环流定理

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环流定理 环流定理

       

 

环流定理 正文

       
  环流是量度沿某闭合曲线的流体质点旋转趋势的一种物理量。在流体中任取一条闭合曲线 l,将该曲线上各点速度的切向分量沿曲线积分一周,定义此积分为环流C。即:

环流定理

式中u、υ和w分别为对地球所作的相对运动的速度矢量νxyz方向的分量。沿逆时针方向积分时,环流C取正值,称正环流,在水平面上它代表气旋性环流;反之,C 取负值,称逆环流,在水平面上代表反气旋性环流。在大气动力学中,环流是一个重要的常用概念。一方面,因为大气中经常有许多作旋转运动的天气系统(如气旋、台风等);另一方面,环流随时间的变化对天气预报有一定的意义。
  1897年,V.皮耶克尼斯提出了著名的环流定理:

这里ω是地球自转角速度,p ρ分别为空气的气压和密度,A是闭合曲线l在赤道平面上的投影所包围的面积。上式右端第一项 为网络管项(力管项),也称斜压项(见斜压大气)。由斯托克斯定律,可以得到:

这里 S是曲线l所包围的面积,而是三维网络管矢量,它表示斜压性的强弱。如果在闭合曲线所包围的面积内,网络管的数目愈多,即大气斜压性愈强,那么,环流的变化也就愈大。
  斜压作用  计算下图中沿闭合曲线 E-F-G-H-E环流定理值,可以看到,在线段 EFGH上,dp=0,对积分没有贡献;在线段FG上,dp为负值,在线段HE上,dp为正值,而在FG线段上,大气平均密度比线段HE上的为小。因此,沿整个闭合曲线的积分环流定理取正值,即环流C 随时间增加。这说明,斜压(网络管)的作用可以产生环流。如果起初大气是静止的,由斜压作用产生的空气旋转运动,使等密度面发生旋转,直至和等压面平行。在这个旋转过程中,密度大的空气将向低气压方向流动,而密度小的空气则向高气压方向流动。这样,大气中的势能就转变成大气运动的动能。

  科里奥利力的影响  在V.皮耶克尼斯环流定理中, 表达科里奥利力的影响, 它可以通过三种作用使环流C发生变化。① 由于水平辐合和辐散, 使闭合曲线在赤道平面上的投影面积A发生变化;对于水平辐合,,说明有气旋性环流产生;对于水平辐散,说明有反气旋性环流产生。②曲线所包围的面积无水平的辐合和辐散,但改变其所在的纬度时,也可使A 发生变化:在北半球,若闭合曲线向赤道移动,A 将减小,故有气旋性环流生成;反之,则有反气旋性环流生成。③如果曲线所包围的面积既无辐合辐散,纬度也不改变,则铅直速度水平梯度的存在,可以使环流圈发生倾斜,使A 随时间变化,从而引起环流的变化。科里奥利力的影响只能使已有的环流发生改变,而不能产生环流。这一点同斜压的作用不一样。

 

环流定理 配图

       

 

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