基本观测事实作统一的理 解,这对掌握大气环流基本观测事实十分有利。 (书 p12) 2.给出 Lorenz 环流分解式右端(2.5a)式、 (2.5b)式、 (2.5c)式、 (2.8)式各项的名称和 意义。用表 1(虚构的)计算出四个式子左、右端所有项的值,据此分析热量输送方向及各 分量的贡献
表格 1 经向风速 v(向北为正,m/s) 、气温 T(℃)资料

要素

v

T

?
t 1 2

0

?

90
-2 2

?

180
4 4

?

270
-4 0

?

0

?

90

?

180?
-4 -2

270?
-8 -4

6 6

-6 -4

-10 -6

Ai ? A ? Ai? 第一项是为时间的平均分量即 A ?

1 m ? Ai ,另一项为距平,是 Ai 对 A 的差。 m i ?1 1 n A ? 第一项是纬圈的平均分量即 Aj ? [ A] ? A* ? Aj ,另一项是纬偏,是 Aj 对 [ A] 的差 j j n j ?1

? ?* Aij ? [ A] ? A* j ? [ A ]i ? A ij 第一项是时间和纬圈平均分量 [ A] ?
时间平均场 j 点的纬偏分量 A* j ?

1 m n ?? Aij ,第二项是 m ? n i ?1 j ?1

1 m ? Aij ? [ A] ,第三项是 i 时刻距平场的纬圈平均分量 m i ?1

[ A?]i ?

1 n 1 m ( A ? Aij ) , 第 四 项 是 i 时 刻 j 点 的 距 平 纬 偏 分 量 ? ij m ? n j ?1 i ?1 ?* ? Aij ? ([ A] ? A* ? Aij j ? [ A ]i ) 。

[ Av] ? [ A][v ] ? [ A*v * ] ? [ A?][v?] ? [ A?*v?* ] 右四项为别为 t y 年或 t m 月的平均经向环流通量,
准定常涡旋通量,瞬变经向环流通量,瞬变涡旋通量。

3.试分析子午面( ? ? p 面)上 [u ] 、 [T ] 图的分布特征,指出其季节变化及半球差异,给 出南半球是冷半球的证据。据基本控制因子指出 [u ] 、 [T ] 基本观测事实的物理成因。据热 成风原理,分析 [u ] 图上西风急流与 [T ] 图上 ?[T ] / ?? 间的关系。 (1)特征 1. [u ] :①形势(分布特征) :全球主要由一个大范围东风区和两个大范围西风区构成。东风 区覆盖整个热带地面,经向宽度向上向赤道收缩(对流层中) ,然后扩展(平 流层中) ,直到占据冬半球内热带及整个夏半球(中平流层) ;中心在夏半球赤 道附近中平流层的东风高值区,可称为(热带)东风急流。两个西风区分别出 现在冬(整层) 、夏(低平流层及以下)半球;中心在对流层顶的两个西风高 值区(冬半球,夏半球附近)称为副热带西风急流;中心在冬半球中平流层顶 附近的西风高值区称为极夜急流。 ②季节变化:东、西风区位置随季节调整。东、西风急流中心位置随太阳直射纬度 北进南退,半球副热带西风急流冬强夏弱;平流层极夜急流只出现在冬半球。 ③半球差异: 热带东风急流位于北半球一侧时 (6-8 月) 较位于南半球时 (12-2 月) 强, 它可伸展至对流层上部; 北半球夏季 (6-8 月) 西风急流和冬季 (12-2 月) 极夜急流强度明显小于南半球相应季节强度。 (P18-P19) 2. [T ] :①分布特征:1.对流层, [T ] 从热赤道向两级降低,递减率中纬最大,与机锋对应; 随高度上升降低,递减率均匀(南极低层虚假) 。2.中平流层,冬、夏半球极区 分别为 [T ] 低、高值区,经向梯度从夏半球指向冬半球。3.低平流层,热带全年 为 [T ] 的极低值区,中心偏于内热带夏半球侧;夏半球 [T ] 经向梯度由极地指向 赤道,冬半球由中纬度指向极区、赤道(书 p31) ②季节变化(没找到,自己写的) :对流层低层暖中心随季节移动,冬季南移至南半球 30 S 偏北,夏季暖中心北移至北半球 30 N 附近。 ③半球差异:冬季,北半球的中高纬对流层上部至平流层和极地对流层下部 [T ] 明显高于南 半球。夏季,北半球中高纬对流层下部及热带平流层 [T ] 明显高于南半球,但半 球际差异不如冬季极地地区大(书 p32) 。 证据:由季半球际较差图(书 33 图 2.18b)可得到③的半球差异,半球差异就是证据(书 p32) 物理成因: [u ] :地面热带东风带由辐射平衡差异、地球自转效应引起的,风速较小由摩擦 引起的。而对流层上部的西风急流形成与 Hadley 环流圈(H.C.)上部向极气流及 地球自转效应有关; 他们的位置、 强度的季节变化与半球际差异则与辐射平衡的 季节变化及半球际地面不均匀性差异有关。 (书 p19) (书 p32) ; [T ] : [T ] 的分布特征可以从南北半球大气下界面的海陆分布和地形差异得到说明 对于高纬度平流层的分布特征则与大气成分主要是臭氧的分布有关 (自己补充) 。 关系:由热成风公式 VgT ?
?

?

R p2 ln k ??Tm 可知在 [u ] 图中急流区附近对应着 [T ] 图中纬向 f p1

梯度较大的地区(即 ?[T ]/ ?? 很大) ,所以在此处有很强的纬向热成风,促进急 流形成。 (自己写的) 4.平均经圈环流指什么?有哪几种表示方法?平均经圈环流质量流函数 ψ 的确切意义是什 么?实际大气的平均经圈环流由哪几个环流圈组成?其中哪些是热力环流圈?试分析其季 节变化和半球际差异。

? 答:平均环流经圈是由 ?? ? 和 ? ?? ? 决定的环流,他通常用三种方法表示:分量图、矢量图

? ?

和质量流函数图。 平均经圈环流质量流函数ψ 的确切意义:见 P19、20 以及 P22 图 2.8 实际大气环流圈由 H.C.、F.C.和极地环流圈组成。H.C.和极地环流圈为热力环流圈。 季节变化:两半球平均经圈环流位置随热赤道北进南退改变,北半球三圈环流及南半球 H.C.

冬强夏弱(南半球夏秋季 F.C.、极地环流圈例外) ;冬、夏严重不对称,春秋较对称。 半球际差异: 南半球三个环流圈中心位置较北半球相应季节靠近赤道, 强度较北半球相应季 节大。 5.概括总结海平面至中平流层顶(10hpa)气压场形势随高度、季节变化的一般规律以及半 球际差异,并概述其主要原因。 答:①环流结构由上而下渐趋简单,在气候风压场形态,纬向平均廓线及风、压场定常波波 数上均有明显反映。 ②季节变化表现为环流强度冬强夏弱(纬向均匀、定常波) ;热带外中平流层环流随季节发 生质变(冬季气旋、夏季反气旋) 。 ③半球差异表现为南半球较北半球环流的纬向均匀性强、 定常波弱; 南半球自由大气等压面 平均高度较北半球低,是冷半球。 季节变化主要是由于地球公转导致赤道位置改变, 使得地气系统辐射平衡地理分布随季节而 变和大气成分(如臭氧存在决定了极区平流层 p 场的季节变化) 。 半球际差异主要是由于半球际地表的不均匀性。 6.根据海平面气压场、 风场的气候图, 列出北半球冬、 夏季大气活动中心的名称及所在位置。 海平面气压场定常波与气温场定常波地理分布间有无简单规律?他们明显季节变化和半球 际差异的根源在哪里? 答:北太平洋高压(2~11 月) :在北太平洋在夏威夷群岛附近 北大西洋高压(1~12 月) :在大西洋中的亚速尔群岛附近 蒙古高压(10~4 月) :西伯利亚及蒙古地区 阿留申低压(9~5 月) :位于阿留申群岛地区 冰岛低压(9~4 月) :位于大西洋北部冰岛附近 印度低压(4~10 月) : 印度半岛西北部 气温场定常波强的地区往往海平面气压场定常波也较强。 季节变化的根源地球公转(导致赤道位置改变) ,使得地气系统辐射平衡地理分布随季 节而变。 半球际差异根源是由于地面不均匀性的半球际差异。

2.7 北半球 500hPa 位势高度场高、中、低纬分别有哪些主要系统?冬夏季它 们的位置、强度有何差异?由冬入夏中纬定常波有何变化?季节差异、变化的 原因是什么? (来自《短期气候预测基础》P32-33) 500hPa 等压面平均在 5500m 高度附近, 因此可以用它表示对流层中部的环流 状态。北半球 500hPa 的平均环流有如下特征: (1) 高纬度 北半球高纬环绕极区是一个气旋式涡旋,但是这个涡旋中心不在北极。 一月,北半球极涡有两个中心,其中较强的位于格陵兰西部巴芬湾上空,较 弱的位于东部西伯利亚的北冰洋沿岸。 七月,只有一个中心,偏在西半球的加拿大极区。 北半球极涡强度是冬季强于夏季,冬季极涡向低纬扩展,夏季向极地收缩, 冬季环绕极涡的西风环流约比夏季强一倍。 (2) 中纬度 中纬度为西风带,环流特征是西风基本气流叠加了行星尺度平均槽脊。可以 看出 500hPa 平均环流呈现“冬三夏四”的特征。

冬季呈现 “三槽三脊” 形: 三个平均槽分别位于亚洲大陆东岸 (东亚大槽) , 北美大陆东岸(北美大槽),和乌拉尔山以西的欧洲大陆上空(欧洲浅槽),后 者远比前两者弱。三个平均脊分别位于阿拉斯加、西欧沿岸,贝加尔湖附近经度 上。两大洋东部的平均脊较强。 夏季,北半球平均槽脊增加到四个。北美大槽冬夏之间位置少动,而东亚大 槽由冬入夏东移了 20 个经度左右,进入堪察加半岛以东,结果使这两个大槽之 间距离拉大,引起季节性的长波调整。调整的结果是它们之间形成了贝加尔湖西 部槽,使整个北半球呈现四槽四脊。 此外,夏季的西风带明显北移,等高线变稀疏。 (3) 低纬度 低纬 北半球热带地区是东风带,低纬地区被副热带高压控制,冬弱夏强,随季节 南北位移。 冬季较弱, 范围在 20° N以南; 夏季比冬季平均强80 gpm, 范围在 40° N以南。 由冬入夏,H500 中纬度定常波波数由三槽三脊变为四槽四脊,这与纬向平均 极赤温差冬季远大于夏季有关。 H100 和H500 结构接近,特征相同,在中纬度也是西风带,冬季西风带定常波 两槽两脊清楚,槽位于两大陆东部,脊位于两大洋东部,与H500 两大主要槽脊位 置相似。到夏季时,地中海至西太平洋为强大的南亚高压,它与青藏高原与该处 印度洋周边海陆分布有关,青藏高原主体海拔 4km 以上,夏季直接加热对流层中 层大气,加强了印度洋至南亚次大陆的西南季风,由此产生的潜热释放维持了南 亚高压的存在。 由冬入夏,H10 定常波变得极弱,因为对流层定常波不能上传入东风控制的 中平流层。夏季比冬季等高线稀疏,也是因为中纬日照时间冬短夏长巨变。 2.8 平流层大气环流季节变化存在重大差异的层次在哪里?试解释其原因。 (书 P29-30) 热带外中平流层随季节发生质变(冬季气旋,夏季反气旋)。 10hPa 等压面H10 约位于 31km 高度,H10 表示中平流层的平均环流, u10 是中平 流层平均风场, [H10 ]的极大值出现在夏半球极地, 整个夏半球被一个高压控制, 对应u10 全是东风; 而冬半球与[H100 ]、 [H500 ]类似, 有副高带和极涡, 对应 u10 仍 有两个风带。上述特征在中平流层普遍存在。 这种中平流层控制系统冬夏质变的原因,与中高纬度日照时长冬短夏长,以 3 及O 浓度在平流层达到极大值有关。O3 最大浓度在 20km~25km 附近层次,夏半 球O3 吸收太阳短波辐射使中平流层增暖。 2.9 已知太阳常数为 1.96/( ? ), 按地气系统辐射平衡图提供的数据, 计算地面每平方米地气系统介质平均每小时吸收的太阳短波辐射能能够使 10 水增温的度数,给出计算过程。

(图片来自网络:) 水的比热容:4.2 × 103 J/(kg ? ° C),假设水的比热不随温度变化 1 cal = 4.186 J 地球以其大圆面积截获太阳能,能量平均分到地表,单位球面分到的太阳能 为4 = 0.49 /( ? )(因为球面面积是大圆面积的 4 倍)。
S

根据地气系统辐射收支图,地气系统吸收的太阳短波辐射能占地球大圆截获 的太阳辐射总量的 70%,因此,单位球面面积地气系统受到的太阳短波辐射能: 0.49 cal 1.436 S′ = ? 0.7 = ?4 2 = 861478.8 J/(m2 ? h) 2 1 ? 1 10 ? 0.0167 ? 使10kg的水升高 1 度,需要能量: E = cH 2 O ? m ? ΔT = 4.2 × 103 × 10 × 1 = 4.2 × 104 增暖的度数: 0 n = = 20.51 ° C 10、两张地气系统辐射平衡、热量交换图(图 2.22,2.23)的本质差异是什么? 温室效应的宏观效果是什么?地气系统辐射差额随纬度分布的两个主要特征是 什么?它对大气环流的形成有何意义? (可适当删减) (1)本质差异在于: P38-39 图 2.22 右部是未计及大气的温室效应时的大气子系统辐射和热量平衡,此时大 气子系统的辐射和热量收支为 (书上框图) 图 2.23 考虑了主要由大气中的 H 2O, CO2 引起的大气温室效应此时大气子系统的 辐射和热量收支为 (书上框图) (2)温室效应的宏观效果:P39 考虑温室效应,大气子系统和地面子系统的长波辐射显著增大。按斯蒂芬—玻尔 兹曼定理,这意味着需要一个更高的地气系统平衡温度。据弗莱格和布森估计, 温室效应提高大气及其下垫面的温度约 35°C。

(3)两个主要特征是:P41 全年平均而言,低纬(40°S~35°N)地气系统吸收的短波辐射能量 S? (1 ? ?ea ) 大 于放出的长波辐射能量 R? , QR ? 0 ,故低纬地气系统经辐射净获得能量;中高 纬 R? ? S? (1 ? ?ea ) , QR ? 0 ,故中高纬地气系统经辐射净失去能量。 1 月、 7 月净辐射分别主要由南、 北半球地气系统获得, [QR ] 随季节的变化很大, 这决定了地气系统温度随纬度、季节的变化,也决定了它们的半球际差异。 (4)对大气环流的意义:P41 辐射差额随纬度的不均匀分布, 决定了地气系统应当有热量从低纬向中高纬输送, 它通过海洋环流和大气环流共同完成。

第三章
1、为什么采用角动量平衡研究 [u ] 的维持机制?结合图 3.2,说明极冠区大气角 动量平衡方程 (m ? P ? F ? 0) 本身及左端各项的意义。 (1)P42 通过角动量而不是动量来研究 [u ] ,是因为由 [u ] 决定的运动本质上是 绕地轴的转动运动, 它遵循转动坐标系 (是非惯性系) 中的绝对角动量守恒定律, 通过角动量研究其维持机制,简明扼要。 (2) (可适当删减)P47 首先由极冠区大气角动量倾向方程 ? ?p ? Md? ? ? ? ??? ? ? ? MVd? ? ? ??? Rd? ? ? ??? ? F? Rd? ? ??? ?t ?x 左边是极冠区大气总角动量变率, 右边第一项 m 为极冠区大气角动量通量辐散辐 合总和,第二项 P 为 x 方向气压梯度力力矩的作用总和,第三项 F 为 x 方向摩擦 力力矩的作用总和。 ? 对大气环流的定常状态(气候态) , ??? ? Md? ?=0 ,有 m ? P ? F ? 0 。方程的意义 ?t
是,在定常状态下,单位时间内通过极冠区侧边界的 u 角动量输入、极冠区山脉力矩和摩擦 力力矩产生的 u 角动量三项之和为 0。为了维持全球大气及地转的定常状态,地气间角动量 交换和大气中输送是必需的。 平衡要求大气中必须有角动量自热带东风带向中高纬西风带输 送( mn ? 0, ms ? 0 ) 。另一方面,根据作用与反作用原理,热带东风带地面受到来自大气 的 负 力 矩 作 用 ( ?P ,中高纬西风带地面受到来自大气的正力矩作用 0 ? 0, ? F 0 ?0) ( ?P n ? 0, ? Fn ? 0 和 ? P 0 ?F 0 ? mn ? ms ? ?( P n ?F n) s ? 0, ? Fs ? 0 )。 在 成 立 P

?( Ps ? Fs ) 情况下,平均纬向环流及地球自转的定常态得以维持。 2、大气西风角动量源、汇在哪里?给出大气西风角动量从源到汇的输送过程示 意图。 P47 热带东风带近地面层大气受到来自地面的正力矩作用( P ,得到 0 ? 0, F 0 ?0) 西风角动量,这里是大气角动量源区。中高纬西风带近地面大气受到来自地面的 负力矩作用( P ,失去西风角动量,这里是大气角动 n ? 0, F n ?0和P s ? 0, Fs ? 0 ) 量汇区。示意图:

3、 解释角动量输送垂直积分式 m y (? ) ?

* * 2? a 2 cos2 ? p0 {[u][v] ? [u v ] ? [u ' v ']}dp 中 ? 0 g

m y (? ) 和右端三项的意义。由诊断图 3.10,北半球最强输送、最大输送辐合在什
么纬度?最大输送是由右端哪一项完成的? 答: ①等式左端第一项 m y (? ) 是通过纬度为 ? 的向上的整层大气的等纬度面朝着北 方(径向)的 u 角动量通量。 (P50) ②等式右端三项平均经圈环流通量、准定常涡旋通量和瞬变涡定常波分别是

?

P 0

0

m y1 (? , p )dp 、 ? m y 2 (? , p)dp 和 ? m y 3 (? , p)dp ,它们是单位时间内通过 ? 纬
0 0

P0

P0

度的向上的整层大气的等纬面向北(径向)输送的 u 角动量通量的分量。其中第 一项是 u 通量的时间和纬圈平均分量,第二项是 u 通量的纬偏分量的纬圈平均, 第三项是 u 通量距平的时间和纬圈平均分量。 (P50、P51) ③北半球冬季的最大径向输送大约在 30° N 偏南一点儿,最主要是由瞬变涡定常 波的贡献;北半球夏季的最大径向输送大约在 30° N 偏北一点儿,最主要是瞬变 涡定常波输送的贡献。 (P55) 4、气候图、瞬时图上,热带对流层中 [u ] 的 0 线为何向上向赤道倾斜?它与东、 西风带维持有何关系?哪些环流系统与 [u ] 图上西风带及急流的维持有密切关系? 这些环流系统在结构上有哪些与此有关的特征? 答: ① ? 角动量向 u 角动量转换,使对流层内 [u ] 的 0 线随高度上升向赤道倾斜; ②北半球冬季的副热带对流层顶附近的强输送带辐合区与副热带西风急流位置 基本重合,中纬度中平流层有另一个强的向极输送带,其高纬一侧的辐合区与极 夜急流位置重合,极夜急流的输送辐合由定常波、瞬变波提供(P51 底部、P54

上部) ; ③低纬度的 Hadley 环流将热带东风带从地面上获得的西风角动量向上、向北输 送至副热带高空的西风带,在那里形成北半球副热带西风急流。 (P61)副热带西 风急流的下方,瞬时图 3.17 中的大型涡旋是经常存在的。它们不但完成 u 角动 量向高纬输送和在急流区的辐合,有利于东西风带及西风急流气候状态的维持。 (P63) ④如:图 3.17 的高低压、 槽脊系统有其纬向不对称垂直运动 ? * 与纬向不对称 u* 的 相关。 (P63) 5、大气中的大型涡旋与湍涡在物理量输送中有何本质差异?“负黏性”的确切含 义是什么? 答: (个人理解)根据理查森于 1922 年提出的湍涡渐变理论知,大尺度涡不断分裂 成不同小尺度涡,并在涡体的分裂破碎过程中将能量逐级传给更小尺度涡,直到 粘性耗散。 记得王文老师有言“湍涡不就是去将环流搅混”更多是无序的、 混沌的; 而涡旋是物理量的分布不均匀, 于是有了梯度, 物理量就会受到一股梯度力传输。 负粘性: 第一个版本:不仅可以使西边界流和西北角的次级环流强化,而且可以使整个海 盆的涡动动能大幅度增加,从而克服了以前大洋环流模式的缺陷。从这里所得到 的结果可以看出,负粘性不仅可以使整个海盆的涡动动能大幅度增加,而且可以 使整个海盆的平均动能大幅度增加。由于考虑负粘性的存在,负的相对涡度平流 和负的行星涡度平流将增加,从而使西边界流和西北角的次级环流(recirculation) 增强。负粘性所引起的经向输送会大幅度增加,从而解释了西边界流有大的经向 输送。 (文献中找的) 第二个版本:由书本 P68“中、低纬对流层顶感热输送中亦存在“负黏性”现象, 涡旋将热量从低温处送到高温处”,推得负黏性大概能使物理量逆着物理量梯度 传输。

第四章
1. 全球大气平均年降水量、年蒸发量、水汽含量的估计值是多少?蒸发、降水 随纬度分布曲线的峰(谷)在何处?大气在何纬带净得(源) 、净失(汇)水分?

①见书 P78

4.5 大气中的水分平衡 第二段

全球年降水量(年蒸发量)约可在地球表面形成 1m 厚的水层;大气中水汽全部 凝结成水,可在地球表面形成 2.5cm 厚的水层。 (水汽含量(可降水量表示) )

②见书 P78

4.5 大气中的水分平衡 第三段 图 4.13 在 P79

峰(曲线极大值处) :

降水:热带地区,中纬地区 蒸发:副热带地区 谷(曲线极小值处) : 降水:副热带地区 蒸发:热带地区 水汽源区(蒸发量大于降水量的区域) : 副热带地区 水汽汇区(蒸发量小于降水量的区域) : 热带地区,中高纬地区 2. 试阐述纬向平均感热 平衡方程(4.8)右端各项的物理意义。

见书 P67 公式(4.8) 课本里公式的下方写有各项详细物理意义,这边仅 是简略摘要
0??

?v ? ? ? ?T ? ??
a ??

?? ? ? ?
?
?

??? ?T ? ? ?p

?

① 1 ? ? a cos ? ??

? R ? ? T ? Cp p ? ? ? ? ②

?? ? ?T v

?

? * * ? ?? ? ?? ? ??? ?T ? ? ??? ?T v ? cos ? ? ?p ? ?T ? ? ③ ④

?

?

?

?

?

? R ?Q ? ? ? * ? ? ? ? ? ? T ? ? T ? ? ? ? ? ? Cp p Cp

?

?





①、②项为平均经圈环流作用。其中①是平流输送作用。②是对流作用。 ③、④、⑤项为涡旋作用。其中③是水平定常涡、瞬变涡经向输送辐合(散)的 作用。④是定常涡、瞬变涡垂直输送辐合(散)的作用。⑤是垂直涡度输送相伴 随的压力位能与热能的相互转换。 ⑥项是非绝热加热作用。 3. 天气图上, 中纬哪些移动性系统能向高纬输送感热?试举高空、 地面各一例, 画图说明之。

这题我不会啊!我不会! !
地面: 温带气旋

高空: 西南暖湿急流

第5章
1.根据全球大气总动能变化方程如下三种形式,联系大气环流实际过程,阐述动能产生,消 耗机制。书 P84,85

? ? Kd? ? ① ? ??? ?gzd ? ? ② ??? p? ?Vd ? ? ③ ??? ?d? ??? ?t ?t

①式为Ω 内大气位能向动能转化率。 ②式为Ω 内辐散幅合做功率。实质为 Omega 内部大气内能向动能转化率。 ③式为摩擦对动能消耗率,恒为负,故这一项总使 Omega 内动能减少。 整个式子意义为全球动能来源于重力位能转化,气压场做工,并经摩擦消耗转化为内能。 下面两个式子见书 P83 公式 5.5,5.6 类似的每一项意义以及整个公式的意义。 2.大气热机效率 P85 定义:大气内能制造率与可以转化为大气内能的太阳辐射功率的比值 计算如下 太阳常数 1351.53/4*0.64=216.2 W/m2 大气热机效率=2.3/216.2=1.06% 3.大气运动特征速度 V P85 定义:水平大气运动最具有代表性的运动速度。 (意思是这个即可,大家最好改改说法,别 都一样) 估算过程:1m2 水平截面无限高气柱动能为 15*10^5 J/m2,质量为 10^4kg 所以单位质量大气动能为两者相除为 K=150 (单位的转换大家看书,敲起来好困难 /(ㄒ o ㄒ)/~~) 由公式 V ? 2K 算出来大约 17.3m/s

第六章: 1.大气环流数值模拟方法的理论根据和基本工具是什么? (1)数值模拟方法的本质是通过数值求解大气运动方程组来再现大气环流的变 化,据此研究大气环流学关注的问题。其物理根据(洛伦茨,1976)是:大气环 流“大气环流受一组规律支配,这组规律被了解到相当准确的程度,并且原则上 应当能够由这些规律推导出这种环流” 。这里“一组规律”指的是大气运动遵循 的严瑾方程组,它包括两部分:①普适的流体动力学和热力学定律。包括质量守 恒定律,牛顿第二定律,热力学第一定律,理想气体定律(动力学框架) 。②由 大气及其周围环境,状态来表示的力和加热定律。包括太阳短波辐射的吸收,反 射,散射定律;各种大气成分对红外辐射的吸收,放射,传送定律,湍流的黏性 和传输定律,支配水在大气中的相变定律(物理过程) 。 (p91) (2)数值模拟方法依赖的基本工具是数值模式。 (详见 p91)
2、控制性试验和敏感性试验是什么?它们各自的目的和相互关系是什么? 控制性试验是指在给定内部参数及气候外强迫条件下进行的数值实验, 目的是测试模式模拟 气候大气环流的能力。 敏感性试验是在改变内部参数或施加异常外强迫条件下进行的试验, 目的是测试模式大气环 流对内部参数改变及外强迫异常的响应。 控制性试验是敏感性试验的基础。 3、IAP GCM-2L 对 Hadley 环流所作 C 和 SST83 试验得到了什么结果?它们与观测事实 之间有什么关系?怎样从物理上理解这些结果?(物理理解可能不全) IAP GCM-2L 控制性试验给出了能量参数、东亚环流及 H.C. ,试验结果与观测到的气候比较 接近; 敏感性试验给出了 H.C. 在 1982~1983 年 EI Nino 事件中的异常, 试验结果与观测的结果很接 近,且物理意义清晰。 即使像 IAP GCM-2L 这种垂直分辨率很低的 GCM, 仍可模拟出重要大气环流系统及其异常的 基本特征。 4、比较 IAP GCM-2L 和 LASG-FGOALS 的模式结构和特点。 1.与 IAP GCM-2L 比较,FGOALS 是一个复杂的数值模式。它有格点模式 FGOALS-g 和谱模式 FGOALS-s 两个版本。 2.两者都是由 4 个分量模式组成:大气模式,海洋模式,陆面模式,海冰模式。 (结构大体 相似) 3.大气模式时间积分方案不同: IAP GCM-2L 用的是马兹努方案和蛙跃相结合的方案。 FGOALS 则采用半隐式时间积分方案。 4.FGOALS 所用物理过程参数化方案较 IAP GCM-2L 先进。 FGOALS 大气模式物理过程参数化方案在 P98,从“模式的物理过程包括”开始 IAP GCM-2L 物理过程参数化方案在 P93 的 2)大气内部的物理过程开始 5.与 IAP GCM-2L (2 层,5*4)的大气模式比较,FGOALS 提高了水平和垂直分辨率(26 层, 2.8125*1.66) 6.FGOALS 采用了 CPL 6 耦合器,它的大气模式,海洋模式,陆面模式,海冰模式普遍比 IAP GCM-2L 先进。 7.两者的设计依据均为对客观世界研究对象变化规律的物理理解,目的在于通过它们加深对 研究对象变化规律的认识。

第七章
1.大气环流转盘实验的理论依据和基本实验设备是什么?
1) 2) 理论依据:流体力学相似原理; 基本实验设备:转盘(包括圆盘状容器和以转轴为中心的圆环状容器) 。 书 P115 7.1 第一小段第二行“转盘中”至本段结束。

2.转盘实验模拟大气环流时怎样在实验设备中考虑地球自转、极赤温差? 3.Hide 圆盘实验得到哪几类基本流型?它们与圆盘的两个控制因素间存在何种 关系?地球大气环流中有无类似流型?
1) 2) 3) 基本流型:轴对称运动与非轴对称运动,非轴对称运动又可分为驻波与不规则运动; 关系:书 P117 倒数第二行“①”至本段结束(补图) ; 地球大气环流中存在类似流型。

4.转盘实验未考虑β 效应,却在结果中出现了类似 Rossby 波的波动,它们对于 认识地球大气环流成因有何意义?
转盘实验可以帮我们把重要的考虑与不重要的考虑分开,该实验结果表明“β 效应”在 Rossby 波形成中的所起的作用比过去假设的要小。


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