天氣學第一章

天氣學第一章第一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日內容簡介：本課程根據天氣學和動力學原理相結合的原則，以中國天氣過程和天氣系統(tǒng)為主要對象，將天氣動力學基本原理、天氣分析和預報方法、中國天氣過程三方面的內容有機地進行結合，內容全面，物理概念清晰，深入淺出，循序漸進，是適用于高等院校氣象專業(yè)及相關專業(yè)的大學本科通用。第二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日主要參考書1.天氣學，南京大學出版社，1988，林元弼2.中國之暴雨，科學出版社，1980，陶詩言3.中國主要天氣過程的分析，氣象出版社，1997，壽紹文第三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第一章大氣運動的基本特征第二章氣團與鋒第三章氣旋與反氣旋第四章大氣環(huán)流第五章天氣形勢及天氣預報第六章寒潮天氣過程第七章大型降水天氣過程第八章對流天氣過程第九章低緯天氣過程第十章東亞季風環(huán)流第十一章天氣診斷分析第四頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第一章大氣運動的基本特征地球大氣的各種天氣現象和天氣變化都與大氣運動有關。大氣運動受質量守恒、動量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。對氣象上有意義的是：將這些物理定律應用于相對于自轉地球的大氣運動。第五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日坐標系空間固定（絕對、慣性）坐標系旋轉（相對、移動、非慣性、局地直角）坐標系Z坐標系，P坐標系，球坐標系第六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日§1.1影響大氣運動的作用力牛頓第二運動學定律：

力真實力(基本力,牛頓力，在空間固定、絕對坐標系中):

氣壓梯度力、地心引力、摩擦力

非真實力（視示力、外觀力，在旋轉坐標系中）：

慣性離心力、地轉偏向力第七頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日

一、基本作用力（真實力）1.氣壓梯度力

第八頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第九頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第十頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日氣壓梯度力當氣壓分布不均勻時，單位質量氣塊上受到的凈壓力稱為氣壓梯度力第十一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日

pδyδz-(p+?p/?x?δx)δyδz

=-?p/?xδxδyδz

x方向第十二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日

沿Y方向

pδxδz-(p+?p/?yδy)δxδz

=-?p/?yδxδyδz

沿Z方向pδxδy-(p+?p/?z?δz)δxδy

=-?p/?zδxδyδz第十三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日pδyδz-(p+?p/?x?δx)δyδz

=-?p/?xδxδyδz

pδxδz-(p+?p/?yδy)δxδz

=-?p/?yδxδyδzpδxδy-(p+?p/?z?δz)δxδy

=-?p/?zδxδyδz第十四頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日pδyδz-(p+?p/?x?δx)=-?p/?x?δxδyδz

pδxδz-(p+?p/?y?δy)=-?p/?y?δxδyδz

pδxδy-(p+?p/?z?δz)=-?p/?z?δxδyδz

第十五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日●

-▽p為氣壓梯度，由氣壓分布不均勻造成●G的大小與ρ成反比，與▽p的大小成正比●G的方向與與▽p的方向相反,即G由高壓指向低壓單位質量空氣的氣壓梯度力第十六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日2.地心引力第十七頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日地球對大氣的引力大?。悍较颍褐赶虻匦牡谑隧摚惨话偃豁?，2022年，8月28日3.摩擦力

-----單位質量空氣所受到的凈粘滯力

粘滯力是由分子不規(guī)則運動引起的動量交換（傳遞）第十九頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第二十頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日

粘滯力與風速垂直切變成正比單位面積粘滯力（切應力，雷諾應力）第二十一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日單位質量空氣凈粘滯力（X分量）凈第二十二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日單位質量空氣凈粘滯力（Y分量）第二十三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日單位質量空氣凈粘滯力（Z分量）第二十四頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日總摩擦力為：第二十五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日摩擦力是由風隨高度的非線性變化引起近似地有第二十六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日●摩擦力與風垂直切變的垂直變化成正比●風垂直切變的垂直變化為正時，摩擦力指向正向，摩擦力使氣塊在正向加速●風垂直切變的垂直變化為負時，摩擦力指向負向，摩擦力使氣塊在負向加速●大氣為低粘性流體，一般只在行星邊界層（摩擦層）考慮摩擦作用，自由大氣中則忽略摩擦作用第二十七頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日二、視示力由旋轉坐標系的加速作用而假想的力（慣性離心力、地轉偏向力）第二十八頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日1.慣性離心力在旋轉坐標系中引入的,與向心力相平衡(大小相等,方向相反)的力,稱為慣性離心力。它不是一種真實力,而是由于站在非慣性坐標系中觀察運動,而又企圖用牛頓第二定律解釋它的結果第二十九頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第三十頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日C=Ω2R向心力與慣性離心力第三十一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日慣性離心力C=Ω2RΩ=2p/24小時=7.29×10-5秒-1●慣性離心力大小與Ω平方成正比,與緯圈半徑成正比,方向由地軸指向外.第三十二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日2.地轉偏向力(科氏力）為了解釋用旋轉坐標系作為參考系觀察空氣運動時所呈現的相對于旋轉坐標系的偏向加速度而引進的一種視示力稱為地轉偏向力第三十三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第三十四頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第三十五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第三十六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第三十七頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第三十八頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第三十九頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日討論：地轉偏向力的大?。渴裁词撬降剞D偏向力？地轉偏向力（大小方向）與速度矢量的關系？地轉偏向力與角速度矢量的關系？南北半球地轉偏向力方向為何不同？第四十頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日地轉偏向力的大?。旱剞D偏向力(A)的大小與相對速度|V|成正比（因角速度為常數）第四十一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日水平地轉偏向力大氣中Az較小，垂直速度一般也較小，氣塊主要受Ax（2Ωvsinφ)、Ay(-2Ωusinφ)

（水平地轉偏向力）影響，第四十二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日地轉偏向力（大小方向）與速度矢量的關系：當|V|=0時，A=0，只有在做相對運動時，A才存在。A與V垂直，只能改變氣塊的運動方向，不能改變其大小。在不考慮w和Az的情況下，在北半球地轉偏向力時運動方向右偏，在南半球地轉偏向力時運動方向左偏。第四十三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日地轉偏向力與角速度矢量的關系？地轉偏向力與角速度矢量垂直，角速度矢量與赤道平面垂直，所以，地轉偏向力在赤道平面內。第四十四頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日向西的地轉偏向力角速度風向第四十五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日風空氣的水平運動稱為風，它是一個矢量風向：風的來向U表示東西方向的風，U>0為西風，U<0為東風V表示南北方向的風，V>0為南風，V<0為北風W表示垂直方向的風，W>0表示上升運動，W<0表示下沉運動第四十六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日3.重力第四十七頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日因地球為橢球體，重力與地面垂直，無指向赤道的分量重力在赤道最小，極地最大緯度45度海平面的重力加速度為g=9.806m/s2第四十八頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日1、站在轉動的地球上觀測單位質量空氣所受到力有哪些？各作用力定義、表達式及意義如何？2、地轉偏向力與水平地轉偏向力有何相同與不同？3、柯氏力是怎樣產生的，與速度的關系如何，南北半球有何區(qū)別4、慣性離心力是如何產生的，如無地球自轉，此力存在否？5、重力方向如何？與等高面是否垂直？海平面上重力如何？第四十九頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日§1.2控制大氣運動的基本定律動量守恒質量守恒能量守恒第五十頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日一、全導數與局地導數的關系個別變化局地變化平流變化第五十一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日二、旋轉坐標系中的大氣運動方程第五十二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第五十三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日局地直角坐標系中的大氣運動控制方程運動方程：第五十四頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日三、連續(xù)方程連續(xù)方程由質量守恒定律推出：第五十五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日δxδyδzδt時間內流入的質量：ρuδtδyδzδt時間內流出的質量：ρuδtδyδz+?ρu/?xδxδyδzδt第五十六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日凈流入量=流入量-流出量之差：X方向的凈流入量：第五十七頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日同理可得：Y方向：第五十八頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日Z方向：第五十九頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日整個立方體的凈流入量：：第六十頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日小立方體的質量為ρδxδyδz，在δt時間內質量的變化為：（1）=（2）第六十一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日由（1.34）可推出：第六十二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日流體為不可壓縮時，即密度不變：第六十三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日流體為不可壓縮時，連續(xù)方程變?yōu)椋旱诹捻?，共一百三十一頁?022年，8月28日四、狀態(tài)方程P=ρRT第六十五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日五、熱力學能量方程：熱力學第一定律：系統(tǒng)的內能變化等于加入系統(tǒng)的熱量于系統(tǒng)對環(huán)境作功之差。壓力對單位質量空氣的作功率；此式代表了熱能和機械能之間的轉換，反映了大氣動力過程與熱力過程的相互聯系。正是這種相互聯系和轉換過程使得太陽能可以驅動大氣運動。第六十六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日§1.3大尺度運動系統(tǒng)的控制方程

一、尺度分析和大氣運動系統(tǒng)的分類1.尺度分析定義：尺度分析是針對某種類型的運動估計基本方程各項量級的一種簡便方法。

本章尺度分析的目的：對基本方程進行簡化，從而得到大尺度系統(tǒng)的控制方程簡化要領：保留大項，略去小項第六十七頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日2.尺度分析的步驟（1）確定方程中各場變量的特征值特征值或特征尺度：表示特定類型的運動（如大尺度運動或中小尺度運動）的空間范圍和時間區(qū)間的物理量或其他特性的一種尺度。（2）用特征值比較方程中各項的大小例：第六十八頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日3.大氣運動系統(tǒng)的分類行星尺度大尺度（天氣尺度）中尺度對流或小尺度104km103km102km10km第六十九頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第七十頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日4.大尺度系統(tǒng)的各場變量的特征尺度V～10m/s(u,v)t～L/V～105s-1

W～10-2m/s2Ωsinφ0=2Ωcosφ0

=f0=10-4s-1

L～106mν～10-5m2s-1(粘滯系數)H～104mg～10ms-2T～102KδhT～10KΔp/ρ～103m2s-2

γd

-γ～3×10-3Km-1R=2.87×102m2/(s2K)δp/p～10-2Cp=1004m2s-2K-1R/Cp～0.29Δhρ=10-2103gm-3ρ～103gm-31hPa=102103gm-1s-2第七十一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日二、基本方程的簡化方法1.零級簡化方程零級簡化：保留方程中數量級最大的各項，而其他項都略去不計。2.一級簡化方程一級簡化：除保留方程中數量級最大的各項外，還保留比最大項小一個量的各項。第七十二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日水平運動方程的尺度分析X分量2第七十三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日零級簡化方程：第七十四頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日三、大尺度系統(tǒng)運動方程由表1.4～1.7得來第七十五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日§1.4P坐標系中的基本方程組一、位勢和位勢高度二、P和Z坐標轉換關系三、P坐標系的連續(xù)方程四、P坐標系的運動方程五、P坐標系的的熱力學能量方程六、P坐標系中的大氣運動基本方程組第七十六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日一.位勢、位勢米、位勢高度位勢（重力位勢，geopotential):單位質量空氣從海平面上升到高度Z克服重力作的功00Z第七十七頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日當Z=1米時，f=9.8焦耳/千克，定義：1位勢米=9.8焦耳/千克，并定義為位勢高度第七十八頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日極地赤道等位勢面等高面重力小重力大第七十九頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第八十頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日

(x,y,z,t)(x,y,p,t)xyZ,-PP=rRT,r=P/RT第八十一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日二.P坐標系與Z坐標系的轉換關系

Z坐標系（x,y,z,t)P坐標系（x,y,p,t)P=rRT,r=P/RT第八十二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日W=dz/dtω=dp/dt第八十三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日XZ,-ppP+dpABCdxdz,dpF第八十四頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第八十五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日設F=Z,并利用靜力平衡方程dp=-rgdz代入（1.59）-(1/r)(?p/?x)z=g(?z/?x)p=(?

f/?x)p第八十六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第八十七頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第八十八頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日§1.5風場和氣壓場的關系一.地轉風二.梯度風三.熱成風四.偏差風第八十九頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日-（1/ρ）?

P/?

y-2Ωusinφ=0-（1/ρ）?P/?

x+2Ωvsinφ=0零級近似一.地轉風第九十頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日-（1/ρ）?P/?

y-fu=0-（1/ρ）?

P/?

x+fv=0f=2Ωsinφfu=-(1/ρ)?P/?y,u=-(1/fρ)

?P/?yfv=(1/ρ)?P/?x,v=(1/fρ)?P/?x-（1/ρ）?P/?

x+2Ωvsinφ=0-（1/ρ）?P/?

y-2Ωusinφ=0第九十一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日Vg高壓低壓A-(1/r)▽p第九十二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第九十三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第九十四頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日討論：地轉風性質(1)地轉風是在不考慮摩擦力、加速度以及垂直速度的條件下，水平方向上氣壓梯度力與地轉偏向力相平衡(地轉平衡)時的大氣運動(即自由大氣水平勻速直線運動)

地轉風是對中緯度自由大氣中大尺度系統(tǒng)中水平氣流的一種近似（一般兩者相差30%以下）(2)地轉風的大小與水平氣壓梯度力大小成正比,即與水平氣壓(位勢)梯度大小成正比例：等壓面圖上氣壓梯度力與等高線和風速的關系第九十五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日討論：地轉風性質(3)地轉風的大小與地轉參數f的大小成反比,即與緯度高低成反比在赤道上=0地轉平衡不成立。無科氏力存在。(4)地轉風的水平散度=0(5)地轉風方向與等壓(高)線相平行,在北半球,背風而立高壓在右,低壓在左;南半球相反,背風而立高壓在左,低壓在右.第九十六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第九十七頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日二.熱成風熱成風的概念熱成風與冷暖平流中緯度系統(tǒng)的溫壓場結構正壓大氣與斜壓大氣第九十八頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日1.熱成風的概念地轉風隨高度的變化叫做熱成風XY-PVg1Vg0P1,Z1P0,Z0第九十九頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日冷暖XZ第一百頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日2.熱成風與冷暖平流風隨高度順時針變化-----暖平流風隨高度逆時針變化-----冷平流暖冷暖Vg下Vg上冷Vg下Vg上第一百零一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第一百零二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日3中緯度系統(tǒng)的溫壓場結構第一百零三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第一百零四頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日3.正壓大氣與斜壓大氣正壓大氣密度僅為氣壓的函數等壓面即等密度面或等溫面,等壓面上溫度梯度為零ρ=ρ（p）地轉風不隨高度變化斜壓大氣密度是氣壓和溫度的函數ρ=ρ（p，T）等壓面與等密度面或等溫面相交,等壓面上溫度梯度不為零地轉風隨高度變化,有熱成風第一百零五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日三.梯度風

在水平運動方程中，除考慮氣壓梯度力和水平地轉偏向力外，并考慮向心加速度（或慣性離心力）時的大氣運動為梯度風

1.自然坐標第一百零六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日sn自然坐標第一百零七頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第一百零八頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第一百零九頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日--dqdqdtdsRTtt+dtdq=ds/RT=dtdt/ds=n/RT由弧長=半徑×角度得來-切向加速度,法向加速度第一百一十頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日-第一百一十一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日DGD×√√大尺度系統(tǒng)第一百一十二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日小尺度系統(tǒng)DG第一百一十三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日四.偏差風

1.地轉偏差第一百一十四頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日2.摩擦層中的地轉偏差摩擦力加速度第一百一十五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日低高FAGVVgD地轉偏差指向摩擦力方向右側北半球,摩擦層中,風向偏向低壓第一百一十六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日北半球,摩擦層中,風向偏向低壓

低高第一百一十七頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日3.自由大氣中的地轉偏差

加速度引起的地轉偏差D第一百一十八頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日自由大氣中的地轉偏差：當氣壓梯度力和地轉偏向力不平衡時，產生加速度地轉偏差垂直于加速度的方向，并指向加速度方向的左方(圖1.35)，其大小為：第一百一十九頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日變壓風：由變高(或變壓)梯度表示的地轉偏差自然坐標系下的地轉偏差第一百二十頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日（1）變壓風-2-10D1aD1與變壓(高)梯度大小成正比,與變壓(高)梯度的方向一致第一百二十一頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日變壓風---

+第一百二十二頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日2.法向(橫向）偏差切向（縱向）偏差第一百二十三頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日法向偏差高壓低壓VVgDa沿流線方向風速分布不均勻時會產生法向的地轉偏差第一百二十四頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日第一百二十五頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日槽前后地轉偏差的分布第一百二十六頁，共一百三十一頁，2022年，8月28日中