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“引导气流”概念的梳理_名词辨析

2016-04-18 14:22阅读:
“引导气流”概念的梳理_名词辨析
流体力学之辨,不仅仅针对台风

1)有悖流体力学基本概念的几个常用名词
“阻挡”_下游脊阻挡上游槽的移动,使槽的移速减慢;
“阻塞”(blocking)_阻塞高压使西风带分支,对西风起阻挡作用;
“切断”(cut off)_西风带波动(槽)被切割下一块成为切断低压
这些名词通俗易懂,但有悖流体力学的流体连续性原则。到北大读研究生的预报员,很多人一开始多会被纠正使用“阻挡”这个名词不当。阻塞和切断,因为世界上通用,不做纠正,但必须澄清。脊、阻塞高压、切断低压都不是“实体”,不是由固定的物质所组成(无论是固体还是流体),而是流体的“场”的某种型式。祥见台风、强对流风暴等的动画。依此类推,不一一列举。(只有岛屿、山脉等才是阻挡大气流动的实体)

“合并”(merge)和“分裂”(split ?) 同样是场的变化,不是实体的合并和分裂
“叠加”:“场”,如低压高压等,不能叠加。同理,涡度也不能叠加,因为涡度是风场的特征量(空间分布的一阶微商特征量)。下面的龙卷概念模型示意图将边界层中各个方向的涡度集中到龙卷中,暗示了将涡度叠加的错误概念(图中画了4个)。

(图取自寿绍文中尺度气象学,下同)
要素和物理量也不能叠加,如气流不能叠加,只能汇合,两块空气叠加,体积还是两块,不会压缩成一块,因为是自由大气。同理,比湿也不能叠加。依此类推,不一一列举。要素只能混合。例如比湿,1+2≠3 (g/kg),混合的结果是1+2=1.5 (g/kg),如湍流混合。如果不考虑物理,只考虑数学,显然1+2=3是正确的,1+2=1.5是错误的。
总之,所有的天气系统,各种尺度,都是“场”,不是实体。

B>)“引导”和“平流”
“引导”(guide, channel, polar等):指习惯用法,天气系统随气流移动。天气系统的移动速度C,引导气流速度V,即风速。“引导”的含义就是C≈V。
“平流”(advection):流体力学和场论的专业名词,其定义是风矢量V和梯度矢量ÑP的点乘-V·ÑP,它表示物理属性P(x,y,t)不均匀的流体因流动所带来局地变化,也称平流变化。
场论中,平流-V·ÑP只是引起局地变化P/t的原因之一,另一个原因是个别变化dP/dt,即P/t=-V·ÑP+dP/dt。个别变化由具体的物理定律决定。
局地变化由平流变化及个别变化所致,这是流体力学的基本原理。
按照引导气流的思想,在不考虑系统发展的情况下,局地变化应该完全由统移动所致,那么局地变化应该是P/t=-C·ÑP。也就是说
-C·ÑP=-V·ÑP+dP/dt,
或写成dP/dt=V·ÑP-C·ÑP,即dP/dt=-(C-V)·ÑP
如果引导成立,即C≈V,则可推断个别变化近于零(dP/dt≈0)。个别变化是指气块物理属性随时间的变化,一条轨迹代表一个固定气块。如果引导成立,则每条轨迹的物理属性应是常数。有此可知,前面所给的轨迹图中,每个气块在沿轨迹进入系统前和进入系统后其物理属性没有发生变化。显然这个结论是不合理的。

3)“基流”和扰动
如果引导气流的定义是背景流场,即“基流”的速度,用[V]表示,相当于大范围的空间平均流场;尺度小的扰动流场用V’表示,相当于对于平均场的偏差 。于是有V=[V]+V’。这是对流场进行的运动学分解(kinetics)。将它用于局地变化的表达式P/t=-V·ÑP+dP/dt则有
P/t=-([V]+V’)·ÑP+dP/dt
如果基流就是引导起流在局地变化完全由系统移动引起的情况下,
P/t=-C·ÑP
C为系统的移动速度,[V]为基流的速度,假定引导气流就是基流,即设C=[V]。由此可得,P/t=-[V]·ÑP。将它代入局地变化表达式有
-[V]·ÑP=-([V]+V’)·ÑP+dP/dt
于是得到
0=-V’·ÑP+dP/dt

-dP/dt=-V’·ÑP
此表达式的数学含义是,个别变化被扰动场的平流所抵消。
对台风和强对流这类尺度、强度大的系统,风场扰动V’和物理属性的梯度ÑP都大于背景场,特别是梯度的数量级非常大。因此它的物理意义是否可以解释为当个别变化非常大而且和扰动流场的平流相抵消的情况下,系统就表现为被基流所引导。
由此可见,在系统移动速度接近基流速度时,个别变化不是小到可以忽略,而是个别变化非常大,以至于可以抵消平流变化。要真正理解台风和强对流等中小尺度系统变化(移动和强度)的内在机理,都必须从分析个别变化着手。个别变化的机理就是动力学机理(dynamics)。分清运动学和动力学的原则性区别,对研究问题至关重要的。

后记:气象学中有悖流体力学的还有锢囚锋的追赶(catch up)之说,对流层顶的折叠(folding)之说;这是将一阶微商不连续(梯度不连续)混同为0阶不连续(物质面)。此类问题是气象教学和科研中应该受到严

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