能量原理與結(jié)構(gòu)分析

目錄

前言

第一部分 一般理論

第二部分 應(yīng)用于熱應(yīng)力問題和圣·維南扭轉(zhuǎn) 2100433B

本書是在作者曾發(fā)表過的一組重要論文的基礎(chǔ)上寫成的．這些文章總結(jié)、推廣和統(tǒng)一了關(guān)于彈性結(jié)構(gòu)分析的基本能量原理，其形式極為概括．例如，當(dāng)保持在小撓度理論內(nèi)時，從一開始就包括了非線性彈性和任意初應(yīng)變（熱應(yīng)變）的情況；這些文章還十分詳盡地發(fā)展了復(fù)雜結(jié)構(gòu)（例如飛機結(jié)構(gòu)）分析的實用方法，特別是矩陣分析法．本書內(nèi)容提供了當(dāng)前廣泛應(yīng)用的有限元素法的理論基礎(chǔ)．

本書可供力學(xué)工作者，以及航空、造船、機械、建筑等方面的工程技術(shù)人員，高等院校有關(guān)專業(yè)師生參考．

本書由哈爾濱工業(yè)大學(xué)邵成勛同志翻譯，經(jīng)大連工學(xué)院唐立民同志校訂．

一個系統(tǒng)可劃分為若干個貯存能量的振動方程式群，稱為子系統(tǒng)。在一定的頻帶范圍內(nèi)，每個子系統(tǒng)可以用其能量的時間空間平均值、簡正方式的數(shù)目和表示能量損耗的損耗因數(shù)描述。在穩(wěn)態(tài)情況下，可建立各子系統(tǒng)的能量平衡方程式。若子系統(tǒng)有m個，則可得到一個含有m-1個元的線性代數(shù)方程。這樣，復(fù)雜的數(shù)理方程的求解就變成了簡單的代數(shù)方程組的求解。統(tǒng)計能量分析已成功地用在航空和宇航結(jié)構(gòu)對噪聲的響應(yīng)，汽車車廂內(nèi)的聲場及建筑構(gòu)件隔聲等問題。2100433B

能量天氣分析、預(yù)報方法，在我國是由中央氣象局氣象科學(xué)研究所首先研究并逐步推廣的。全國絕大部分省、市、自治區(qū)都有一些單位將這種觀點和方法應(yīng)用在暴雨、冰雹的發(fā)生和臺風(fēng)路徑等的分析、預(yù)報上。三年來的工作已初見成效，揭示了一些有意義的強烈天氣前兆現(xiàn)象，找到了若干行之有效的預(yù)報指標(biāo)。當(dāng)前應(yīng)當(dāng)總結(jié)經(jīng)驗，肯定成績，找出不足之處，確定今后發(fā)展方向，繼續(xù)前進。

能量天氣分析和預(yù)報方法能量天氣分析、預(yù)報方法的理論很據(jù)

早在一百年前，恩格斯就指出，能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，是“從星云到人的一切物體的普編的自然規(guī)律”，它表明了“自然界中的一切運動都可以歸結(jié)為一種形式向另一種形式不斷轉(zhuǎn)化的過程”。氣象學(xué)是以研究我們地球上的大氣運動過程和規(guī)律為任務(wù)的，因此，人們很早就開始從大氣能量學(xué)的觀點研究天氣變化了。大氣能量學(xué)包括兩個方面，第一是各種形式大氣能量的分配情況，第二是不同形式的能量間的轉(zhuǎn)換過程。

（1）各種形式大氣能量的分配情況

在考慮短期天氣變化中，大氣同外界的能量交換或質(zhì)量(主要是水分)交換是可以忽略的，即忽略能和水的源和匯，也就是只包括了大氣中已具有的能和水的形式變化。水滴的凝結(jié)和蒸發(fā)是大氣中水汽含量變化的單一過程。水汽凝結(jié)后的水滴全部降落稱為假絕熱過程。水汽凝結(jié)后的水滴全部不降落，并將在以后蒸發(fā)時，稱為可逆的濕絕熱過程。兩者統(tǒng)稱為濕絕熱過程。實際情況是凝結(jié)的水滴部分降落，部分存留在大氣中后被蒸發(fā)，即介于假絕熱過程和可逆濕絕熱過程之間的。

總能、總溫度或假相當(dāng)位溫的引用，揭示了濕絕熱過程中的守恒物理量，因而提供了一種追蹤運動著的空氣質(zhì)點的手段。這是很重要的?？偰芑蚩倻囟仁歉鞣N形式的能量的線性和，因而明顯地表達(dá)了各種形式的能量在濕絕熱過程中各時刻的分配情況，有一定的優(yōu)越性。在業(yè)務(wù)中應(yīng)用時好處甚多，為高原分析、為充分利用現(xiàn)有資料進行次天氣尺度和中小尺度分析提供了一種較優(yōu)越的方法。

（2）不同形式能量間的轉(zhuǎn)換

能量方程實質(zhì)上是一個“算賬”的方程，它雖然揭示了濕絕熱過程中總能守恒，和不同時刻各種形式能量的分配情況，但并不闡述各種形式能量的轉(zhuǎn)換機制。單純的能量方程或總能或總溫度都不是預(yù)報工具，必須和某種其他考慮相結(jié)合才能用于預(yù)報。

對流性天氣發(fā)生發(fā)展只需要考慮單位空氣柱總能的鉛直分布，即由鉛直分布而產(chǎn)生的不穩(wěn)定能量的轉(zhuǎn)換問題。大面積降水則涉及了能量的水平分布而產(chǎn)生的不穩(wěn)定能量的轉(zhuǎn)換問題，也就是有效位能和其轉(zhuǎn)換為動能的問題。有效位能的觀點很早就被應(yīng)用于氣旋的發(fā)生發(fā)展，這是不嚴(yán)格的，因為氣旋是不封閉的。五十年代有效位能觀點被用于整個大氣，雖然用了一些假定，但卻闡明了一些問題。至于有效位能的釋放，氣象學(xué)中是從斜壓不穩(wěn)定觀點來研究的?，F(xiàn)有的有效位能觀點是考慮干燥大氣的。斜壓不穩(wěn)定性理論也是如此，并且所得出的不穩(wěn)定波長太長，不適用于暴雨天氣的較小天氣系統(tǒng)(次天氣尺度系統(tǒng))。為了解決大面積暴雨天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展問題，極需要把有效位能和斜壓不穩(wěn)定理論推廣到濕有效位能和濕斜壓不穩(wěn)定理論。

能量天氣分析和預(yù)報方法能量天氣分析、預(yù)報方法的實踐現(xiàn)狀

三年來我國氣象臺站從事能量分析、預(yù)報方法的實踐時，針對所面臨的問題，充分利用可能取得的資料，設(shè)計了各種表示總能或總溫度時空分布的圖表，在冰雹、暴雨和臺風(fēng)預(yù)報中，取得相當(dāng)好的成績。

（1）在冰雹、暴雨預(yù)報中的應(yīng)用

冰雹、暴雨預(yù)報包括了有無、落時和落區(qū)三個問題。冰雹和暴雨都屬于對流性天氣或至少包括了對流性天氣，都有其孕育一發(fā)生、發(fā)展一消亡過程。從能量觀點看，就是鉛直不穩(wěn)定能量的產(chǎn)生一積累一釋放過程。冰雹和暴雨的不同在子溫度，尤其是0℃層出現(xiàn)的高度(或氣壓)。

鉛直不穩(wěn)定能量的產(chǎn)生過程，實際上大多數(shù)是下層總能量增加，上層總能量減少，或上下層總能量都增加，但下層增加得多。高層從西北方流來的干冷空氣跟低層從偏南方流來的暖濕空氣迭置在同一個空氣柱中，是常見的一種產(chǎn)生鉛直不穩(wěn)定能量的天氣過程。山西陽泉，遼寧林西，安徽宿縣等地區(qū)利用這種觀點作降雹預(yù)報，收到了一定效果。以宿縣為例，1977年6月共出現(xiàn)降雹指標(biāo)5次(上午預(yù)報下午有無冰雹)，實況降雹4次，空報1次，無漏報。

不穩(wěn)定能量的積累除了抑制近地層暖濕空氣上逸的阻擋層或逆溫層外，抑制上層干冷空氣下沉的干燥層也起著重要的作用。關(guān)于不穩(wěn)定能量積累到一定程度后的釋放問題，很多臺站是把能量分析方法和常規(guī)天氣圖方法結(jié)合起來加以解決的。例如，晉東南地區(qū)用環(huán)流型、影響系統(tǒng)和能量方法相結(jié)合，有可能延長預(yù)報時效，能夠在24小時前預(yù)報出本地區(qū)有無冰雹。還有很多單位根據(jù)區(qū)域地面圖上高、低能軸線，潛在性不穩(wěn)定區(qū)域，地面風(fēng)場的輻合線或輻合點以及高空氣流來判斷本地區(qū)那些縣降雹的可能性最大，并已在日常業(yè)務(wù)中試用。

湘潭、大連等地區(qū)發(fā)現(xiàn)總溫度達(dá)到或超過某一臨界值，是當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)暴雨條件之一。北京等很多地區(qū)發(fā)現(xiàn)暴雨來臨前，低層有高能丘，揭示對流運動在暴雨形成中起著重要作用。

形成暴雨的中、小尺度天氣系統(tǒng)的生命史一般只有兒個小時，但其孕育階段即不穩(wěn)定能量的產(chǎn)生和積累卻往往經(jīng)歷較長時間。湘潭、九江等臺用能量方法或其他方法確定未來有暴雨的基礎(chǔ)上，再利用當(dāng)天14時區(qū)域圖上的總能數(shù)值，高能中心或高能舌的位置，變能場或風(fēng)場，勾畫出未來暴雨區(qū)的位置，為落區(qū)預(yù)報提供一種客觀依據(jù)。

華南和華北的一些單位發(fā)現(xiàn)，在暴雨來臨前，低層等壓面圖上的總溫度或θ_se分布常呈現(xiàn)次天氣尺度的形狀的所謂錮囚高能區(qū)。這揭示除對流不穩(wěn)定性外，濕斜壓不穩(wěn)定性所導(dǎo)致的次天氣尺度在區(qū)域性暴雨中也起重要作用。陜西省臺曾據(jù)此強調(diào)次天氣尺度的概念及其意義。

湖北省氣象科研所和北京臺、錦州臺發(fā)現(xiàn)暴雨深厚高能區(qū)在很多情況下，是由南向北移動的，因而外推法也取得一定效果。

（2）在臺風(fēng)預(yù)報中的應(yīng)用

臺風(fēng)是一個深厚的高能系統(tǒng)，是不穩(wěn)定能量積累并釋放的渦旋。臺風(fēng)的發(fā)生、發(fā)展與基本氣流的切變和第二種條件不穩(wěn)定性有密切的關(guān)系。臺風(fēng)運動的研究，二十年前多側(cè)重引導(dǎo)氣流，后來則多與其發(fā)展作統(tǒng)一的考慮，即把臺風(fēng)的運動歸之于不穩(wěn)定能量的積累和釋放的傳播。

1975年湖北省氣象局科研所在分析1975年第3號臺風(fēng)的能量分布與其路徑的關(guān)系時，曾指出臺風(fēng)中心向過去12小時50毫巴高能中心移動，并指出這可能是臺風(fēng)能場變化超前于風(fēng)場和氣壓場的結(jié)果。后來，空軍氣象學(xué)校對1956一1976年的150個臺風(fēng)路徑和50毫巴能量場的關(guān)系進行了普查，發(fā)現(xiàn)一般臺風(fēng)沿著低能區(qū)和高能區(qū)的交界面移動。只有遇到低能軸線阻擋時，才改變移動方向，當(dāng)臺風(fēng)前進方向被低能區(qū)包圍，臺風(fēng)中心的高能區(qū)呈近似園形時，臺風(fēng)則發(fā)生打轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

福建省氣象局對500毫巴能量場作了更細(xì)致的處理，并在1977年臺風(fēng)季節(jié)里，在日常業(yè)務(wù)中試驗。結(jié)果是：①80%左右的時次，臺風(fēng)預(yù)報路徑和實際路徑間的偏差角在20°以內(nèi)；②偏差角在30“以上者，隨度數(shù)而遞減。他們認(rèn)為500毫巴總能場(考慮位能項)對臺風(fēng)移動的短期預(yù)報具有指示意義，即使在拐點也是這樣。

看來，從不穩(wěn)定能量的傳播觀點分析臺風(fēng)路徑，可能在理論上有優(yōu)于引導(dǎo)氣流之處，并有一定的實踐價值。

能量天氣分析和預(yù)報方法發(fā)展趨勢

三年來，我國氣象工作者在能量天氣分析、預(yù)報實踐中已取得了不少成果，并接觸到冰雹、暴雨和臺風(fēng)的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程的物理實質(zhì)。今后應(yīng)當(dāng)進一步發(fā)展，使其逐步完善。下面提出幾個方面工作的初步意見，供有關(guān)單位及從事這項工作的考慮。

（1）對流性降水

純粹對流性降水的微觀和半宏觀特征方面，還有待于精確細(xì)致的觀測，其中有一系列的技術(shù)和理論間題要解決，這需要一定的時間。但最后當(dāng)能得到概括中小尺度生命史的模式和規(guī)律。當(dāng)前實踐中最易收效的辦法是加強地方性天氣監(jiān)視網(wǎng)(包括雷達(dá))和情報、指揮通訊系統(tǒng)。

至于對流性天氣的某些宏觀特征，即可以加以闡述。例如，強對流降水地區(qū)的等總溫度線或’等壓，線上凸下凹，上下層高能區(qū)打通的現(xiàn)象，就可以粗略地用水汽的向上鉛直輸送和水平側(cè)向擴散來加以解釋。

（2）濕斜壓大氣不穩(wěn)定

濕斜壓大氣不穩(wěn)定性的研究可以擴展到用診斷分析研究其位勢傾向和鉛直運動分布，也可以進一步考慮假絕熱過程和以原始方程代替準(zhǔn)地轉(zhuǎn)方程，并從事數(shù)值模擬。

最重要的是還要從事次天氣尺度系統(tǒng)的天氣學(xué)分析，充分利用我國現(xiàn)有的探空網(wǎng)和能量分析中己獲得的結(jié)果，最后當(dāng)能得到次天氣尺度系統(tǒng)的生命史模式。

濕斜壓大氣的天氣學(xué)和動力學(xué)的研究，最終將有助夏季大面積降水預(yù)報。臺風(fēng)和熱帶渦旋可以看作是次天氣尺度系統(tǒng)，其發(fā)生、發(fā)展和移動也可用濕斜壓大氣的天氣學(xué)和動力學(xué)方法來加以研究。

總之，能量天氣分析、預(yù)報的實踐促進了濕斜壓大氣天氣學(xué)和動力學(xué)的研究。今后進一步的深入探索，當(dāng)大有助于冰雹、暴雨和臺風(fēng)等災(zāi)害性天氣的預(yù)報。將來結(jié)合微觀運動的深入研究，最終將使我們得到人工影響災(zāi)害性天氣的可靠方案。 2100433B

能量天氣分析和預(yù)報方法主要按照能量守恒和轉(zhuǎn)換的物理規(guī)律，用天氣圖方法研究天氣分析和預(yù)報問題。著重對天氣現(xiàn)象發(fā)生的能源和水汽問題提出切實可行的分析方法，作為常規(guī)天氣學(xué)方法的輔助手段，可彌補常規(guī)天氣圖方法之不足。