關(guān)鍵要點(diǎn)

• 渦度是一種顯微測(cè)量值，指示流體的自旋和旋轉(zhuǎn)。 

• 相對(duì)渦量可以概括為在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中觀察到的渦量。 

• 在地球物理流體動(dòng)力學(xué)中，相對(duì)渦度是由氣流通過(guò)彎曲路徑和風(fēng)切變產(chǎn)生的。 

三維旋轉(zhuǎn)，也稱為渦度，描述了海洋環(huán)流和天氣系統(tǒng)的行為

在地球表面，能量、動(dòng)量和水分通過(guò)大規(guī)模的流體波動(dòng)重新分配。在大氣中觀察到的三維旋轉(zhuǎn)負(fù)責(zé)將能量、動(dòng)量和水分從一個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)點(diǎn)。三維旋轉(zhuǎn)，也稱為渦量，描述了海洋環(huán)流和天氣系統(tǒng)的行為。在描述大氣中的渦度時(shí)，絕對(duì)渦度和相對(duì)渦度是兩個(gè)需要理解和解釋清楚的術(shù)語(yǔ)。 

什么是渦度？

渦度是一種顯微測(cè)量值，指示流體的自旋和旋轉(zhuǎn)。渦度描述了流體中局部旋轉(zhuǎn)的矢量表示。在地球系統(tǒng)中，渦度表示為風(fēng)分量變化的凈幅值。

通常，渦量定義為速度的旋度。沿正交笛卡爾軸 x、y 和 z 使用 u、v 和 w 表示的風(fēng)分量將流體包裹經(jīng)歷的完整旋轉(zhuǎn)或自旋描述為： 

x、y、z 坐標(biāo)中的單位向量分別由 i、j 和 k 給出。

使用渦度分量表示大氣的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)

在討論大氣或氣象模型時(shí)，渦度是一個(gè)不可避免的量。使用參數(shù)渦度描述與水圈、對(duì)流層和大氣相關(guān)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)。

渦度是一個(gè)具有水平和垂直分量的量。水平渦度矢量的方向連同水平速度矢量會(huì)影響上升氣流的旋轉(zhuǎn)，尤其是在雷暴期間。同樣，在關(guān)注大氣環(huán)流研究的同時(shí)，考慮了渦量的垂直分量，因?yàn)樗c散度、大氣中的垂直運(yùn)動(dòng)和水平渦量有關(guān)。

地球物理流體動(dòng)力學(xué)和渦度

在地球物理流體動(dòng)力學(xué)中，渦量的垂直和水平分量非常重要。為了描述大氣的低層，使用了水平分量，而當(dāng)風(fēng)的速度或方向發(fā)生變化時(shí)，垂直分量起著重要作用。

渦度可以使用術(shù)語(yǔ)絕對(duì)渦度在慣性參考系中表示：

相對(duì)于地球的自轉(zhuǎn)，渦量使用以下等式描述：

在討論地球系統(tǒng)中流體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，絕對(duì)渦度和相對(duì)渦度是交替使用的兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。 

絕對(duì)渦度

渦量的垂直分量在大尺度動(dòng)力學(xué)中非常重要。當(dāng)圍繞 z 軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體分解為由以下等式給出的垂直渦度分量：

在地球參考系中，流體或流體塊經(jīng)歷的總垂直渦度稱為絕對(duì)渦度。絕對(duì)渦量 (ζA) 的數(shù)學(xué)表示可表示為：

ζR 是相對(duì)渦度，f 是科里奧利參數(shù)。

科里奧利參數(shù)

科里奧利參數(shù)是解釋地球背景旋轉(zhuǎn)的量。科里奧利參數(shù)是地球表面賦予大氣的渦度。在描述地球的渦度時(shí)，科里奧利參數(shù)“f”是緯度的函數(shù)。在北半球，“f”的值為正，而在南半球，它為負(fù)。

相對(duì)渦度 

相對(duì)渦量可以概括為在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中觀察到的渦量。要確定慣性系中的絕對(duì)渦度，需要了解相對(duì)渦度和科里奧利參數(shù)。絕對(duì)渦度方程可以改寫為： 

比較最后兩個(gè)絕對(duì)渦度方程，可以得出相對(duì)論渦度等于： 

在地球物理流體動(dòng)力學(xué)中，相對(duì)渦度是由氣流通過(guò)彎曲路徑和風(fēng)切變產(chǎn)生的。相對(duì)渦度可以是正的也可以是負(fù)的。

風(fēng)切變或切變渦度引起的相對(duì)渦度 - 當(dāng)風(fēng)速存在水平差異時(shí)，會(huì)出現(xiàn)切變渦度。

彎曲風(fēng)流引起的相對(duì)渦度——當(dāng)空氣或流體塊由于彎曲流而獲得渦度時(shí)，稱為曲率渦度。 

測(cè)量相對(duì)渦度

相對(duì)渦度是相對(duì)于地面測(cè)量的，這與絕對(duì)渦度測(cè)量形成對(duì)比，在絕對(duì)渦度測(cè)量中，地球的自轉(zhuǎn)被視為附加分量。通常，相對(duì)渦量以每秒轉(zhuǎn)數(shù)表示。由于旋轉(zhuǎn)是無(wú)量綱的量，因此相對(duì)渦度以每秒表示。

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文章來(lái)源：cadence博客