大气动力学

大气动力学将流体运动定律应用于薄薄的旋转气层，解释了风向为何偏转、气压系统为何移动以及地球环流如何组织天气和气候。

Definition

大气动力学是气象学的一个分支，它利用流体力学和热力学方程，并将其应用于旋转的行星，以描述和预测大气的运动。

Scope

该领域涵盖了旋转坐标系中大气运动的控制方程、主导大尺度的平衡流、大气波谱、产生天气系统的不稳定性以及全球大气环流的结构和维持。

Sub-topics

• 大气波动与不稳定性
• 地转风和热成风平衡
• 准地转理论
• 大气环流

Core questions

• 在旋转的地球上，哪些方程控制着空气的运动？
• 为什么大尺度风几乎平行于等压线吹动？
• 哪些波和不稳定性将大气组织成天气系统？
• 全球风和气压的模式是如何维持的？

Key theories

地转流和平衡流

对于大尺度、缓慢演变的运动，科里奥利力几乎与气压梯度力平衡，因此风沿着等压线吹动；偏离这种平衡会驱动天气系统的垂直运动和演变。

斜压不稳定性

水平温度梯度储存着有效位能，这些能量通过增长的波释放，为中纬度气旋和主导温带地区天气的涡旋提供了动力学起源。

Mechanisms

从牛顿定律以及在旋转坐标系中表示的质量和能量守恒定律出发，原始方程描述了气压梯度、科里奥利效应、重力和摩擦力如何使空气运动。在大尺度上，气流接近地转和静力平衡，而通过位涡和准地转理论表达的微小不平衡则驱动着波的增长以及产生天气的垂直环流。

Clinical relevance

该领域中的动力学方程是每个数值天气和气候模型的基础；理解平衡流、波和不稳定性使得预报员和气候科学家能够预测风暴的发生和移动以及环流对全球变暖的响应。

History

在19世纪流体力学和科里奥利旋转流分析的基础上，维尔赫姆·比耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）在20世纪初将天气预报构建为一个初值问题；罗斯贝（Rossby）识别出以他名字命名的大尺度波，而查尼（Charney）在20世纪中叶提出的斜压不稳定性理论和准地转动力学则使大气动力学成为现代预报的定量基础。

Key figures

• Vilhelm Bjerknes
• Carl-Gustaf Rossby
• Jule Charney
• Edward Lorenz

Seminal works

• holton2013
• vallis2017

Frequently asked questions

为什么风是沿着等压线而不是穿过等压线吹动？

在大尺度上，将空气从高压推向低压的气压梯度力几乎与地球自转产生的科里奥利力相平衡，因此空气最终会平行于等压线流动，这被称为地转平衡。

动力气象学和天气学有什么区别？

动力气象学发展大气运动的潜在物理和数学理论，而天气学则将这些原理应用于分析和预测实际的天气系统，基于观测数据。