Ch07大气运动原理、空间和时间尺度.ppt

1,大气科学导论第二部分：天气和气候,胡永云yyhu北京大学物理学院大气科学系,阅读：MeteorologyToday，9、10、11章,2,第2部分内容提要：,大气运动的基本原理锋面和气旋。雷暴、龙卷和台风大气环流和海洋环流气候变化和ENSO天气预报行星大气南郊大气探测基地参观国家气象局,3,第七章：大气运动的基本原理、空间和时间尺度,我们在这一章关心三个基本问题:为什么大气会运动?驱动大气运动的力有哪些?地球大气是怎样运动的？大气运动的空间和时间尺度,4,本章参考书:,MeteorologyToday,C.D.Ahrens(Chapter9,6thor7thedition),AtmosphericScience:AnIntroductorySurvey,JohnM.WallaceandP.V.Hobbs(Chapter8),AnIntroductiontoDynamicMeteorology,J.R.Holton(Chapter1and2,3rdedition)有兴趣的学生可以参考高等教科书:GeophysicalFluidDynamics,J.Pedlosky(Chapter1and2,2ndedition),Atmosphere-OceanDynamics,A.D.Gill(Chapter3,4,and7),5,气旋风暴把撒哈拉沙尘输送到北大西洋,6,风和树,风欲静而树不止,7,气流越过山地后形成的涡旋,8,大气是一种流体,在高中物理的力学部分,我们学习的主要是固态物体的运动.大气是一种流体，现在,我们从流体力学的观点出发来学习大气的运动.大气的状态是由3个参数决定的，满足状态方程.为研究大气的运动,我们假定大气是连续的流体.,9,气体状态方程:,气体的状态是由3个参数决定的P=RTp:气压，单位：PaT:温度，单位：K=+273.15:密度，单位：kg/m3(也可以用体积）R=287J/kgK,10,假定流体是连续的,在大气动力学中,我们常选定一个单位体积的气块作为一个质点并以其作为研究对象.我们一般假定这个气块的体积与整个大气的体积相比非常小,但这个气块包含大量的分子数,个体分子的情况则可以忽略不计.,L,11,气块的受力分析:,根据牛顿第二定律,一个物体的运动(或加速度)是由作用于该物体上的各个力共同决定的.考虑地球表面放一个气块,它受哪些力?考虑地球旋转?,12,气块受力分析:,地球引力单位质量空气微团所受的地球引力为其中，G为引力常数，M为地球质量，r为地球半径,13,2.离心力,惯性离心力是由于地球自转造成的，它的方向垂直于地轴向外。在极点，R=0，无惯性离心力。,14,重力,这里，重力指的是离心力和引力的合力，它并不指向地心，但是由于离心力很小，我们一般仍认为地球的重力仍与引力相等，加速度约等于9.8ms-2在一些情况下，离心力是不能忽略的，例如，由于离心力的作用，地球在赤道的半径比极地的半径大21公里.,15,科氏力(Coriolisforce),16,科氏力的作用,17,科氏力的作用,18,科氏力(Coriolisforce),f=-2sin（f=-2U）：地球自传角速度：气块的运动速度：纬度在北半球，背风而立，科氏力使风偏向右在南半球，背风而立，科氏力使风偏向左在赤道，科氏力为，在两极，科氏力最大,19,4.气压梯度力：,20,气压梯度力,21,气压梯度力：,x,y,z,p2,p1,22,气压梯度可以从天气图上看出,地面的等压线,500hpa(mb)等压面上的等高线,23,等压面和等高线,三维显示等压面和等高线,24,立体显示等压面和等高线,25,等压面上的等高线就好比在山地表面画等高线,26,地面冷高压，高空低压地面暖低压，高空高压,27,28,29,气压梯度力和科氏力平衡下的气块运动,气压梯度力和科氏力平衡驱动的空气运动称为地转风,低压涡旋的力和风向,30,离心力,高压涡旋的力和风向,31,离心力,32,5.边界层摩擦力,在大气边界层(0-1000米),由于地面的摩擦而产生摩擦力.近似地,摩擦力与风速成正比:F=-aVa是摩擦系数,V是速度.,北半球气压梯度力、科氏力和摩擦力的作用下的运动,33,上图代表较高层大气的运动受力情况，在没有摩擦力的情况下，大气运动基本上是气压梯度力和科氏力平衡下的运动。下图代表近地面层的大气运动受力情况，在有摩擦力的情况下，大气运动是气压梯度力、科氏力和摩擦力三者平衡下的运动。,地面低压对应着辅合上升运动，地面高压对应着辅散下沉运动,34,35,根据风向判断高压和低压,36,近地面气流和高空气流的差别,37,北半球和南半球的气旋运动,北半球,南半球,38,小结:,我们在本节主要讨论了气块的受力:重力,离心力,科氏力,气压梯度力和摩擦力.其中,重力,气压梯度力和摩擦力是决定大气运动的基本力,也称为真实力.尤其是气压梯度力是驱动大气相对运动的主要动力.科氏力和离心力是地球旋转的惯性造成的.,39,大气运动的尺度划分:,40,小尺度运动：空间尺度以米为量级持续时间：以分钟为量级,大漠孤烟直长河落日圆,41,小尺度运动造成的沙丘和雪丘,42,高地上被风吹向一边的树,风欲静，而树不止,中尺度，雷暴空间尺度：几十公里；时间尺度：小时,43,44,海陆风中尺度运动:几十公里，小时,白天，陆面气温高气压低，水面相反，气压梯度方向由水面指向陆面。观测者感觉到的是向岸风。高层风向相反。陆面一侧形成上升气流，水面一侧形成下沉气流。陆面与水面温差的结果形成了一个区域环流。如空气中水汽较多，可在陆面一侧形成对流云,45,海陆风造成的天气现象,季风，千公里、半年,46,47,山谷风，中尺度,48,大尺度运动:气旋风暴，千公里，几天,49,大尺度：中高纬度的西风带急流和Rossby波动,50,作业:,什么是地转风?影响它的力是什么?地面摩擦是怎样改变风向和风速的?为什么地面风向穿越等压线,而高空风平行等压线?假定风由北向南,风速为10m/s,计算在北纬45处的科氏力.它怎样改变风向?在南纬45科氏力的大小和风向怎样?热力对比是影响气压梯度力的关键.结合海陆风,山谷风和季风,讨论海陆温度和气压对比与风向的关系.举例说明天气系统的空间和时间尺度