动力气象学总复习课件

动力气象总复习2011.6第一章绪论对气象学涉及的天气系统来讲，有以下几种空间尺度：动力气象学的研究对象、任务和方法大尺度大气的重要特点1、大气的运动是在旋转的地球上进行的，受到重力作用

A、地球半径ａ≈6000km与大尺度系统尺度近似∴必须要考虑地球的自转→旋转流体力学旋转坐标系下流体运动受到科氏力的影响。大尺度大气运动中，科氏力与水平气压梯度力近似平衡，运动具有准地转平衡性质。B、大气受到重力场的作用，质量集中在对流层，大气是很扁平的一层，铅直速度远小于水平速度∴大尺度大气是准水平运动铅直方向上气压梯度力与重力近似平衡∴大尺度大气具有准静力平衡性质方法：物理基础：力学（质点力学），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，近似方法步骤：

气象问题→物理模型→数学模型→求解

→解释原问题

！侧重在首尾两步基本物理定律：牛顿第二定律；质量守恒定律；热力学能量守恒理想气体定律Lagrange方法：物质体积元Eurlar方法：空间体积元基本研究方法？第二章描写大气运动的基本方程组个别变化：表示固定的空气块移动到不同地点的物理量随时间的变化

局地变化：表示在固定点物理量随时间的变化空间导数：表示物理量在空间分布不均，借助风输送使得固定点的物理量随时间改变。

导数关系物理定律物理量场变化导数关系将算子作用于位置矢量绝对速度与相对速度之间的关系式绝对加速度与相对加速度之间的关系向心加速度科氏加速度相对加速度离心力科氏力如果该物体在地球上不静止，则此项不为零。假想的力真实的力假想的力

真实力(基本力,牛顿力，在空间固定、绝对坐标系中):

气压梯度力、地心引力、摩擦力

非真实力（视示力、外观力，在旋转坐标系中）：

惯性离心力、地转偏向力力：气压梯度力科氏力摩擦力重力万有引力离心力从牛顿第二定律推导出来的：

连续方程的基本形式Lagrange方法Euler方法从质量守恒定律推导出来的：连续方程称为速度散度。体积元相对膨胀率为零——无辐散，为均质大气。体积增大——辐散体积减小——辐合大于零，体积膨胀，称为辐散，表示流出；小于零，体积缩小，称为辐合，表示流入。是单位时间单位空间体积内流体质量的流出流入量质量散度连续方程当有质量净流入时，固定体积元的密度要增大；当有质量净流出时，固定体积元的密度要减小。

其中Cv为定容比热，α为比容，Cp为定压比热。热力学能量方程从热力学第一定律推导出来的：理想气体定律：描写大气运动的基本方程组第三章尺度分析和P坐标系下运动方程组尺度概念

物理量的“尺度”是指，具有代表意义能反映该物理量一般大小的量值，又称“特征值”。其大小是用数量级来表示的。将任一物理量写作：

特征量无量纲量尺度分析法

尺度分析法是依据表征某类运动系统的运动状态和热力状态各物理量的特征值，估计大气运动方程中各项量级大小的一种方法。根据尺度分析的结果，结合物理上考虑，略去方程中量级较小的项，便可得到简化方程，并可分析运动系统的某些基本性质。零级近似简化方程这一方程组说明了中纬度大尺度运动是准水平、准地转平衡、准静力平衡、准水平无辐散、准定常的涡旋运动，这是中纬度大尺度运动的最基本性质。罗斯贝数的大小反映了科氏力的相对重要性。重要的无量纲数：a)中纬度大尺度运动：

——准地转b)中纬度中小尺度运动：

——非地转c)热带大尺度运动：

——非地转d)海洋情形：

——准地转运动

p坐标系静力平衡是建立p坐标系的物理基础。气压相当精确的等于该高度以上单位截面积空气柱的质量。位势（重力位势，geopotential):

单位质量空气从海平面上升到高度Z克服重力作的功0当Z=1米时，f=9.8焦耳/千克，1位势米=9.8焦耳/千克，并定义

为位势高度地转运动、地转偏差的概念，斜压大气、正压大气、热成风的概念定义上下配置不同，热成风不等于0

天气学意义第四章自由大气中的风场地转风定义空气块直线运动，在水平气压梯度力和水平地转偏向力平衡的作用下，风沿等压线或等位势线吹，北半球背风而立气压高的在右。

适用条件：大尺度系统，北半球中高纬，不适用于低纬度，因为φ=0，地转偏向力为零，不能与气压梯度力相平衡。地转风的物理本质：水平气压梯度力和科氏力平衡，风沿等压线（等高线、等位势线）吹，背风而立气压高在右。对除以f并用，可得：地转偏差定义：实际风与地转风之差地转偏差和水平加速度方向垂直，在北半球指向水平加速度的左侧。地转运动：天气系统不变地转偏差是天气系统变化的重要原因。准地转理论被广泛应用于大尺度大气运动地转偏差很小，但很重要：

地转偏差还可以引起辐散和辐合，对垂直运动也有重要意义。地转偏差的辐散或辐合实际是水平风的辐散或辐合。

地转偏差对大气运动的演变有极为重要的作用。地转偏差使空气微团穿越等压线引起质量的重新分布，造成风压场的变化，是天气系统演变的一个动力因子。低高FAGVVg地转偏差指向摩擦力方向右侧北半球,摩擦层中,风向指向低压摩擦层中的地转偏差摩擦层中由于摩擦作用，

低压辐合上升，高压辐散下沉。

低高

——由热力作用引起的（1）正压大气和斜压大气“流体力学”中正压流体和斜压流体：热成风：地转风随高度的变化

正压大气：密度的空间分布只依赖于气压，即ρ=ρ(p)，这种大气状态称作正压大气。正压大气中等压面、等密度面和等温面重合在一起。斜压大气：密度的空间分布不仅依赖于气压而且依赖于温度，即ρ=ρ(p,T)，这种状态称作斜压大气。斜压大气中等压面与等密度面、等温面是交割的。大气：

当

等压面上温度分布大气斜压性与等压面上温度分布不均匀相联系－－热力过程相对应；地转风，Z坐标：热成风为零，反之亦然热成风：地转风随高度的变化

等压面上温度分布均匀－－正压大气情形，密度仅仅和气压有关P+与P-之间二个气柱重量相同，密度相同－－高度也相同－－P+与P-平行－－热成风为0等压面上温度分布不均匀--------------------斜压大气情形，暖区密度减少，气柱膨胀。P+与P-之间二个气柱重量相同，密度暖区小于冷区－－高度h1>h2－－P+与P-不平行－－热成风不为0P+P-暖冷可见：热成风是与大气的斜压性相联系，与热力作用相关。已知地转风：地转风随高度的变化为：

进一步：等压面上温度分布的不均匀，引起了热成风

冷暖XZXZ热成风沿气层的等厚度线（等平均温度线）吹，背风而立，厚度（平均温度）高的在右。从以上讨论可见：正压大气，等压面上温度分布均匀，热成风为0，上下运动一致。斜压大气，等压面上温度分布不均匀，热成风不为0，上下运动不一致。斜压大气是地转风随高度改变的充要条件，也就是正压大气中不存在热成风。例如：（1）副热带高压：从低层、到中层、直到高层，都表现为高压（反气旋）－－正压系统成因－－动力作用；（2）夏季的青藏高原：高层是反气旋，低层是气旋，－－斜压系统成因：热力作用；（3）整层大气的平均运动，体现的是上下相同的部分，属于正压分量－－动力过程结果。

500hPa为对流层中层，体现的是大气上下平均状况，相当正压层。上层与下层大气的差，体现的是上下不同的部分，属于斜压分量－－热力过程结果。例如：（4）高原的动力与热力作用例：夏季：1、热成风是由于大气的斜压性所引起2、大气大尺度动力系统与热力系统在天气图上的主要表现特征，实例

3、斜压性的强弱可以通过什么体现？第五章涡旋动力学1，涡度是什么？涡度方程：各项意义（引起涡度、天气系统变化的因子）这些因子是什么，产生机制是什么，对天气系统的影响，何时重要、何时次要。★了解天气系统的发生发展机制。2，位涡方程；什么是位涡？由热力学和动力学过程组合而成的量；位涡守恒——绝热无摩擦。应用：过山（大尺度）气流：3，什么是β－平面近似？第六章波动学1，波动概念：振荡机制——回复机制（负反馈机制）传播机制——质点与质点间的相互联系。特点：空间、时间上周期变化。波参数：有哪些？定义？关系？求波解？单波：讨论波动传播问题，不能讨论波的发展。群速度——波群——群速度2，微扰动的线性化方法：基本思想、假设？如何做？3，基本方程中有哪些波？各种波的机制、性质？滤波条件？重力内波——浮力振荡（体现产生机制）β－效应（体现Rossby波产生机制）重力外波——用自由面h体现的连续方程——h变化，引起辐合辐散——传播机制。上游效应，下游效应4，会解：重力外波，大气长波物理（气象）模型、数学模型、线性化、设波解、本征值、求波速c、讨论气象意义滤波概念：掌握思想。波动是否稳定，只要判断Ci是否等于0。波动发展，波动不稳定

波动不发展，波动稳定

第七章波动的不稳定理论静力稳定度：定义

判据：惯性稳定度：定义

判