動力氣象學(xué)第 章

1、動力氣象學(xué)第 章第1頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一第一章、緒論動力氣象學(xué)（課程）研究對象，任務(wù)和方法 動力氣象學(xué)發(fā)展簡介 第2頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一一、對象、任務(wù)和方法1、研究對象尺度范圍很廣 如大氣動力學(xué)涉及以下幾種空間尺度的系統(tǒng)大尺度： 106m 中尺度：105 m 小尺度： 104m 氣旋反氣旋 暴雨系統(tǒng) 風(fēng)暴、龍卷 本課程研究的對象： 大尺度大氣中發(fā)生的天氣過程 在日常天氣圖上可見；影響日常天氣第3頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一兩個重要特點(diǎn)：地球半徑6000km 與大尺度系統(tǒng)尺度近似地球的自轉(zhuǎn)重要 旋

2、轉(zhuǎn)流體力學(xué) 在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下考慮流體運(yùn)動，與一般流體運(yùn)動差別很大氣象系統(tǒng)的垂直厚度104m 很扁平的一層 是準(zhǔn)水平 大尺度大氣運(yùn)動第4頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一 “準(zhǔn)”的含義水平運(yùn)動： 垂直速度為零。準(zhǔn)水平運(yùn)動：主要是水平運(yùn)動，但垂直運(yùn)動也很重要（降水的形成）。地轉(zhuǎn)運(yùn)動：科氏力與氣壓梯度力相等，加速度等于零。準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動：科氏力與氣壓梯度力近似相等，加速度不等于零，系統(tǒng)能發(fā)展。第5頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一動力氣象學(xué)（課程）的研究對象: 考慮地球自轉(zhuǎn)的、準(zhǔn)水平運(yùn)動大尺度大氣動力過程。 大尺度系統(tǒng)，又稱天氣尺度系統(tǒng)、天氣系統(tǒng)。第6頁，共23

3、頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一2.任務(wù)：動力氣象學(xué)與天氣學(xué)不同之處在于： 天氣學(xué)：從觀測資料出發(fā)，經(jīng)驗(yàn)性的，總結(jié)天氣過程的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，（主觀）推斷可能機(jī)理 動力學(xué)：從物理定律出發(fā)，從理論上，揭示天氣過程的發(fā)生發(fā)展規(guī)律和機(jī)理 第7頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一本校大氣科學(xué)專業(yè)教學(xué)特色：理論聯(lián)系實(shí)際：天氣學(xué)與動力氣象學(xué)相互滲透交叉天氣動力學(xué)第8頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一3.方法 物理基礎(chǔ)：力學(xué)、熱力學(xué)；（不去研究聲、光、電、降水的微物理過程）數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：微積分（微分方程），矢量分析，場論（歐拉觀點(diǎn)），計算數(shù)學(xué)。步驟：氣象問題

4、物理模型 數(shù)學(xué)模型 求解 解釋原問題 側(cè)重在首尾兩步第9頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一二、發(fā)展簡介氣象學(xué)是一門“古老（現(xiàn)代）”學(xué)科：人們一直試圖去解釋天氣、預(yù)測天氣大氣是作為一個物理系統(tǒng)：近代動力氣象學(xué)發(fā)展的推動力：1、各種觀測儀器的發(fā)明，通過觀測大氣，對觀測現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。2、物理學(xué)、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。第10頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一 (1)19世紀(jì)20年代20世紀(jì)20年代 19世紀(jì)20年代之后，開始有了近代氣象學(xué)1820年Brandes繪制了第一張?zhí)鞖鈭D，用外推法預(yù)測高低壓的移動 形成了地面天氣圖，開創(chuàng)近代天氣分析和天氣預(yù)報方法。第1

5、1頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一（2）20世紀(jì)30年代 1904年建立了旋轉(zhuǎn)大氣運(yùn)動方程組。 歐洲學(xué)術(shù)發(fā)展興盛：卑爾根學(xué)派（皮葉克尼斯1920年鋒面學(xué)說）第12頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一（3）20世紀(jì)60年代 動力氣象迅速發(fā)展的時期 背景：二戰(zhàn)爆發(fā)前后，建立了高空觀測網(wǎng)，氣象要素發(fā)展為三維系統(tǒng)（時間四維） 高空500hPa圖的最主要特點(diǎn)：波動（時間上，空間上） 美國學(xué)術(shù)發(fā)展興盛：芝加哥大學(xué)Rossby動力氣象學(xué)之鼻祖 1939年，他提出了長波學(xué)說，稱此波為大氣長波或Rossby波。 氣象中最主要的理論：波動理論第13頁，共23頁，2022

6、年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一這一時期的主要理論成果： 準(zhǔn)地轉(zhuǎn)和地轉(zhuǎn)適應(yīng)理論（Rossby，1938） 行星波的能量頻散理論（Rossby，葉篤正，1949） 行星波的斜壓不穩(wěn)定（恰尼，1947；伊臺，1949）熱力機(jī)制 行星波的正壓不穩(wěn)定（郭曉嵐，1949）動力機(jī)制 大氣運(yùn)動的尺度分析（恰尼，1949） 數(shù)值預(yù)報理論（恰尼等，1950，芝加哥大學(xué)） 成功地進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報，把前面的理論基礎(chǔ)歸結(jié)為一個簡單的預(yù)報方程。第14頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一（4）至今 1.熱帶大氣動力學(xué) 熱帶的水汽，對流，潛熱釋放等影響全球；非常重要；ENSO現(xiàn)象熱帶觀測儀器有：衛(wèi)星，國

7、際上的專門試驗(yàn) 第二類條件不穩(wěn)定CISK機(jī)制（恰尼，1964） 積云對流參數(shù)化（郭曉嵐，1965）用大尺度的量表示小尺度的對流問題，（類似于物理學(xué)中，用宏觀量來表達(dá)描述微觀運(yùn)動） 熱帶波動學(xué)（松野，1966）Kelvin波,Rossby重力波，重力慣性內(nèi)波第15頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一2.中小尺度動力學(xué) 是由于測站間距大于中小尺度系統(tǒng)得自身尺度，故常規(guī)觀測不到中尺度系統(tǒng)。60年代后借助雷達(dá)衛(wèi)星的特殊觀測。不穩(wěn)定理論，數(shù)值模擬。第16頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一3.大氣環(huán)流持續(xù)異?；驓夂虍惓恿W(xué)70年代末至80年代末發(fā)展最多定常波（物

8、理中稱為駐波）理論（氣候）大氣環(huán)流持續(xù)異常理論“遙相關(guān)”現(xiàn)象第17頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一e.g. ENSO發(fā)生，美洲氣候發(fā)生異常：海溫升高，對流加強(qiáng)，釋放潛熱 1979年英國Hoskines 大圓理論e.g. 夏季青藏高原熱源異常影響第18頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一4.非線性大氣動力學(xué) 氣象中的一些突變現(xiàn)象第19頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一北半球6月和10月的大氣環(huán)流突變第20頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一1979年，美國的恰尼，多平衡理論（大氣在同一狀況下有幾個平衡態(tài)）用以解釋“副高北跳”，“大氣環(huán)流6月、10月突變”現(xiàn)象。 第21頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一90年代以后，動力氣象學(xué)的新成果較少。本課程講授3060年代理論；60年代后的主要在高等動力氣象學(xué)選修課、研究生大氣動力學(xué)課程中講授。第22頁，共23頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一 本專業(yè)另外開設(shè)了中小尺度大氣動力學(xué)、熱帶大氣動力學(xué)等課程，且課程有三章內(nèi)容（大氣運(yùn)動的基本方程組、尺度分析與自由大氣中的風(fēng)場、大氣渦旋動力學(xué)）已經(jīng)在先修課程天氣學(xué)原理中部分講述過，因此，本課程主要以講述中高緯大尺度大氣過程為主，為了保持課程的系統(tǒng)性，天氣學(xué)原理部分講述過的三章