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大氣動力學,是用流體力學的方法研究大氣運動的學科,是動力氣象學的重要分支。它從分析地球大氣中的作用力入手,研究這些力和運動的關係,探索大氣運動的基本規律和機制。

1簡介

大氣運動的形式是多種多樣的,不同的運動形式有不同的特點,它們的差別,主要是由促使大氣運動的作用力不同而造成的。這自然會影響到大氣運動的水平尺度。根據水平尺度ι的大小,可粗略地把大氣運動分成:大尺度運動(ι的量級約為103公里),如大氣的長波和超長波;中尺度運動(ι的量級約為102公里),如颱風、中尺度低壓和氣旋;小尺度運動(ι的量級約為10公里),如雷暴和龍捲(見天氣系統)。

2研究的特點

大氣運動的空間尺度不同,描寫各種運動形式的動力方程組簡化的形式也不同(見大氣動力方程)。但一般說來,運動由其主要因子(基本力)所決定。因此,大氣動力學的任務,首先是區分不同類型的大氣運動的主要因子和次要因子,然後針對不同情況,將大氣動力方程組,作合乎實際的簡化,求出方程組的解。這些解反映了特定大氣運動的基本狀態,同時也清楚地反映了這些運動狀態演變的物理過程。

3特徵參數

地球大氣的基本作用力,有重力、科里奧利力、氣壓梯度力和粘性力(摩擦力)。在不同尺度的大氣運動中,由於作用力不同,其慣性加速度也不同。一般將空氣水平運動的慣性力和科里奧利力的比值,定義為羅斯比數,它可表示為
式中ι為大氣運動的水平特徵尺度,u為水平風速特徵尺度,f=2ωsinφ(ω為地球自轉角速度,φ為緯度)為科里奧利參數。顯然,ι越大,Ro越小,科里奧利力的作用就越重要。中緯地區的大氣運動,u≈ 10米/秒,f≈10-4秒-1。在大尺度運動的情形下,Ro 約為1/10,這說明慣性力比科里奧利力小得多,在最粗略的近似下可以略去。這樣,氣壓梯度力將和科里奧利力平衡,而形成地轉風。至於中尺度運動,Ro ≈1。可見,羅斯比數是描寫大氣水平運動特性的一個重要參數。  
另一方面,把鉛直方向的慣性力和阿基米德浮力之比定義為弗勞德數,即 :這裡w是大氣運動鉛直速度的特徵尺度;孒 是大氣的平均密度;x′是密度變化的特徵量;g是重力加速度;是大氣標高(均質大氣高度),一般為8公里。當弗勞德數Fγ<<1時,運動是准靜力的。倘若Fγ≥1,即w較大時,則運動將是非靜力的。一般大尺度運動都是准靜力的。
研究大氣邊界層的運動時,常引入埃克曼數,它定義為粘性力和科里奧利力之比,即
式中v是渦旋運動粘度。如果Ek<<1,粘滯力可以忽略不計;若Ek>>1,粘滯力的作用將顯得很重要。一般在行星邊界層中才需要考慮渦旋粘性對運動的影響。
隨著近代數學和計算技術的發展,大氣動力學的研究,已深入到更廣泛的領域,成為天氣學、氣候學和數值天氣預報的基礎。
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