动力气象学一章节.ppt

动 力 气 象 学,大气科学、海洋科学专业04级 （2006年2月7月） 大气科学系 郭品文,第一章、绪论,动力气象学（课程）研究对象，任务和方法 动力气象学发展简介,一、对象、任务和方法,1、研究对象,尺度范围很广 如气象学涉及以下几种空间尺度的系统 大尺度：106m 中尺度：105 m 小尺度：104m 气旋反气旋 暴雨系统 龙卷风 本课程研究的对象： 大尺度大气中发生的天气过程 在日常天气图上可见；影响日常天气,两个重要特点： 地球半径6000km 与大尺度系统尺度近似 地球的自转重要 旋转流体力学 在旋转坐标系下考虑流体运动，与一般流体运动差别很大 气象系统的垂直厚度104m 很扁平的一层 是准水平 大尺度大气运动, “准”的含义 水平运动： 垂直速度为零。 准水平运动：主要是水平运动，但垂直运动也很重要（降水的形成）。 地转运动：科氏力与气压梯度力相等，加速度等于零。 准地转运动：科氏力与气压梯度力近似相等，加速度不等于零，系统能发展。,动力气象学（课程）的研究对象: 考虑地球自转的、准水平运动大尺度大气动力过程。 大尺度系统，又称天气尺度系统、天气系统。,2.任务：,动力气象学与天气学不同之处在于： 天气学：从观测资料出发，经验性的，总结天气过程的发生发展规律，（主观）推断可能机理 动力学：从物理定律出发，从理论上，揭示天气过程的发生发展规律和机理,本校大气科学专业教学特色：,理论联系实际： 天气学与动力气象学相互渗透交叉 天气动力学,3.方法,物理基础：力学、热力学； （不去研究声、光、电、降水的微物理过程） 数学基础：微积分（微分方程），矢量分析，场论（欧拉观点），计算数学。 步骤：气象问题 物理模型 数学模型 求解 解释原问题 侧重在首尾两步,二、发展简介,气象学是一门古老的学科： 人们一直试图去解释天气、预测天气 大气是一个物理系统， 近代动力气象学发展的推动力： 1、各种观测仪器的发明，通过观测大气，对观测现象的发现。 2、物理学、数学等基础学科的发展。,(1)19世纪20年代20世纪20年代 19世纪20年代之后，开始有了近代气象学1820年Brandes绘制了第一张天气图，用外推法预测高低压的移动 形成了地面天气图，开创近代天气分析和天气预报方法。,（2）20世纪30年代 1904年建立了旋转大气运动方程组。 欧洲学术发展兴盛：卑尔根学派（皮叶克尼斯1920年锋面学说）,（3）20世纪60年代 动力气象迅速发展的时期 背景：二战爆发后，海陆空军参战，由于战争的需要，建立了高空观测网，气象要素发展为三维系统（时间四维） 高空500hPa图的最主要特点：波动（时间上，空间上） 美国学术发展兴盛：芝加哥大学Rossby动力气象学之鼻祖 1939年，他提出了长波学说，称此波为大气长波或Rossby波。 气象中最主要的理论：波动理论,这一时期的主要理论成果： 地转适应理论（Rossby，1938） 行星波的能量频散理论（Rossby，叶笃正，1949） 行星波的斜压不稳定（恰尼，1947；伊台，1949）热力机制 行星波的正压不稳定（郭晓岚，1949）动力机制 大气运动的尺度分析（恰尼，1949） 数值预报理论（恰尼等，1950，芝加哥大学） 成功地进行了数值预报，把前面的理论基础归结为一个简单的预报方程。,（4）至今 1.热带大气动力学 热带的水汽，对流，潜热释放等影响全球；非常重要；ENSO现象 热带观测仪器有：卫星，国际上的专门试验 第二类条件不稳定CISK机制（恰尼，1964） 积云对流参数化（郭晓岚，1965）用大尺度的量表示小尺度的对流问题， （类似于物理学中，用宏观量来表达描述微观运动） 热带波动学（松野，1966）Kelvin波,Rossby重力波，重力惯性内波,2.中小尺度动力学 是由于测站间距大于中小尺度系统得自身尺度，故常规观测不到中尺度系统。 60年代后借助雷达卫星的特殊观测。 不稳定理论，数值模拟。,3.大气环流持续异常或气候异常动力学 70年代末至80年代末发展最多 定常波（物理中称为驻波）理论（气候） 大气环流持续异常理论 “遥相关”现象,e.g. ENSO发生，美洲气候发生异常： 海温升高，对流加强，释放潜热 1979年英国Hoskines 大圆理论,e.g. 夏季青藏高原热源异常影响,4.非线性大气动力学 气象中的一些突变现象,北半球6月和10月的大气环流突变,1979年，美国的恰尼，多平衡理论（大气在同一状况下有几个平衡态）用以解释“副高北跳”，“大气环流6月、10月突变”现象。,90年代以后，动力气象学的新成果较少。 本课程讲授3060年代理论； 60年代后的主要在高等动力气象学选修课、研究生大气动力学课程中讲授。,本专业另外开设了中小尺度大气动力学、热带大气动力学等课程，且课程有三章内容（大气运动的基本方程组、尺度分析与自由大气中的风场、大气涡旋动力学）已经在先修课程天气学原理中部分讲述过，因此，本课程主要以讲述中高纬大尺度大气过程为主，为了保持课程的系统性，天气学原理部分讲述过的三章