天氣學原理和方法第一章 大氣運動的基本特征

1、天 氣 學引言一、天氣學研究的對象 天氣學是研究不同尺度的天氣系統(tǒng)和天氣現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展及其變化的基本規(guī)律，并利用這些規(guī)律來預測未來天氣的科學。而利用天氣學的基本原理，提高預報的準確率，研究并發(fā)展天氣預報方法，是天氣學的最終目的。 二、天氣學的發(fā)展 單站預報方法階段 地面天氣圖階段 單站與天氣圖預報結合階段 高空天氣圖的引入與波動理論的建立階段 開展數(shù)值天氣預報的研究和應用階段 數(shù)值預報與衛(wèi)星、雷達等先進探測技術結合應用階段一、基本知識大氣分層：某地的氣壓值，等于該地單位面積上大氣柱的重量。高度愈高， 壓在其上的空氣柱愈短，氣壓也就愈低。因此，氣壓總是隨著高度的增加而降低槽、槽線脊、脊線兩種參考系

2、中的時間全導數(shù)AdtAddtAdaAdtAddtAda此關系對任何矢量均成立絕對速度和相對速度rVVVVrdtrddtrdeaa絕對速度相對速度牽連速度)(2)(rVdtVddtVdVdtddtVdaaaaa絕對加速度和相對加速度絕對加速度相對加速度地轉偏向加速度向心加速度zTwTVdtdTtTzTwyTvxTutTdtdT局地變化個別變化平流變化對流變化RVFdtVdrVdtVddtVdiiaa22)(2影響大氣運動的作用力為：真實力：氣壓梯度力、 地心引力、摩擦力虛擬力：慣性離心力、地轉偏向力氣壓梯度力：作用于單位質量氣塊上的凈壓力，由于氣壓分布不均勻而產生性質：大小與氣壓梯度成正比，與空

3、氣密度成反比，方向指向氣壓梯度方向，即由高壓指向低壓pG1氣壓梯度是由于氣壓分布不均勻而產生的，而氣壓分布不均勻反映在天氣圖上就是等壓線的分布有疏有密，這種等壓線的疏密程度表示了單位距離內氣壓差的大小，等壓線愈密集，表示氣壓梯度愈大。兩地之間存在氣壓梯度的話，氣壓梯度就會把兩地間的空氣從氣壓高的一邊推向氣壓低的一邊，于是空氣流動起來，風產生了)(20rraGMg)(222222kzwjzvizuFRC2VA 2地轉偏向力的特點：地轉偏向力 與 相垂直，在緯圈平面內地轉偏向力 與風速 垂直，只改變氣塊的運動方向，不改變其速度大小在北半球， 在水平速度的右側，在南半球 在水平速度的左側AAAAVR

4、gg2大氣運動受到動量守恒、質量守恒、能量守恒定律的控制由上節(jié)分析可得旋轉坐標系中大氣運動方程為FgVpdtVd21向量形式的運動方程展開成分量形式，可以在球坐標和局地直角坐標中進行。球坐標系中的運動方程分量形式能夠描述從近地面層附近到全球大氣環(huán)流的各種各樣的運動，它不僅含有旋轉坐標系中的各個作用力，還含有地球曲率對相對運動加速度的影響，但形式復雜。在天氣學中除個別問題外，一般采用局地直角坐標系的分量方程zyxFguzpdtdwFuypdtdvFwvxpdtducos21sin21)cossin(210zwyvxut或0)(Vt)( V質量散度：單位體積內流體的凈流出量0 凈流出 0 體積增大

5、 輻散0 體積縮小 輻合dtddtdV11當流體不可壓時：為水平散度:流體在單位時間內水平面積的相對膨脹率0dtd0 V則0zwyvxu不可壓縮流體的速度散度為零yvxuQdtdpdtdTcQpVpdtdev尺度分析: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零級簡化:只保留方程中數(shù)量級最大的各項,而其他各項都省略不計一級簡化:除保留方程中數(shù)量級最大的各項外,還保留比最大項小一個量級的各項,而將更小的項略去不計fuypfvxp1010地轉平衡關系fuypdtdvfvxpdtdu11sin2f為地轉參數(shù)gzp10即靜力方程0)(10lnzwyvxuzwzwyvxuQcyTvxTutTQ

6、cyTvxTutTpp1)(1當時間比較短并且無凝結過程的天氣時，非絕熱作用很小，則熱力學方程化為如下形式，表示在非決熱作用很小時，大尺度系統(tǒng)的局地溫度變化主要是溫度平流引起)(yTvxTutTQcwyTvxTutTpd1)(0010101yvxugzpfuypfvxp中緯度大尺度運動具有準定常準水平準地轉平衡準靜力平衡準水平無輻散特點QcwyTvxTutTzwyvxugzpfuypdtdvfvxpdtdupd1)(0)(11011一、位勢和位勢高度220 (m / ) (/)zgdzs焦耳千克位勢（重力位勢）：單位質量的物體從海平面上升到高度z克服重力所作的功9 . 8g zz019.89.

7、8zHgdz9.8/焦 耳千 克當物體在等位勢面上移動時，位能不發(fā)生變化，不需要克服重力作功，等位勢面處處與重力方向垂直，等位勢面是水平面，用位勢度量等壓面上各處距海平面的高度，在水平運動方程中不存在重力的分量，比較方便，但位勢的單位是焦耳/千克，不是高度單位，為了應用的方便，定義位勢米為位勢高度單位。當z =1m 時 定義： 1位勢米=9.8焦耳/千克，以 H 表示。則以位勢米表示的位勢高度為：pdpcQTVtTRTppyvxupyfudtdvxfvdtdu)(01大尺度系統(tǒng)的運動方程，揭示了中緯度大尺度運動中相當簡單的作用力平衡關系，說明大尺度運動具有平衡運動的特征，本節(jié)主要依據(jù)這種力的平

8、衡關系，討論地轉風、梯度風、熱成風等，并建立風場、氣壓場和溫度場之間的關系地轉風是指自由大氣中空氣的水平等速直線運動，是指無加速度、慣性離心力不起作用情況下的運動。在這種運動中，只有水平氣壓梯度力和地轉偏向力起作用。地轉風是自由大氣中水平氣壓梯度力和地轉偏向力相平衡時的空氣的水平運動。地轉風是平衡運動，它受到的合外力等于零，沒有加速度?？諝膺\動平行于等壓線，人背風而立，高壓在右，低壓在左。kpfVxpfvypfuhggg111Z坐標系的地轉關系kfVxfvyfupggg111P坐標系的地轉關系地轉風的特點：地轉關系是在無摩擦，不考慮加速度和垂直方向的地轉偏向力的情況下近似成立的地轉風與氣壓梯度

9、力成正比，與密度和地轉參數(shù)成反比（應用）地轉風與等壓線平行，在北半球，背風而立，低壓在左高壓在右，南半球，背風而立，低壓在右高壓在左（風壓定律）（應用）平時我們說水往低處流，那么空氣也應該從高壓向低壓流動了。但實際上卻是平行于等壓線流動的，這是地轉偏向力影響的結果。因為，當有了氣壓梯度之后，空氣要從高壓向低壓流，但一有運動，就會受地轉偏向力的作用，使運動方向向右偏(北半球)，隨著運動方向的改變，偏向力的方向也改變，因為偏向力的方向永遠垂直于運動方向所指的右方。10101008100610041002（hPa）氣氣壓壓梯梯度度力力風風向向地地轉轉偏偏向向力力地地轉轉偏偏向向力力：方方向向始始終終

10、與與風風向向垂垂直直只只改改變變風風向向，不不影影響響風風速速 梯度風是地轉風在一定條件下，轉化成另一種大尺度的系統(tǒng)風。當?shù)剞D風在圓形的氣壓場中時，風是做等速曲線運動。作曲線運動物體的運動軌道，都有一定長度半徑，所以風在運動時，除梯度力、偏向力作用外，還要受到慣性離心力的作用，當三個力作用平衡時，有效分力為零，風沿等壓曲線作慣性等速曲線運動，這就是梯度風。梯度風表達式fTffVnpRV102慣性離心力氣壓梯度力地轉偏向力應用地轉關系，氣旋性環(huán)流中對風速估計過高應用地轉關系，反氣旋性環(huán)流中對風速估計過低梯度風應用：大尺度系統(tǒng)，氣旋性環(huán)流與低壓相結合，低壓中心就是氣旋性環(huán)流中心；反氣旋性環(huán)流與高壓

11、相結合，高壓中心就是反氣旋性環(huán)流中心npRfRfRVTTTf4222應用：低壓中心等壓線可分析的密集些，高壓中心附近等壓線應分析的稀疏些實際中，大風區(qū)經常出現(xiàn)在低壓中心和高壓邊緣區(qū)域氣旋中心氣壓梯度和風速可無極限，而在反氣旋中則有極限，梯度風有一極大值熱成風：地轉風隨高度的改變量或鉛直方向上兩等壓面上地轉風的矢量關系，以 表示TVTkppfRVzzkfgVVVTggT100101ln)(熱成風與平均溫度線或厚度梯度平行，背風而立，低溫在左高溫在右熱成風大小與平均溫度梯度或厚度梯度成正比，與緯度成反比TkfRpVTkpfRpVyTpfRyfypzfgpuxTpfRxfxpzfgpvpgpgpgp

12、gln1)(1)1(1)(1)1(122或常用熱成風關系式熱成風與冷暖平流地轉風隨高度順轉有暖平流，地轉風隨高度逆轉有冷平流實際風與地轉風之差稱為地轉偏差 ，或偏差風VgVDD在氣壓梯度力G和地轉偏向力A平衡的條件下，風本來沿著等壓線方向等速前進（V），但摩擦力R從它背后拉一把，風速減小為VR，地轉偏向力由于風速減小也跟著減小為AR，于是氣壓梯度力便超過被削弱了的地轉偏向力而把風拉向低氣壓一側。這時候地轉偏向力為了與風向保持垂直，摩擦力為了與風向保持反向，它們都跟著風向一起向左偏轉。雖然摩擦力和地轉偏向力不在一個方向上，它們之間始終保持一個直角，但它們仍然聯(lián)合起來，共同和氣壓梯度力相抗，當它們

13、的合力（RAR）偏轉到和氣壓梯度力大小相等方向相反時，矛盾著的雙方力量對比又恢復到平衡狀態(tài)。在摩擦力的參與下達到新的平衡了。這時候風便以穩(wěn)定的速度和一定的交角，斜穿等壓線從高壓一側向低壓一側吹去自由大氣中的地轉偏差10101008100610041002（hPa）氣氣壓壓梯梯度度力力風風向向地地轉轉偏偏向向力力摩摩擦擦力力：方方向向與與風風向向相相反反減減小小風風速速摩摩擦擦力力低壓中的空氣逆時針流動，但有向內流的分量高壓中的空氣順時針流動，但有向外流的分量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dtVdkfVVDg1地轉偏差垂直于加速度的方向，并指向加速度方向的左方

14、，其大小為：22)()(11dtdvdtdufdtVdfD)(1pVsVVtVkfD+變壓風：由變高(或變壓)梯度表示的地轉偏差法向(橫向）偏差切向（縱向）偏差sVVfDn12ssRVfD221sfsRVfD221中緯度西風帶對流層中，高層以縱向、橫向輻散輻合為主，低層以變壓風輻散為主：槽前脊后：變壓風輻合縱向輻散橫向輻散槽后脊前：變壓風輻散縱向輻合橫向輻合因此高層槽前脊后輻散槽后脊前輻合 低層槽前脊后輻合槽后脊前輻散 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？6、解釋 ， ， 含義7、大尺度系統(tǒng)運動遵循什么規(guī)律？8、等位勢面與等高面哪一個是水平面？為什么？ 9、解釋由什么會引起固定點溫度變化？10、“p”坐標系優(yōu)越性表現(xiàn)在何處？dtdtV11、在北半球大尺度系統(tǒng)運動中，做逆（順）時針旋轉，為什么對應是低（高）壓中心？ 12、在北半球大尺度系統(tǒng)運動中，氣壓場有低（高）中心存在，周圍風為什么是逆（順）時針旋轉？13、正壓大氣、斜壓大氣含義是什么？熱成風為什么會發(fā)