天氣學(xué)原理-第一章

1、天氣學(xué)原理和方法天氣學(xué)原理和方法第一章第一章 大氣運(yùn)動(dòng)的基本特征大氣運(yùn)動(dòng)的基本特征 章節(jié)內(nèi)容章節(jié)內(nèi)容1 1 影響大氣運(yùn)動(dòng)的作用力影響大氣運(yùn)動(dòng)的作用力2 2 控制大氣運(yùn)動(dòng)的基本定律控制大氣運(yùn)動(dòng)的基本定律3 3 大尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方程大尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方程4 4 “P P”坐標(biāo)系中的基本方程組坐標(biāo)系中的基本方程組5 5 風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)地關(guān)系風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)地關(guān)系本章要點(diǎn)本章要點(diǎn)1. 1.氣壓梯度力、地心引力、摩擦力、慣性離心力、地轉(zhuǎn)偏向力氣壓梯度力、地心引力、摩擦力、慣性離心力、地轉(zhuǎn)偏向力的定義、表達(dá)式和意義的定義、表達(dá)式和意義 2. 2.大尺度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程的簡(jiǎn)化方程式（一級(jí)、大尺度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程

2、的簡(jiǎn)化方程式（一級(jí)、零級(jí)零級(jí) z z系、系、p p系）系） 3. 3.關(guān)于靜力學(xué)方程，連續(xù)方程，熱力學(xué)方程的方程式關(guān)于靜力學(xué)方程，連續(xù)方程，熱力學(xué)方程的方程式 和意義；速度散度的表達(dá)式和意義和意義；速度散度的表達(dá)式和意義 4. 4.大氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的分類(lèi)與尺度大氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的分類(lèi)與尺度 5. 5.地轉(zhuǎn)風(fēng)地轉(zhuǎn)風(fēng)、梯度風(fēng)、梯度風(fēng)、熱成風(fēng)熱成風(fēng)的定義、表達(dá)式、意義的定義、表達(dá)式、意義 6. 6.熱成風(fēng)與冷暖平流的關(guān)系熱成風(fēng)與冷暖平流的關(guān)系 7. 7.中緯度系統(tǒng)的溫壓場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)中緯度系統(tǒng)的溫壓場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 8. 8.地轉(zhuǎn)偏差的定義地轉(zhuǎn)偏差的定義 9. 9.摩擦層中、自由大氣中的地轉(zhuǎn)偏差的概念、表達(dá)式和意義摩擦

3、層中、自由大氣中的地轉(zhuǎn)偏差的概念、表達(dá)式和意義4 4知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)第第1 1節(jié)節(jié) 影響大氣運(yùn)動(dòng)的作用力影響大氣運(yùn)動(dòng)的作用力作用于大氣真實(shí)的力（基本力或牛頓力）：作用于大氣真實(shí)的力（基本力或牛頓力）：氣壓梯度力氣壓梯度力地心引力地心引力摩擦力摩擦力考慮到地球自轉(zhuǎn)的視示力（外觀力）：考慮到地球自轉(zhuǎn)的視示力（外觀力）：慣性離心力慣性離心力地轉(zhuǎn)偏向力（科里奧利力）地轉(zhuǎn)偏向力（科里奧利力）重力（地心引力和慣性離心力的合力）重力（地心引力和慣性離心力的合力）5 5一一 . .氣壓梯度力氣壓梯度力 作用于單位質(zhì)量氣塊上的的凈壓力稱為作用于單位質(zhì)量氣塊上的的凈壓力稱為氣壓梯度力氣壓梯度力。 6 6氣壓梯度力的討

4、論：氣壓梯度力的討論：1.1.氣壓梯度力是由氣壓分布不均勻引起的。氣壓梯度力是由氣壓分布不均勻引起的。 2.2.氣壓梯度力的方向指向氣壓梯度力的方向指向 的方向，即由高的方向，即由高壓指向低壓，垂直于等壓線。壓指向低壓，垂直于等壓線。3.3.氣壓梯度力的大小與氣壓梯度成正比，與空氣壓梯度力的大小與氣壓梯度成正比，與空氣密度成反比，即等壓線越密集，氣壓梯度氣密度成反比，即等壓線越密集，氣壓梯度越大。越大。 在同樣的氣壓梯度下，高處的風(fēng)就比在同樣的氣壓梯度下，高處的風(fēng)就比低處的風(fēng)大，因?yàn)楦呖盏拿芏刃?。低處的風(fēng)大，因?yàn)楦呖盏拿芏刃　?. 4. 水平氣壓梯度力水平氣壓梯度力 比垂直氣壓梯度力小很多。比

5、垂直氣壓梯度力小很多。 kzPjyPixPPz y xz y x PG 117 7補(bǔ)充：氣壓梯度指單位距離間的氣壓差。補(bǔ)充：氣壓梯度指單位距離間的氣壓差。 水平方向水平方向: 100 km : 100 km 相差相差1hPa1hPa 垂直方向垂直方向: 8-10 m : 8-10 m 相差相差1hPa1hPa 1000hPa850hPa 1000hPa850hPa 平均相差平均相差1500m1500m 但由于向上的氣壓梯度力與向下的重力達(dá)到但由于向上的氣壓梯度力與向下的重力達(dá)到準(zhǔn)靜準(zhǔn)靜力平衡力平衡，所以雖然垂直方向上的氣壓梯度力大，但，所以雖然垂直方向上的氣壓梯度力大，但運(yùn)動(dòng)不明顯。運(yùn)動(dòng)不明顯

6、。而水平方向上力雖小但運(yùn)動(dòng)明顯，故大氣基本而水平方向上力雖小但運(yùn)動(dòng)明顯，故大氣基本上是準(zhǔn)水平運(yùn)動(dòng)。上是準(zhǔn)水平運(yùn)動(dòng)。8 8萬(wàn)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，G為引力常數(shù)，r的方向由M指向m) 二、地心引力9 9因?yàn)?： 所以 ： 海平面的地心引力（常數(shù)） 1010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)）三、三、 摩擦力摩擦力1111摩擦力的簡(jiǎn)化形式： 四、慣性離心力四、慣性離心力 向心力向心加速度 慣性離心力 1313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

7、轉(zhuǎn)角速度=2/24小時(shí)=7.2910-5 /秒 . 4. 地表上每個(gè)靜止物體均受到慣性離心力的影響。 1414另：重力另：重力 地心引力與慣性離心力的合力，稱為重力。地心引力與慣性離心力的合力，稱為重力。1515討論：1、 的方向除赤道和極地外，均不指向地心。 由于地球?yàn)闄E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 1616五、地轉(zhuǎn)偏向力（科里奧利力）五、地轉(zhuǎn)偏向力（科里奧利力）空氣塊相對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系有偏向加速度偏向加速度，而引入地轉(zhuǎn)偏向力。 方向：垂直于 與 組成的平面，指向運(yùn)動(dòng)方向右側(cè) 大小： 171

8、71818令則有 1 1、運(yùn)動(dòng)的物體受地轉(zhuǎn)偏向力的作用（、運(yùn)動(dòng)的物體受地轉(zhuǎn)偏向力的作用（靜止時(shí)靜止時(shí)為為0 0）。）。 2 2、 與與 相垂直，且相垂直，且 在緯圈的平面內(nèi)。在緯圈的平面內(nèi)。 3 3、 與與 相垂直，地轉(zhuǎn)偏向力垂直于運(yùn)動(dòng)方相垂直，地轉(zhuǎn)偏向力垂直于運(yùn)動(dòng)方向，只改變空氣塊的運(yùn)動(dòng)方向，不改變其速向，只改變空氣塊的運(yùn)動(dòng)方向，不改變其速度大小。度大小。在北半球地轉(zhuǎn)偏向力指向運(yùn)動(dòng)方向在北半球地轉(zhuǎn)偏向力指向運(yùn)動(dòng)方向右側(cè)右側(cè)，南半球則相反。，南半球則相反。 4 4、水平地轉(zhuǎn)偏向力大小與風(fēng)速成正比，與緯水平地轉(zhuǎn)偏向力大小與風(fēng)速成正比，與緯度的正弦成正比度的正弦成正比。即風(fēng)速越大偏向力越大，。即風(fēng)

9、速越大偏向力越大，高緯度的偏向力大高緯度的偏向力大 ，低緯度的偏向力小。，低緯度的偏向力小。 討論： 2020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(dòng)方程為：（g為重力，即慣性離心力和地心引力的合力）2121第第2 2節(jié)節(jié) 控制大氣運(yùn)動(dòng)的基本定律控制大氣運(yùn)動(dòng)的基本定律大氣運(yùn)動(dòng)受大氣運(yùn)動(dòng)受質(zhì)量守恒，動(dòng)量守恒和能量守恒質(zhì)量守恒，動(dòng)量守恒和能量守恒等基本物理定律等基本物理定律所控制。所控制。補(bǔ)充：個(gè)別變化、局地變化2525一、靜力學(xué)方程僅討論垂直方向 靜力學(xué)方程 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2626討論: 1.氣壓氣流的三類(lèi)垂直結(jié)構(gòu) a

10、.深厚對(duì)稱系統(tǒng)底層：暖-高，冷-低 b.淺薄對(duì)稱系統(tǒng)底層：暖-低，冷-高 c.溫壓場(chǎng)不對(duì)稱系統(tǒng) 隨高度升高，高壓中心軸線向暖區(qū)傾斜 隨高度升高，低壓中心軸線向冷區(qū)傾斜27272.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2828二、連續(xù)方程 表示大氣質(zhì)量守恒的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 2929討論: 1，速度散度的意義 表示流體在單位時(shí)間內(nèi)體積的相表示流體在單位時(shí)間內(nèi)體積的相對(duì)膨脹率。對(duì)膨脹率。 稱為速度散度 ，其中 為比容 3030單位時(shí)間質(zhì)量 的變化率 單位時(shí)間體積的變化率 31312. 水

11、平速度散度和垂直速度的關(guān)系 對(duì)不可壓縮大氣有 即 則 根據(jù)公式：根據(jù)公式： 大氣的水平輻散減弱了大氣的上升運(yùn)動(dòng)大氣的水平輻散減弱了大氣的上升運(yùn)動(dòng) 大氣的水平輻合增強(qiáng)了大氣的上升運(yùn)動(dòng)大氣的水平輻合增強(qiáng)了大氣的上升運(yùn)動(dòng) 0V 3232 3. “P”坐標(biāo)系的連續(xù)方程 “P系”完整的連續(xù)方程比“z系”連續(xù)方程簡(jiǎn)單，無(wú)密度項(xiàng) 3333三、熱力學(xué)能量方程三、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 34342，大尺度系統(tǒng)的簡(jiǎn)化熱力學(xué)能量方程 一級(jí)簡(jiǎn)化: 上式表示局地（固定點(diǎn)）溫度變化是由溫度平流、穩(wěn)定度和垂直運(yùn)動(dòng)絕熱變化的乘積及非絕熱作用造成 零級(jí)簡(jiǎn)化: 上式表示大尺度系統(tǒng)中的局地（固

12、定點(diǎn)）溫度變化是由溫度平流和非絕熱作用造成3535第第3 3節(jié)節(jié) 大尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方程大尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方程一.標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程(局地直角坐標(biāo)系或旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系) 分量形式：12dVpVgFdt 12sin2cos12sin12cosxyzdupwFdtxdvpuFdtydwpugFdtz 37371.1.尺度簡(jiǎn)化尺度簡(jiǎn)化大氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的大氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的分類(lèi)分類(lèi) 水平尺度水平尺度( (水平范圍所占有的空間水平范圍所占有的空間) ) 時(shí)間尺度時(shí)間尺度 行星尺度 104 km 周 大尺度 103 km 幾天 中尺度 102 km 1天 小尺度10 km 幾小時(shí) 不同尺度對(duì)應(yīng)不同的天氣系統(tǒng)。不同尺

13、度對(duì)應(yīng)不同的天氣系統(tǒng)。2.大尺度系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方程 一級(jí)簡(jiǎn)化方程(最大項(xiàng)，次大項(xiàng)) 2sinf 1110d upfvd txd vpfud typgx 3939零級(jí)簡(jiǎn)化方程(最大項(xiàng))gzpfuypfvxp1010104040大尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的特征大尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的特征( (中高緯中高緯): ):1.準(zhǔn)水平 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 F0 第第4 4節(jié)節(jié) “P P”坐標(biāo)系中的基本方程組坐標(biāo)系中的基本方程組P坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程 z坐標(biāo)系：(x，y，z，t)來(lái)表示空間點(diǎn)的位置 p坐標(biāo)系：(x，y，p，t)來(lái)表示空間點(diǎn)的位置 等壓面圖的高度單位(位勢(shì)高度) 重力位

14、勢(shì)（位勢(shì)）單位質(zhì)量物體（空氣）由海平面上升到z高 度時(shí)，克服重力所做的功。表達(dá)式: 單位：焦耳/千克 g=const “p”坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程 一級(jí)簡(jiǎn)化: 零級(jí)簡(jiǎn)化:4444等壓面分析比等高面分析有哪些優(yōu)越性？ 實(shí)際工作中，不觀測(cè)空氣密度（）。在等壓面分析中，研究大氣運(yùn)動(dòng)不需要空氣密度。等壓面分析中計(jì)算地轉(zhuǎn)風(fēng)簡(jiǎn)單（不涉及）。另外等壓面分析中，上下兩層地轉(zhuǎn)風(fēng)可以進(jìn)行比較，僅決定于等高線的疏密確定地轉(zhuǎn)風(fēng)大小，而等高面分析上下兩層地轉(zhuǎn)風(fēng)無(wú)法比較，涉及到的變化。等壓面分析計(jì)算水平氣壓梯度力簡(jiǎn)單（不涉及）。等壓面分析水平散度簡(jiǎn)單，取決于垂直運(yùn)動(dòng)分布（不涉及）。 4545垂直速度: z系: p系 : 關(guān)系式

15、 上升運(yùn)動(dòng): w0 0 下沉運(yùn)動(dòng): w0“P”坐標(biāo)系中大氣運(yùn)動(dòng)基本方程組4747 第第5 5節(jié)節(jié) 風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的關(guān)系風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的關(guān)系4848一一 、地轉(zhuǎn)風(fēng)、地轉(zhuǎn)風(fēng)地轉(zhuǎn)平衡：對(duì)中緯度天氣尺度運(yùn)動(dòng)，在水平方向上地轉(zhuǎn)偏向力與氣壓梯度力平衡。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(dòng)。 4949“Z”坐標(biāo)系的地轉(zhuǎn)風(fēng)： 地轉(zhuǎn)風(fēng)分量形式 地轉(zhuǎn)風(fēng)矢量形式5050“P”坐標(biāo)系的地轉(zhuǎn)風(fēng)： 分量形式 矢量形式5151討論：討論：1、地轉(zhuǎn)平衡的條件：自由大氣中緯度范圍氣流呈水平（無(wú)垂直）直線（無(wú)彎曲）運(yùn)動(dòng)無(wú)摩擦2、地轉(zhuǎn)風(fēng)的方向：平行于等壓線，在北半球背風(fēng)而立高壓在右，低壓

16、在左，南半球相反。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)小，低緯風(fēng)大。風(fēng)速相同，在低緯的等高線應(yīng)比高緯的等高線分析得稀疏些。4、 地轉(zhuǎn)風(fēng)散度為零 5 5、地轉(zhuǎn)平衡只能看成是一種近似關(guān)系，絕對(duì)的地轉(zhuǎn)、地轉(zhuǎn)平衡只能看成是一種近似關(guān)系，絕對(duì)的地轉(zhuǎn)平衡并不存在。平衡并不存在。6 6、赤道水平地轉(zhuǎn)偏向力等于零，不可能建立地轉(zhuǎn)平、赤道水平地轉(zhuǎn)偏向力等于零，不可能建立地轉(zhuǎn)平衡，也不存在地轉(zhuǎn)風(fēng)。低緯地區(qū)地轉(zhuǎn)風(fēng)原理不能應(yīng)衡，也不存在地轉(zhuǎn)風(fēng)。低緯地區(qū)地轉(zhuǎn)風(fēng)原理不能應(yīng)用。用。5353二、梯度風(fēng)二、梯度風(fēng)梯度風(fēng)是氣壓梯度力，地轉(zhuǎn)偏向力，慣性離氣壓梯

17、度力，地轉(zhuǎn)偏向力，慣性離心力心力三力平衡時(shí)，空氣沿等壓線的曲線運(yùn)動(dòng)或氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力不平衡時(shí)沿彎曲等壓線的運(yùn)動(dòng)。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氣旋性環(huán)流風(fēng)速和氣壓梯度可無(wú)限增大反氣旋性環(huán)流風(fēng)速和氣壓梯度不可無(wú)限增大為什么氣旋中心為低壓，反氣旋中心為高壓？ P41-42 5555梯度風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的比較:氣旋性環(huán)流中，地轉(zhuǎn)風(fēng)速梯度風(fēng)速反氣旋性環(huán)流中，地轉(zhuǎn)風(fēng)速梯度風(fēng)速(最大梯度風(fēng)為地轉(zhuǎn)風(fēng)的2倍) 5656三三 、熱成風(fēng)、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)

18、之差。21tggVVV 12lntmPRVkTfP 5757討論：討論：1 1、熱成風(fēng)與等平均溫度線平行，背熱成風(fēng)而立，高溫、熱成風(fēng)與等平均溫度線平行，背熱成風(fēng)而立，高溫在右，低溫在左。在右，低溫在左。 2 2、熱成風(fēng)風(fēng)速大小與平均溫度梯度成正比，與緯度成、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。反比，等溫線越密集熱成風(fēng)越大。 3 3、熱成風(fēng)與冷暖平流、熱成風(fēng)與冷暖平流 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)時(shí)氣層中有冷平流 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)時(shí)氣層中有暖平流58585959中緯度系統(tǒng)的溫壓結(jié)構(gòu)（根據(jù)成風(fēng)原理）中緯度系統(tǒng)的溫壓結(jié)構(gòu)（根據(jù)成風(fēng)原理） 1）中緯度對(duì)流層中，溫度分布北冷南暖

19、 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(chǎng)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61616262四、地轉(zhuǎn)偏差 實(shí)際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的偏差稱為地轉(zhuǎn)偏差。gDVVgVVD gVVDD 63631.摩擦層中的地轉(zhuǎn)偏差 摩擦層中的實(shí)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(dòng) 1gDVVkFf 6464 討論: 地轉(zhuǎn)偏差與摩擦力垂直并指向摩擦力方向右側(cè)右側(cè)。 摩擦力的作用使實(shí)際風(fēng)速減小，風(fēng)向向低壓一側(cè)偏轉(zhuǎn)。 實(shí)際風(fēng)向與地轉(zhuǎn)風(fēng)交角： 統(tǒng)計(jì)結(jié)果 風(fēng)向偏角 陸地 3545% 3545度 海上 6