涡度方程的物理意义

一、涡度方程

\frac{\partial\xi}{\partial t}= -(u\frac{\partial\xi}{\partial x}+v\frac{\partial\xi}{\partial y})-(u\frac{\partial f}{\partial x}+v\frac{\partial f}{\partial y})-w\frac{\partial\xi}{\partial p}+(\frac{\partial\omega}{\partial y}\frac{\partial u}{\partial p}-\frac{\partial\omega}{\partial x}\frac{\partial v}{\partial p})-(f+\xi)(\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y})

二、涡度方程的物理意义

1 左端

\frac{\partial\xi}{\partial t}>0代表气旋性涡度增加,反气旋性涡度减小;\frac{\partial\xi}{\partial t}<0代表反气旋性涡度增加,气旋性涡度减小。

2 右端

2.1 涡度倾侧项:\frac{\partial\omega}{\partial y}\frac{\partial u}{\partial p}-\frac{\partial\omega}{\partial x}\frac{\partial v}{\partial p}

由于垂直速度在水平方向分布不均匀,使涡度水平分量转化为铅直分量。

2.2 散度项

这一项可以分为两部分来看,第一部分-\xi(\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y})为相对涡度与水平散度,第二部分-f(\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y})为地转涡与水平散度。
相对涡度与水平散度项的物理意义:水平辐散,使得气块涡旋运动变慢;水平辐合,使得气块涡旋运动变快。
地转涡度与水平散度的物理意义:辐散使反气旋性涡度增加,气旋性涡度减小;辐合使气旋性涡度增加,反气旋性涡度减小。

2.3 涡度的局地变化

涡度的局地变化,除了上述两项起作用外,还受惯性运动造成的涡度输送影响,这一项为右端前三项之和。

第一部分,即右端第一项-(u\frac{\partial\xi}{\partial x}+v\frac{\partial\xi}{\partial y}),为相对涡度平流。物理意义为:相对涡度分布不均匀和大气水平运动所引起的局地涡度变化。当相对涡度分布不均匀时,如沿气流方向相对涡度减小,则有正的涡度平流,造成局地涡度增加;反之,如沿气流方向相对涡度增加,则有负的涡度平流造成局地涡度减小。
第二部分,即右端第二项-(u\frac{\partial f}{\partial x}+v\frac{\partial f}{\partial y}),为地转涡度平流。物理意义为:地转涡度分布不均匀和大气水平运动所引起的局地涡度变化。当吹南风时,气块的\xi必减小,因而造成局地相对涡度减小;反之,当吹北风时,必造成局地相对涡度增加。
第三部分,即右端第三项-w\frac{\partial\xi}{\partial p},为垂直涡度输送。物理意义为:当相对涡度随高度减小时,若有上升运动 \omega<0,则局地涡度增加;若有下沉运动\omega>0,则局地涡度减小。当相对涡度随高度增加时,若有上升运动 \omega<0,则局地涡度减小;若有下沉运动\omega>0,则局地涡度增加。

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