前言
采用物质面作为垂直坐标面的最大优点是运动准二维,可以很大程度上避免垂直平流,且有利于保持位涡守恒。但是缺点是需要处理下垫面等位温面与地表的交叉。
等熵坐标下的方程组
状态方程
α=pRdT
位温定义θ为
T=θ(p0p)cpRd
推导一些微分关系式,沿等位温面的水平梯度
∇θT=θ∇θ(p0p)cpRd=T(pp0)cpRdcpRd(pp0)1−cpRdp0−1∇θp
经过整理,得
cp∇θT=α∇θp
类似时间导数
cp∂t∂T=α∂t∂p
再推导得垂直梯度
cp∂θ∂T=α∂θ∂p+Π
其中Π为Exner函数
Π=cp(p0p)cpRd
热力学方程
此时的热力学方程变为了垂直坐标速度
θ˙=ΠQ
其中Q为单位质量的加热率。
静力平衡方程
∂θ∂ϕ=−α∂θ∂p
∂θ∂M=Π
其中M为Montgomery势
M=cpT+ϕ
连续方程
∇p=∇θ−∇θp∂p∂
ω=DtDp=(∂t∂+v⋅∇)θp+θ˙∂θ∂p
利用气压坐标的连续方程
∇p⋅v+∂p∂ω=0
∂t∂m+∇θ⋅(mv)+∂θ∂mθ˙=0
其中m=−∂θ∂p。
动量方程
气压梯度力在高度、气压、经典气压地形追随坐标系下的形式为
−ρ1∇zp,−∇pϕ,−ρ1∇σp−∇σϕ
从高度坐标推等熵坐标的气压梯度力
−ρ1∇zp=−ρ1∇θp+∂z∂p∇θz=−ρ1∇θp−∇θϕ
其中红色项需要进一步推导(带入理想气体状态方程和位温定义式)
ρ1∇θp=pRdT∇θp=pRdθ(p0p)cpRd∇θp=θcpRdcp(p0p)−1(p0p)cpRd∇θp0p=θ∇θcp(p0p)cpRd=θ∇θΠ=∇θθΠ
则等熵坐标系下的气压梯度力为
−ρ1∇zp=−∇θ(θΠ+ϕ)=−∇θM
其中M是干静力能,或称为Montgomery势。从气压坐标推导也可以得到同样的结果
−∇pϕ=−∇θM
水平动量方程为
DtDv=−fk×v−∇θM+F
参考文献
- Yueh-Jiuan G. Hsu and Akio Arakawa, 1990: Numerical Modeling of the Atmosphere with an Isentropic Vertical Coordinate. Monthly Weather Review, 1990, 118, 1933-1959.