氣象變量場及其運(yùn)動學(xué)

1、 Synoptic Meteorology 天 氣 學(xué) 2012. 9.3（2）1 第一章 氣象變量場及其運(yùn)動學(xué)氣象標(biāo)量場的表征氣象矢量場的表征氣象場變量的時間變率氣壓場的運(yùn)動學(xué)氣象要素、天氣、天氣圖、地面天氣圖、高空天氣圖、天氣系統(tǒng)、天氣形勢、天氣過程、天氣學(xué)2氣象變量 標(biāo)量 矢量 對任意標(biāo)量氣象標(biāo)量場的表征笛卡爾坐標(biāo)3梯度氣象場變量的空間變率的物理量稱為梯度（gradient） 4哈密爾頓(Hamilton operator)算子 (梯度算子) (grad) 梯度(gradient)場變量的空間變率空間、時間的函數(shù)單位矢量5升度(ascendent)降度(descendent)反梯度(co

2、unter gradient) 冷暖模梯度62. 拉普拉斯算子(Laplace)Minimum (concave)7Maximum (convex)893.氣壓場的基本型式槽低壓高壓脊鋒面槽鞍形場103.氣壓場的基本型式槽低壓高壓脊鋒面槽鞍形場113.氣壓場的基本型式槽低壓高壓脊鋒面槽鞍形場12133.氣壓場的基本型式槽低壓高壓脊鋒面槽鞍形場14槽線脊線鋒面槽線15低壓高壓鞍形場16矢量場流線均勻線奇異線-間斷線,漸近線奇異點(diǎn)-尖點(diǎn)、渦旋、中性點(diǎn)17漸近線1819 輻散 輻合 氣旋性反氣旋性出流 入流渦旋及源匯2021散度旋度 渦度22uvwu 0 西風(fēng)v0 南風(fēng) w0 上升2324速度散度水

3、平散度25渦度2627渦度28渦度ZXYZXY29形變度（變形程度）將x,y方向的風(fēng)速分量u,v以泰勒級數(shù)對原點(diǎn)展開，忽略高次項(xiàng)后，可寫成下式：通過對上面二式的加減運(yùn)算，可得：30設(shè)31通過平行位移消去 則可得：代表均勻的平移，平移與x,y無關(guān)，氣塊中每個質(zhì)點(diǎn)均以同一速度及方向平移，氣塊不會發(fā)生變形。D表示擴(kuò)張或收縮，表示旋轉(zhuǎn)，而F1和F2則分別表示拉伸形變和切變形變的程度。32 （a） （b）圖1.10 靜止系統(tǒng)和移動系統(tǒng)情況下的變形帶（Weldon,1986）逗點(diǎn)云系33氣象場變量的時間變率A=A（x,y,z,t） 個別變化局地變化平流變化20152534氣壓場的運(yùn)動學(xué)C35稱為運(yùn)動坐標(biāo)系

4、中的局地變化 對運(yùn)動坐標(biāo)系來說是局地變化，但是對于固定坐標(biāo)系來說，也可看成是以速度運(yùn)動（即與運(yùn)動坐標(biāo)速度相同）的某點(diǎn)的個別變化。 360 373.氣壓場的基本型式槽低壓高壓脊鋒面槽鞍形場38槽線脊線39-+-0 40（i）槽線沿變壓（變高）降度方向移動，脊線沿變壓（變高）升度方向移動； （ii）槽線的移動速度與變壓（變高）降度（升度）成正比，與槽（脊）的強(qiáng)度成反比，即在變壓（變高）降度（升度）相同的情況下，強(qiáng)槽（脊）比弱槽（脊）移動得慢。41在系統(tǒng)中心 0 0 但在系統(tǒng)中心 所以上式又可變?yōu)?042又因?yàn)樵谙到y(tǒng)中心， 展開后得 0 而在系統(tǒng)中心，0，所以上式又可寫為：43 當(dāng)系統(tǒng)為橢圓形低壓時

5、，44當(dāng)系統(tǒng)為橢圓形高壓時，故：即 .長軸愈長， 脊愈強(qiáng), 愈小 ,Q愈小,系統(tǒng)移速 愈接近于長軸。45上式中是變壓降度(升度)與當(dāng)系統(tǒng)為正圓形時， 故可寫成： 這說明正圓形高壓系統(tǒng)的移動方向與變壓升度方向一致。同理，正圓形低壓系統(tǒng)的移動方向與變壓降度方向一致。軸的夾角 46正圓形的低壓沿變壓降度方向移動，移動速度與變壓降度成正比，與系統(tǒng)中心強(qiáng)度成反比；正圓形的高壓）沿變壓升度方向移動，移動速度與變壓升度成正比，與系統(tǒng)中心強(qiáng)度成反比；47（i）正圓形的低壓（高壓）沿變壓降度（升度）方向移動，移動速度與變壓降度（升度）成正比，與系統(tǒng)中心強(qiáng)度成反比；（ii）橢圓形高壓（低壓）的移動方向介于變壓升度

6、（降度）與長軸之間；長軸愈長，愈接近于長軸。移動速度與變壓升度（降度）成正比，與系統(tǒng)中心強(qiáng)度成反比。48在低壓和高壓中心 0，因此： 由此可見，槽（脊）線上的氣壓局地變化，即可表示槽（脊）強(qiáng)度的變化。因此，從原則上講：當(dāng)氣旋中心或槽上出現(xiàn)負(fù)變壓（正變壓）時，氣旋或槽將加深（填塞）。當(dāng)反氣旋中心或脊上出現(xiàn)正變壓（負(fù)變壓）時，反氣旋或脊將加強(qiáng)（減弱）。49小結(jié)本章的基本概念和重要名詞有：氣象要素、天氣、天氣圖、地面天氣圖、高空天氣圖、天氣系統(tǒng)、天氣形勢、天氣過程、天氣學(xué)、氣象變量(標(biāo)量和矢量)、等值線、等壓線、等壓面、標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系（z坐標(biāo)系）、梯度、升度、下降度（降度或反梯度）、模、拉普拉斯、低壓槽

7、、高壓脊、鋒面槽、低壓、高壓和鞍形場、流線、相對均勻氣流、奇異線、間斷線、漸近線、切變線、奇異點(diǎn)、尖點(diǎn)、渦旋、流出（入）氣流、氣旋式（反氣旋式）氣流、匯、源、中性點(diǎn)、速度場散度、渦度、水平輻合和輻散、渦度的水平分量和垂直分量、平移、拉伸形變和切變形變、速度勢和流函數(shù)、個別變化、局地變化和平流變化，固定坐標(biāo)系，運(yùn)動坐標(biāo)系，天氣系統(tǒng)移動的運(yùn)動學(xué)公式，50復(fù)習(xí)與思考（1）什么是氣象要素、天氣、天氣圖、地面天氣圖、高空天氣圖、天氣系統(tǒng)、天氣形勢、天氣過程、天氣學(xué)？（2）什么是氣象變量(包括標(biāo)量和矢量)、等值線、等壓線、等壓面、標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系（z坐標(biāo)系）？（3）什么是梯度、升度、下降度（降度或反梯度）、“模

8、(mode)”、拉普拉斯？（4） 氣壓場有哪些基本型式？（5）分別寫出低壓槽、高壓脊、鋒面槽、低壓、高壓和鞍形場等氣壓系統(tǒng)的梯度和拉普拉斯特征。（6）什么是流線？常見的流場形式包括哪些基本類型？（7）什么是相對均勻氣流、奇異線、間斷線、漸近線、切變線、奇異點(diǎn)、尖點(diǎn)、渦旋、流出（入）氣流、氣旋式（反氣旋式）氣流、匯、源、中性點(diǎn)？51(8)什么是速度場散度、渦度、水平輻合和輻散、渦度的水平分量和垂直分量？(9)什么是平移、拉伸形變和切變形變？(10)什么是個別變化、局地變化和平流變化？怎樣求得它們？(11)判定氣壓系統(tǒng)移動的運(yùn)動學(xué)原理是什么？(12)低壓槽、高壓脊是怎樣移動的？52(13)橢圓形低壓、高壓是怎樣移動的？(14)判