4-2014-09-中尺度-重力波G

C. 重力波在天文學上的應用重力波天文學位於漢福德的雷射干涉重力波天文台(credit: LIGO)重力波的成功測量是天文學的一大突破。

自遠古時代起，人類已經開始透過觀察夜空認識宇宙，用最直接的方法--可見光--觀看星空萬象，隨著科學與科技的發展，現今的天文學家利用不同頻段區域的電磁波，包括伽瑪射線、X射線、紅外線、無線電波等觀察宇宙，在不同頻段下，宇宙呈現著不同的形態，這使得人類眼中的宇宙越來越豐富。

重力波的本質與電磁波截然不同，這意味著重力波的測量可讓我們「看」到所有頻段的電磁波以外的天文現象，提供一套全新的觀測宇宙的頻段，例如LIGO首次直接測量到的重力波信號GW150914，同時也是首次直接測量雙黑洞合併，由於黑洞不會發出電磁波，重力波成為唯一直接觀察黑洞的工具。

隨著重力波天文台的儀器不斷升級，科學家預期可收集到大量關於黑洞的數據，這有助於研究不同類型的黑洞，例如原始黑洞(primordial black holes) 20，有理論指原始黑洞是暗物質21的一部份，因此重力波的測量亦可能增加我們對暗物質的認知。

另外，科學家可以從重力波信號中獲取重力波源跟地球相差的距離，這提供了一個測量星系距離的新方法。

當將來收集到更多重力波信號，這些星系距離的數據可用於計算宇宙學的哈勃常數(Hubble’s constant)。

哈勃常數是哈勃定律22中20原始黑洞的假設由史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出，由宇宙大爆炸時物質分佈不均勻而生成，現時尚未有直接證據支持它們的存在21以現時的認知，宇宙的質量及能量可分為暗能量、暗物質及正常物質，正常物質只佔約5%，暗物質則佔約25%，而暗能量佔約70%。

暗物質不發出任何電磁波，現時科學家只能以間接的方法知道它的存在，而它的本質卻仍未確定，它是現時宇宙學及天文學的重要研究課題之一。

暗能量雖佔質量及能量的大部份，但它的性質不明，是用以解釋宇宙的加速膨脹的一種假設性能量22哈勃定律以觀測為根據，表明所有方向的星系都在遠離地球，而且遠離的速度都與它們跟地的一個重要數字，是星系遠離地球的速度與它們跟地球的距離之間的比率，亦即是現時宇宙膨脹的速度。

重力波揭秘空间颤动在宇宙的宽广背景中，重力波是一种令人着迷的现象，近年来通过各种观测手段逐渐揭开了其神秘的面纱。

重力波是由爱因斯坦在1916年根据广义相对论首次预测的，它们是时空中的涟漪，当巨大质量的天体发生运动或加速时，这些波动将以光速传递，从而影响周边的时空结构。

重力波的基本概念重力波是由于质量的变化或物体运动产生的引力波动。

这种波动相当于水面上的波纹，正是物体运动所产生的扰动，影响了周围环境。

重力波根据源头的性质可以分为不同类型，比如双星系统、黑洞合并、超新星爆发等都能产生相应的重力波信号。

广义相对论与重力波爱因斯坦的广义相对论是理解重力波的核心理论。

在这套理论中，引力不再被视作一种看不见的力，而是由物质引起的时空弯曲现象。

任何具有质量的物体都会引起周围时空的拐弯，因此当大质量物体像黑洞或中子星这样的天体进行快速运动时，就可能在时空中产生扰动，这种扰动表现为重力波。

重力波的探测与研究尽管重力波理论已有百年，但直到2015年，科学家们才首次直接探测到了重力波。

这一突破由激光干涉引力量测天文台（LIGO）实现。

LIGO使用两条相互垂直长达四千米的干涉仪，并通过激光测量极其微小的长度变化，进而捕捉到经过地球的重力波信号。

LIGO的工作原理LIGO利用激光干涉技术进行探测。

当重力波穿过LIGO时，会使两条臂长发生微小变化。

如果某条臂受到重力波影响拉长，而另一条臂缩短，这将导致激光束经过干涉仪后形成干涉条纹变化，这种现象可以通过精密仪器进行记录和分析。

这一过程需要高度敏感和极其稳定的设备，以便捕捉到那微乎其微的人类所能感知的数量级变化。

科学发现与成果至今，LIGO已探测到多个不同来源的重力波事件，每一个事件不仅为我们提供了新的物理现象，还可能揭示更深层次的宇宙信息。

例如，2015年9月14日探测到的一次来自两个黑洞合并发出的重力波信号（GW150914），不仅证实了爱因斯坦百年的预言，也为天文学家提供了研究黑洞性质和数量的重要线索。

1.背风波：当风速随高度增大时，则可在背风坡出现波动气流，这种波动成为背风波。

2.多单体雷暴：由一些处于不同发展阶段的生命期短暂的对流单体组成，是具有统一环流的雷暴系统3.龙卷风暴：产生龙卷的强风暴系统称为龙卷风暴。

4.温带飑线：为—种带(或线)状中尺度系统,是非锋面性狭窄的活跃的雷暴带(或不稳定线)。

其中有许多雷暴单体（其中包括若干超级单体）侧向排列而形成的，是风向、风速、气压、温度等突变的狭窄强对流云带。

为破坏力严重的灾害性天气。

5.对流复合体（MCC）：指由若干对流单体或孤立对流系统及其衍生的层状云系所组成的对流系统，其空间尺度和时间尺度具有幅度很广的谱。

最简单的是二维的线状对流系统，最大而复杂的是一种具有近于圆形团状结构的MCC这两种系统位于对流复合体波谱的两端。

6. 对称不稳定：在流体静力、地砖平衡且具有水平切变的情况下，浮力和旋转会共同起作用，这两种效应会导致一种新的浮力惯性不稳定，即对称不稳定，对称不稳定是中尺度雨带与雨团形成的主要不稳定机制。

7.条件性不稳定:对干空气是静力稳定的，而对饱和湿空气静力不稳定的情况。

8.对流性不稳定：不论气层原先的层结性如何，在其被抬升达到饱和后，如果是不稳定的则称对流性不稳定。

9.第二类条件性不稳定：大尺度流场通过摩擦边界层的抽吸作用，为积云对流提供了必须的水汽辐合与上升运动，反过来积云对流释放凝结潜热又成为驱动大尺度扰动所需要的能量，于是小尺度积云对流和大尺度流场通过相互作用，相辅相成的都得到了发展。

这种通过不同尺度运动的相互作用使对流和大尺度流场不稳定增长的物理机制称为第二类条件性不稳定。

10. 超级单体风暴：直径达20~40km 以上，生命期达数小时以上，即比普通的成熟单体雷暴更巨大、更持久、天气更猛烈的单体强雷暴系统。

它具有近于稳定的、高度有组织的内部环流，并且连续地向前传播可达数百公里。

11. .暖输送带：在槽前辐合区的边界上通常可以看到一支狭长的云带。

中小尺度中尺度带状对流系统由对流单体侧向排列而成的中尺度对流系统一般称为带状对流系统。

结构：飑线作为一个中尺度系统，应包括对流区和非对流(层状云)区两部分。

对流区包含强烈的、垂直延伸的强回波核，而层状区域由一些降水构成均匀（不是绝对均匀）纹理。

概念：为—种带(或线)状中尺度系统,是非锋面性狭窄的活跃的雷暴带(或不稳定线)。

其中有许多雷暴单体（其中包括若干超级单体）侧向排列而形成的，是风向、风速气压、温度等突变的狭窄强对流云带。

为破坏力严重的灾害性天气。

飑线的一般特征○!发生地点：出现在中纬度的某些大陆地区以及主要的热带大陆和热带海洋地区。

温带地区的飑线常发生在春夏之交的过渡季节，有的出现在冷锋前或气旋波的暖区，有的在冷锋后的冷区里，还有在冷暖锋上或切变线(辐合线)附近生成的。

并大致与锋面相平行。

○2尺度：长约几百千米，宽度约50～100km。

飑线由若干“飑段”组成。

每个飑段包含若干大而孤立的相互分离的风暴。

○3时间尺度：几小时至十几小时。

○4飑线的地面要素场的结构：飑线由雷暴单体侧向排列而成，每个单体成熟期都有地面冷丘及水平外流和阵风锋；小冷丘和阵风锋结合起来形成小尺度雷暴高压和阵风锋。

阵风锋又称为飑锋：处在雷暴高压边缘。

具有很强的温度梯度、气压梯度和风速和风向水平切变，它也叫气压涌升线或跳跃线。

○5过境特征：由于飑锋附近是各种气象要素水平梯度很大的地带，因此当飑锋过境时，气象要素将发生急剧的变化。

通常表现为气压涌升、气温急降、风向突变、风速剧增以及强烈降水等。

飑线前低压：飑锋前方一般有中尺度低压。

它的形成可能与飑线前方高层的补偿下沉气流引起的绝热增温有关。

尾流低压：雷暴高压后方的中尺度低压，它的形成与雷暴高压后部的尾流效应相联系。

飑中系统：包括飑线、飑线前低压、雷暴高压以及尾流低压统称为飑中系统。

※飑中系统的全部系统一般只在成熟阶段才同时出现。

不同阶段系统的强度和结构是不同的。

两类比较常见飑线：1、具有前导对流线和尾随层状云区以及具有由前向后和由后向前两支入流的飑线发生在风垂直切变相对小的环境中的飑线飑线的前方有一支由前向后的入流迎着飑锋上升，到高层分裂成向前和向后的两支气流，其后部中层则另有一支由后向前的入流。

中小尺度天气动力学Char1 中尺度天气系统的特征1、中尺度：时间尺度和空间尺度比常规探空网小，但比积云单体的生命周期及空间尺度大得多的一种尺度。

即水平尺度为几十千米到几百千米，时间尺度由几小时到十几小时。

2、尺度分类的动力学标准可利用罗斯贝数(Lf U R 00=惯性力/柯氏力) 和弗劳德数()/(/2ρρ∆=gL U F r 惯性力/浮3、简述Orlanski 分类法对中尺度的分类Meso ：α中尺度200~2000km ；β中尺度20~200km ；γ中尺度2~20km 。

4、中尺度大气运动的基本特征①空间尺度小，生命期短 ②气象要素梯度大 ③非地转平衡和非静力平衡及强的垂直运动 ④小概率和频谱宽、大振幅事件5、地转偏向力和浮力的作用（1）大尺度运动中，地转偏向力相对重要，浮力可以略去；（2）积云对流运动中，浮力相对重要，地转偏向力可以忽略；（3）中尺度运动中，地转偏向力和浮力都需要考虑。

Char3 自由大气非对流性中尺度环流1、重力波定义：重力波是因静力稳定大气受到扰动而产生的惯性振荡的传播，属于横波（质点扰动方向与波的传播方向垂直）。

分类：（1）重力外波——由外部条件作用下存在的重力波；（2）重力内波——当外部条件被限制时，存在于流体内部的重力波 ；（3）惯性重力内波——考虑地球自转的影响。

2、可产生重力波的系统：暖平流导致气体膨胀使质点位移产生重力波；锋面抬升、大气中的辐合辐散场、背风波、风速的垂直切变、高低空急流的质量调整等3、重力波产生的天气条件：①稳定层（或逆温层） ②具有明显的风速垂直风切变 ③通常而言，Ri<0.5，Ri 越小重力波振幅越大4、重力波的作用①可触发对流 ②可引起晴空湍流(CAT)③高低空能量传输 ④不同尺度之间能量交换5、重力波的特点①气压场与涡度场同位相，高压中心与气旋涡度中心重合，反气旋涡度中心与低压中心重合； ②涡度与散度中心位相差π/2，气压场与散度场也相差π/2；③垂直运动与散度同位相（上升运动区→辐合区，下沉运动区→辐散区）④上升运动区一般为降水区。

军事学：军事气象学必看题库知识点三1、单选通过锋这样的不连续面时，气压的连续性为（）。

A、间断的B、连续的C、不确定的正确答案：B2、问答题热带气旋的生命史分为哪几个阶段？正确答案：热带气旋生命史，分为（江南博哥）４个阶段：形成期—由最初的低压环流出现时开始到发展到强度够热带风暴的标准为止。

发展期—热带风暴继续发展直到中心强度不再增加、风速达到最大值。

成熟期—从中心强度不再增加、风速不再加大，而热带风暴范围逐渐扩大，直至达到热带风暴等级的风力范围达到最广。

衰亡期—热带风暴减弱填塞，或者进入中纬度因冷空气侵入而转变为温带气旋。

3、问答题简单论述季风的成因。

正确答案：（1）海陆热力差异和行星风带的季节变化，由于海陆热力差异产生了经典的海陆季风，在两支行星风带交替的区域，行星环流发生季节转移，盛行风向往往近于反向，有人称这种现象为行星季风，在东半球的低纬地区，海陆热机和行星风带季节变化的作用一致，造成了显著的季风气候区。

（2）大地形的作用，冬季青藏高原是冷源，高原低层形成冷高压，盛行反气旋式环流，其东南侧盛行北—东北风，夏季青藏高原是热源，高原低层形成热低压，气旋式环流，东南侧吹西南风。

（3）南北半球气流的相互作用，北半球冬季猛烈的东亚寒潮能够越过赤道侵入南半球至澳大利亚北端，西印度洋上空存在一支持续的低空急流，其在冬季主要位于南半球，但在夏季急流跨越赤道成为印度季风气流的主要来源。

4、单选青藏高压的中短期活动以（）为主。

A、南北向B、东北西南向C、东西向D、西北东南向正确答案：C5、单选一般情况下，当锋面自北向南移动时，其坡度将（）。

A、增加B、减小C、不变正确答案：B6、问答题与降水有关的大气垂直上升运动大致可为哪几类？正确答案：（1）锋面抬升（爬升）作用引起的大范围斜压性上升运动。

（2）低层辐合—高层辐散引起的大范围动力性上升运动。

这主要是指大尺度天气系统的作用，既包括锋面、气旋、低涡、切变线、高空槽等西风带低值天气系统；也包括了台风、ITCZ、东风波等热带天气系统；还包括了低空急流，气流汇合带等流场系统以及热带云团等系统。