成信工天氣學(xué)原理課件01大氣運(yùn)動的基本特征

天氣學(xué)原理前言1.天氣學(xué)發(fā)展史

17世紀(jì)以前，“經(jīng)驗時期”《氣象通典》

17—19世紀(jì)初，“實驗時期”（1820）第一張?zhí)鞖鈭D 的產(chǎn)生——大氣科學(xué)成為一門獨(dú)立的學(xué)科

19世紀(jì)20年代——現(xiàn)在“理論研究時期”

2.大氣科學(xué)發(fā)展的幾個階段第一個階段：1820—1920年，分析地面天氣圖—— 簡單外推預(yù)測天氣第二個階段：1920—1940年，挪威學(xué)派V.Bjerknes “鋒面理論和氣旋波動理論”第三個階段：1940—1960年，芝加哥學(xué)派Rossby “大氣長波理論”第四個階段：1960—現(xiàn)在，產(chǎn)生多門學(xué)科來預(yù)測天氣3.天氣學(xué)研究對象和方法研究對象：研究整個地球大氣的天氣現(xiàn)象和天氣過程的 規(guī)律及其物理本質(zhì)——預(yù)測天氣研究方法：1、

天氣圖——工具 建立天氣模式，分析天氣過程的演變規(guī)律

2、定性的物理分析方法

a)天氣圖看懂

b)公式意義明確（不在于推導(dǎo)）4.課程內(nèi)容和參考書內(nèi)容：1——5章

參考書：梁必琪的《天氣學(xué)》5.要求天氣學(xué)、天氣分析、動力氣象聯(lián)系學(xué)習(xí)認(rèn)真閱讀課本每章思考題——記憶考試：思考題范圍之內(nèi)

第一章大氣運(yùn)動的基本特征

第1節(jié)影響大氣運(yùn)動的作用力一.氣壓梯度力：單位質(zhì)量動氣塊受到的大氣的凈壓力。體積：質(zhì)量：

B面所受壓力：A面所受壓力：x方向受的壓力為：同理：y方向所受凈壓力為：

z方向所受凈壓力為：總的凈壓力為：

氣壓梯度力：討論：

1.氣壓梯度力是由氣壓分布不均勻引起的。

2.氣壓梯度力的方向指向–的方向，即由高壓 指向低壓，垂直于等壓線。

3.氣壓梯度力的大小與氣壓梯度成正比，與空氣的 密度成反比，即等壓線越密集，氣壓梯度越大。 在同樣的氣壓梯度下，高出的風(fēng)就比低處的風(fēng)大， 因為高空的密度小。4.水平氣壓梯度力比垂直氣壓梯度力小很多。

水平方向:100km相差1hpa

垂直方向:8-10m

相差1hpa1000hpa~850hpa

平均相差1500m

但由于向上的氣壓梯度力與向下的重力達(dá)到準(zhǔn)靜力平衡，所以雖然垂直方向上的氣壓梯度力大，但運(yùn)動不明顯。而水平方向上力雖小但運(yùn)動明顯，故大氣基本上是準(zhǔn)水平運(yùn)動。二、地心引力

萬有引力：地球?qū)挝毁|(zhì)量空氣的引力：(地球半徑為a,質(zhì)量為M，空氣塊質(zhì)量為m，離地高度為z)

因為：即所以：

——海平面的地心引力（常數(shù)）三、慣性離心力

向心力～向心加速度慣性離心力

討論：

1.的方向垂直于地軸，指向地球外側(cè)。

2.

的大小隨緯度變化：赤道最大，極地最小。

3.地球自轉(zhuǎn)角速度Ω=2π/24小時=7.29×10-5/秒.

4.地表上每個靜止物體均受到慣性離心力的影響。

四、重力地心引力與慣性離心力的合力，稱為重力。討論：1、的方向除赤道和極地外，均不指向心。由于地球為橢圓，地球上重力垂直于當(dāng)?shù)厮矫?，向?、重力的大小隨緯度變化，極地最大，赤道最小，一般用45緯度海平面重力值=9.806m/s2

五、地轉(zhuǎn)偏向力（科力奧利力）方向：垂直于與組成的平面，指向運(yùn)動方向右側(cè)

大?。?/p>

設(shè)：局地直角坐標(biāo)系原點(diǎn)：地表某點(diǎn)

y軸：沿原點(diǎn)所在經(jīng)圈切線方向指向北

x軸：沿原點(diǎn)所在緯圈切線方向指向東

z軸；指向當(dāng)?shù)靥祉敺较虺Ｓ盟降剞D(zhuǎn)偏向力令則有

討論：

1、運(yùn)動的物體受地轉(zhuǎn)偏向力的作用（靜止時為0）。

2、與相垂直，且在緯圈的平面內(nèi)。

3、與相垂直，地轉(zhuǎn)偏向力垂直于運(yùn)動方向，只改變空氣塊的運(yùn)動方向，不改變其速度大小。在北半球地轉(zhuǎn)偏向力指向運(yùn)動方向右側(cè)，南半球則相反。

4、水平地轉(zhuǎn)偏向力大小與風(fēng)速成正比，與緯度的正弦成正比。即風(fēng)速越大偏向力越大，高緯度的偏向力大，低緯度的偏向力小。

六.摩擦力（850hpa以下考慮）

單位質(zhì)量空氣塊所受到的凈粘滯力稱摩擦力.（為摩擦系數(shù)）摩擦力的簡化形式：

綜上所述，單位質(zhì)量空氣加速度——旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的大氣運(yùn)動方程為：第2節(jié)大氣運(yùn)動方程一.標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的運(yùn)動方程(局地直角坐標(biāo)系)分量形式：1.尺度簡化大氣運(yùn)動系統(tǒng)的分類水平尺度(水平范圍所占有的空間)時間尺度行星尺度104km周大尺度103km幾天中尺度102km1天小尺度10km幾小時2.大尺度系統(tǒng)的簡化方程

一級簡化方程(最大項,次大項)

零級簡化方程(最大項)大尺度運(yùn)動系統(tǒng)的特征(中高緯): 1.準(zhǔn)水平ω→0 2.準(zhǔn)靜力平衡

3.準(zhǔn)地轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)偏向力與氣壓梯度力相平衡

4.自由大氣F→0

二、P坐標(biāo)系的運(yùn)動方程

z坐標(biāo)系：(x,y,z,t)來表示空間點(diǎn)的位置

p坐標(biāo)系：(x,y,p,t)來表示空間點(diǎn)的位置

1.等高面圖的概念

a.等高面：空間高度相同的點(diǎn)組成的面等高面為平面,面上高度處處相等,但氣壓不等

b.等壓面：氣壓相等的點(diǎn)組成的面等壓面為曲面,氣壓相等,但海拔高度不等

所以等壓面圖分析高度場——高空圖等高面圖分析氣壓場——地面圖顯示氣壓場形勢等壓面圖的優(yōu)點(diǎn)：氣壓面是個常數(shù)，公式得到簡化例如狀態(tài)方程

P、T為單值函數(shù)，可以討論兩者間的變化關(guān)系又如位溫2,等壓面圖的高度單位(位勢高度)幾何米、位勢米、位勢能mgh重力勢能(位勢)——單位質(zhì)量空氣由海平面上升到z高 度時,克服重力所做的功表達(dá)式:

單位：焦耳/千克

g=const1位勢米

因為當(dāng)z=1米Φ=9.8焦/千克所以認(rèn)為定義一位勢米就是9.8焦/千克位勢高度:g=9.8常數(shù)

等位勢面的優(yōu)點(diǎn):等位勢面不平行于等幾何面,只在海平面上重合等位勢面處處與重力方向垂直,無重力分量——相當(dāng)于是空中水平面

3,z坐標(biāo)系與p坐標(biāo)系的關(guān)系

a.關(guān)系式

垂直方向水平方向

水平氣壓梯度力的大小表示等壓面坡度的大小二層等壓面上：位勢梯度～梯度力～地轉(zhuǎn)風(fēng)相等二層等高面上：氣壓梯度梯度力地轉(zhuǎn)風(fēng)b.垂直速度:

z系:p系:

關(guān)系式

上升運(yùn)動:w>0ω<0

下沉運(yùn)動:w<0ω>04,“p”坐標(biāo)系的運(yùn)動方程一級簡化:

零級簡化:第3節(jié)靜力學(xué)方程、連續(xù)方程和熱力學(xué)能量方程

一、靜力學(xué)方程

僅討論垂直方向——靜力學(xué)方程

代入狀態(tài)方程得到

積分得到：

——壓高公式表明兩層等壓面之間的厚度與其間平均溫度成正比

即暖區(qū)：厚度大冷區(qū)：厚度小

討論:

1.氣壓氣流的三類垂直結(jié)構(gòu)

a.深厚對稱系統(tǒng)

b.淺薄對稱系統(tǒng)

c.溫壓場不對稱系統(tǒng)

隨高度升高,高壓中心軸線想暖區(qū)傾斜隨高度升高,低壓中心軸線向冷區(qū)傾斜2. 暖平流有利于高層高壓或低層低壓發(fā)展 冷平流有利于低層高壓或高層低壓發(fā)展3.極地和赤道的天氣系統(tǒng)

極地：低層冷高壓,高層冷低壓 赤道：低層暖低壓,高層暖高壓二、連續(xù)方程

A面：B面：同理:x方向上的靜流入量

y方向上的靜流入量

z方向上的靜流入量

而總凈流入量為三者之和它應(yīng)該等于總質(zhì)量隨時間的變化

即

——連續(xù)方程也可寫為

——連續(xù)方程討論:1,速度散度的意義稱為速度散度

，其中為比容單位時間質(zhì)量的變化率

單位時間體積的變化率

2,水平速度散度和垂直速度的關(guān)系

對不可壓縮大氣有即

則

空氣輻散

空氣輻合

即大氣的水平輻散減弱了大氣的上升運(yùn)動

即大氣的水平輻合增強(qiáng)了大氣的上升運(yùn)動

3,“P”坐標(biāo)系的連續(xù)方程

由z坐標(biāo)系連續(xù)方程代入靜力學(xué)方程及坐標(biāo)變換可得

“P系”完整的連續(xù)方程比“z系”連續(xù)方程簡單，無密度項

三、熱力學(xué)能量方程

1,熱力學(xué)能量方程普遍形式

——單位質(zhì)量加熱率

2,大尺度系統(tǒng)的簡化熱力學(xué)能量方程一級簡化:

其中

零級簡化:

3,“P系”的熱力學(xué)能量方程

其中

第4節(jié)風(fēng)場和氣壓場的關(guān)系一、地轉(zhuǎn)風(fēng)

地轉(zhuǎn)風(fēng)是水平地轉(zhuǎn)偏向力和水平地轉(zhuǎn)梯度力平衡條件下，空氣沿著平行等壓線的水平直線運(yùn)動。由Z坐標(biāo)系下的零級簡化水平運(yùn)動方程：得：

——地轉(zhuǎn)風(fēng)分量形式

——地轉(zhuǎn)風(fēng)矢量形式“P”坐標(biāo)系的地轉(zhuǎn)風(fēng)：

——分量形式

——矢量形式討論：1、地轉(zhuǎn)風(fēng)條件：自由大氣；中高緯度范圍；準(zhǔn)水平大尺度運(yùn)動；水平直線運(yùn)動2、地轉(zhuǎn)風(fēng)的方向：平行于等壓線，在北半球背風(fēng)而立左低右高3、地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速大小與水平氣壓梯度成正比，等壓線越密集，地轉(zhuǎn)風(fēng)越大；與緯度成反比，相同的水平氣壓梯度力，高緯風(fēng)大，低緯風(fēng)小4、地轉(zhuǎn)風(fēng)散度為零二、梯度風(fēng)

1.自然坐標(biāo)系（曲線坐標(biāo)）S軸：指向空氣運(yùn)動方向

N軸：垂直于S軸，指向空氣運(yùn)動左側(cè)規(guī)定：S軸上單位向量為

n軸上單位向量為說明：

①S軸上有速度的分量（恒正)

n軸上無速度的分量

②S軸上的加速度——切向加速度

n軸上的加速度——法向加速度（向心加速度）

其中R為曲率半徑（1/R為曲率）并規(guī)定:氣旋的曲率半徑（逆時針）R>0

反氣旋的曲率半徑（順時針）R<0③S軸上的氣壓梯度力

n軸上的氣壓梯度力④S軸上的偏向力為0n軸上的偏向力恒為，在n軸的負(fù)方向⑤自然坐標(biāo)系中，一級簡化水平運(yùn)動方程

2，梯度風(fēng)梯度風(fēng)是氣壓梯度力，地轉(zhuǎn)偏向力，慣性離心力三力平衡時，空氣沿等壓線的曲線運(yùn)動或氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力不平衡時沿彎曲等壓線的運(yùn)動

等壓線與流線重合：

——梯度風(fēng)方程討論：1.氣旋與反氣旋環(huán)流

a).空氣體氣旋式運(yùn)動

n軸負(fù)方向

n軸負(fù)方向

n軸正方向中心為低壓,氣旋式環(huán)流的中心必然是低壓環(huán)流的中心b).空氣體反氣旋式運(yùn)動

n軸正方向

n軸負(fù)方向

c).天氣圖應(yīng)用 高壓中心位置標(biāo)注在反氣旋環(huán)流中心 低壓中心位置標(biāo)注在氣旋環(huán)流中心

2.梯度風(fēng)速——梯度風(fēng)速a).氣旋性環(huán)流——風(fēng)速和氣壓梯度可無限增大根號前取正號,合理根號前取負(fù)號,不合理b).反氣旋性環(huán)流——風(fēng)速和氣壓梯度不可無限增大根號前取負(fù)號根號前取正號由于根號內(nèi)必為正，得出風(fēng)速極大值

c).天氣圖應(yīng)用

低壓：越向中心，風(fēng)越大，氣旋中心等壓線密集高壓：越向邊緣，風(fēng)越大，高壓中心等壓線稀疏3、梯度風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的比較

梯度風(fēng)：地轉(zhuǎn)風(fēng)：

兩式聯(lián)立得到：

討論：⑴氣旋式運(yùn)動，梯度風(fēng)速小于地轉(zhuǎn)風(fēng)速

⑵反氣旋式運(yùn)動，梯度風(fēng)速>地轉(zhuǎn)風(fēng)速

⑶氣壓梯度相同，反氣旋的梯度風(fēng)>氣旋的梯度風(fēng)高空的槽前脊后——空氣輻散區(qū)——低層輻合上升

陰雨

高空的槽后脊前——空氣輻合區(qū)——底層輻散下沉

晴天天氣圖上：三、熱成風(fēng)地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的改變量稱熱成風(fēng)，即上下兩層地轉(zhuǎn)風(fēng)之差由“P”坐標(biāo)系的地轉(zhuǎn)風(fēng)方程

得到熱成風(fēng)方程分量形式：得：——熱成風(fēng)的另一表達(dá)式分量形式：

代入靜力學(xué)方程差分形式：討論：

1、熱成風(fēng)與等平均溫度線平行，背熱成風(fēng)而立，低溫在左，高溫在右。

2、熱成風(fēng)風(fēng)速大小與平均溫度梯度成正比，與緯度成反比，等溫線越密集熱成風(fēng)越大。3、熱成風(fēng)與冷暖平流

自上而下地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)時——?dú)鈱又杏欣淦搅?/p>

自上而下地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)時——?dú)鈱又杏信搅餮a(bǔ)充：天氣圖上判斷冷暖平流

24小時變溫：冷平流暖平流

水平溫度平流等高線與等溫線有交角處，有溫度平流等高線與等溫線平行處，無溫度平流

4、中緯度系統(tǒng)的溫壓結(jié)構(gòu)

1）中緯度對流層中，溫度分布南暖北冷所以高層為西風(fēng)氣流，且高度越高，西風(fēng)越大

2）地面閉合高壓和低壓系統(tǒng)在高空轉(zhuǎn)變?yōu)槲黠L(fēng)氣流 的波狀槽脊。3）中緯度系統(tǒng)的溫壓場結(jié)構(gòu)的基本特征。地面低壓中心位于高空槽前脊后地面高壓中心位于高空槽后脊前高空溫度槽脊落后于氣壓槽脊四、地轉(zhuǎn)偏差實際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的偏差稱為地轉(zhuǎn)偏差。1.摩擦層中的地轉(zhuǎn)偏差摩擦層中的實際風(fēng)是：氣壓梯度力，地轉(zhuǎn)偏向力和摩擦力三力平衡的空氣運(yùn)動

即代入地轉(zhuǎn)風(fēng)方程：得到

討論:①地轉(zhuǎn)偏差與摩擦力垂直并指向摩擦力右側(cè)

②摩擦力的作用使實際風(fēng)速減小，風(fēng)向向低壓一側(cè)偏轉(zhuǎn)。

統(tǒng)計結(jié)果風(fēng)向偏角陸地35—45%35—45度海上60—70%15—20度

③在北半球的摩擦層中，低壓氣流成氣旋式輻合（上升運(yùn)動，云雨天氣），高壓氣流呈反氣旋式輻散（下沉運(yùn)動，晴天）。

2.自由大氣中的地轉(zhuǎn)偏差氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力不平衡，必然產(chǎn)生