Động lực học khí quyển
Động lực học khí quyển áp dụng các định luật chuyển động của chất lỏng vào một lớp vỏ không khí mỏng, quay, giải thích tại sao gió bị uốn cong, tại sao các hệ thống áp suất di chuyển, và cách tuần hoàn của hành tinh tổ chức thời tiết và khí hậu.
Definition
Động lực học khí quyển là một nhánh của khí tượng học sử dụng các phương trình cơ học chất lỏng và nhiệt động lực học, áp dụng trên một hành tinh quay, để mô tả và dự đoán chuyển động của khí quyển.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm các phương trình chi phối chuyển động khí quyển trong một hệ quy chiếu quay, các dòng chảy cân bằng chiếm ưu thế ở quy mô lớn, phổ sóng khí quyển, các bất ổn định tạo ra các hệ thống thời tiết, và cấu trúc cũng như duy trì tuần hoàn chung toàn cầu.
Sub-topics
Core questions
- Những phương trình nào chi phối chuyển động của không khí trên Trái Đất đang quay?
- Tại sao gió quy mô lớn thổi gần như song song với các đường đẳng áp?
- Những sóng và bất ổn định nào tổ chức khí quyển thành các hệ thống thời tiết?
- Mô hình gió và áp suất toàn cầu được duy trì như thế nào?
Key theories
- Dòng chảy địa chuyển và cân bằng
- Đối với chuyển động quy mô lớn, tiến hóa chậm, lực Coriolis gần như cân bằng với lực gradient áp suất, do đó gió thổi dọc theo các đường đẳng áp; những sai lệch so với sự cân bằng này thúc đẩy chuyển động thẳng đứng và sự tiến hóa của các hệ thống thời tiết.
- Bất ổn định baroclinic
- Các gradient nhiệt độ ngang lưu trữ năng lượng tiềm năng khả dụng được giải phóng bởi các sóng đang phát triển, cung cấp nguồn gốc động lực học của các xoáy thuận vĩ độ trung bình và các xoáy chiếm ưu thế trong thời tiết ở các vùng ngoại nhiệt đới.
Mechanisms
Bắt đầu từ các định luật của Newton và định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng được viết trong một hệ quy chiếu quay, các phương trình nguyên thủy mô tả cách các gradient áp suất, hiệu ứng Coriolis, trọng lực và ma sát làm cho không khí chuyển động. Ở quy mô lớn, dòng chảy duy trì gần cân bằng địa chuyển và thủy tĩnh, trong khi những mất cân bằng nhỏ, được thể hiện thông qua xoáy tiềm năng và lý thuyết gần địa chuyển, thúc đẩy sự phát triển của sóng và các tuần hoàn thẳng đứng tạo ra thời tiết.
Clinical relevance
Các phương trình động lực học của lĩnh vực này là nền tảng của mọi mô hình thời tiết và khí hậu số; việc hiểu biết về dòng chảy cân bằng, sóng và các bất ổn định là điều cho phép các nhà dự báo và các nhà khoa học khí hậu dự đoán sự phát triển và di chuyển của bão cũng như phản ứng của tuần hoàn đối với một hành tinh đang ấm lên.
History
Dựa trên cơ học chất lỏng thế kỷ XIX và phân tích Coriolis về dòng chảy quay, Vilhelm Bjerknes đã định hình dự báo thời tiết như một bài toán giá trị ban đầu vào đầu những năm 1900; Rossby đã xác định các sóng quy mô lớn mang tên ông, và lý thuyết bất ổn định baroclinic và động lực học gần địa chuyển của Charney vào giữa thế kỷ đã biến động lực học khí quyển thành cơ sở định lượng của dự báo hiện đại.
Key figures
- Vilhelm Bjerknes
- Carl-Gustaf Rossby
- Jule Charney
- Edward Lorenz
Related topics
Seminal works
- holton2013
- vallis2017
Frequently asked questions
- Tại sao gió thổi dọc theo, chứ không phải cắt ngang, các đường đẳng áp?
- Ở quy mô lớn, lực gradient áp suất đẩy không khí từ áp suất cao đến áp suất thấp gần như được cân bằng bởi lực Coriolis từ sự quay của Trái Đất, do đó không khí cuối cùng chảy song song với các đường đẳng áp trong cái gọi là cân bằng địa chuyển.
- Sự khác biệt giữa khí tượng động lực học và khí tượng tổng hợp là gì?
- Khí tượng động lực học phát triển lý thuyết vật lý và toán học cơ bản về chuyển động khí quyển, trong khi khí tượng tổng hợp áp dụng các nguyên tắc đó để phân tích và dự báo các hệ thống thời tiết thực tế từ các quan sát.