【中華百科全書●地學●動力氣象學】

楊籍富

【中華百科全書●地學●動力氣象學】

 

動力氣象學，是應用流體力學及熱力學等物理定律及方程式，對大氣現象與變化作診斷分析，定量預報與理論研究等的一門學科。

 

大氣的控制方程式主要有三個運動方程式（東西、南北、垂直三個方向），流體連續方程式、氣體狀態方程式、熱力學方程式及水汽方程式（討論乾空氣時，則沒有此方程式）等七個方程式控制七個變數（氣壓、氣溫、密度、三個方向的風速及水汽含量）的變化。

 

其中運動方程式是由牛頓第二定律（即加速度等於單位質量所受的力量）所推展出來的。

 

在水平方向（東西及南北方向）推動大氣運動的力量主要是氣壓梯度力、柯氏力及大氣邊界層中的摩擦力。

 

而在垂直方向推動大氣運動的力量則主要是氣壓梯度力和重力。

 

至於連續方程式是描述空氣質量不滅的關係；

 

狀態方程式是描述氣壓、氣溫與密度間的關係；

 

熱力學方程式是描述空氣中能量不滅的關係，說明空氣中內能的增加，與空氣對外所作的功之和等於該空氣所受的熱量。

 

大氣運動學極端複雜，其特性依其水平尺度不同而有差異。

 

影響逐日天氣變化的系統，主要是水平尺度為一千公里的綜觀尺度系統，及水平尺度為一百公里的中尺度系統。

 

而水平尺度為一萬公里的行星尺度系統，則為影響上述兩天氣系統之移動和強度變化的基本氣流場。

 

此三種尺度系統為動力氣象學主要的研究對象。

 

其中又以綜觀尺度系統對逐日天氣變化的影響最大，過去所受的重視和了解也最多。

 

因此，綜觀尺度系統成為動力氣象學最重要的討論對象。

 

對於中緯度的綜觀尺度系統而言，水平運動方程式中加速度項較小，主要是氣壓梯度力與柯氏力的平衡，稱為地轉平衡。

 

地轉平衡說明風與氣壓梯度力之關係，其中風向平行等壓線（在北半球，面向風的去向時，左手邊氣壓較低，右手邊氣壓較高。）

 

，而風速與氣壓梯度成正比。

 

在垂直運動方程式中，垂直加速度對於三種尺度系統均較小，主要是往上之垂直氣壓梯度力與往下之重力平衡，稱為靜力平衡。

 

靜力平衡說明兩高度間之氣壓差，為該兩高度間單位面積空氣的重量。

 

地轉平衡與靜力平衡為研究中緯度綜觀尺度系統的基本假設。

 

在地轉風假設下，水平輻散量很小。

 

而實際風場之輻散量，對系統強度變化有很重要貢獻。

 

因此，研究中緯度綜觀尺度系統時，輻散量中的風場不可採用地轉假設，此種修正的地轉假設稱為準地轉假設。

 

中緯度之動力氣象學主要就是建立在準地轉理論上。

 

導致中緯度地區天氣系統的發生和強度變化，主要是因南、北地區地表面接收太陽淨輻射熱量不同，產生南暖北冷的溫度梯度而造成的結果。

 

當南北溫度梯度增大到某一程度峙，範圍數千公里之綜觀尺度系統會產生不穩定而振幅增大。

 

因而造成冷、暖空氣的南北流動，及冷區空氣下降而暖區空氣上升的現象。

 

使該天氣系統的重心降低，位能減少並轉換成動能，因此系統強度增強。

 

這種往南往下流動的冷空氣即為寒流，往北往上流動的暖空氣，則可促成大範圍的降水。

 

因此，這些綜觀尺度系統除扮演大氣環流中能量輸送及轉換的重要腳色外，也是大範圍天氣變化的主要原因。

 

至於這些系統的移動，主要受基本氣流的平移和地球自轉作用的控制。

 

數值天氣預報即根據此理論基礎，應用控制方程式做天氣預報。

 

在低緯度地區由於溫度梯度甚小，上述理論並不適用於此地區。

 

此區之空氣溫暖而潮溼，在上升氣流中之水汽極易凝結而釋出潛熱。

 

下降氣流則乾燥造成晴空。

 

因此，大氣輻射冷卻作用之影響較重要。

 

這兩種非絕熱作用，使上升氣流區的空氣溫度較同高度之下降氣流區為暖，增加溫度差異，亦增大天氣系統之可用位能。

 

此外，暖空氣上升和冷空氣下降的作用，亦使大氣之重心降低，位能轉換成動能，這種能量交換過程，即為東風波和颱風等熱帶天氣系統發展的主要因素。

 

中緯度地區中尺度及行星尺度系統之動力學，低緯度各尺度系統之起因與動力學，以及中、低緯度間大氣交互作用等均為目前仍未充分了解，有待進一步研究的動力氣象題目。

 

（蔡清彥）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=5830