動(dòng)力氣象第一章緒論

1、 動(dòng)力氣象學(xué)動(dòng)力氣象學(xué)（Dynamic Meteorology）是大氣科學(xué)的一個(gè)重要的分支學(xué)科。是大氣科學(xué)的一個(gè)重要的分支學(xué)科。Meteorology is a combination of 3 different traditions:- Synoptic Climatology / Statistical approach- Dynamic meteorology- Weather forecastingSynoptic Climatology statistics empirical activity: collect observational data to derive infor

2、mation from almost neglected physics descriptive science; the average weatherDynamic Meteorology physics theoretical activity: explain/derive atmospheric phenomena from general principles almost neglected observationsWeather Forecast practical activityPast：synoptic charts (via telegraphy) of pressur

3、e, temperature, humidity, precipitation, wind, derive rules of thumb from patterns ，almost neglected theory; used only limited amount of dataToday：operational numerical prediction models based on the theory of dynamical meteorology 是應(yīng)用物理學(xué)定律和數(shù)學(xué)方法研究是應(yīng)用物理學(xué)定律和數(shù)學(xué)方法研究大氣運(yùn)動(dòng)的大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力過程動(dòng)力過程，熱力過程熱力過程，以及，以及它們之間的

4、相互關(guān)系，是從它們之間的相互關(guān)系，是從理論上理論上探討探討大氣環(huán)流，天氣系統(tǒng)演變和其他大氣運(yùn)大氣環(huán)流，天氣系統(tǒng)演變和其他大氣運(yùn)動(dòng)過程的一門學(xué)科。動(dòng)過程的一門學(xué)科。Dynamic meteorology is the study of those motions of the atmosphere that are associated with weather and climate.風(fēng)壓定律的動(dòng)力學(xué)解釋風(fēng)壓定律的動(dòng)力學(xué)解釋pppppkVfCpP0,1gV高高低低PoC低氣壓低氣壓北臺(tái)風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向的動(dòng)力學(xué)解釋臺(tái)風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向的動(dòng)力學(xué)解釋臺(tái)風(fēng)臺(tái)風(fēng)”海葵?？迸_(tái)風(fēng)臺(tái)風(fēng)”達(dá)維達(dá)維”臺(tái)風(fēng)臺(tái)風(fēng)”蘇拉蘇拉”l流

5、體力學(xué)（流體力學(xué)（Hydrodynamics）：研究流體）：研究流體運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律。運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律。l天氣學(xué)（天氣學(xué)（Synoptic Meteorology）：研究）：研究大氣中與天氣過程演變有關(guān)的規(guī)律。大氣中與天氣過程演變有關(guān)的規(guī)律。l動(dòng)力氣象學(xué)（動(dòng)力氣象學(xué)（Dynamic Meteorology）：）：從理論上研究大氣（特殊流體）動(dòng)力過程從理論上研究大氣（特殊流體）動(dòng)力過程與熱力過程的規(guī)律。與熱力過程的規(guī)律。動(dòng)力氣象學(xué)動(dòng)力氣象學(xué)是氣象學(xué)專業(yè)本科生的是氣象學(xué)專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)理論課程和主干課程，是報(bào)考?xì)鈱I(yè)基礎(chǔ)理論課程和主干課程，是報(bào)考?xì)庀髮W(xué)專業(yè)碩士研究生的必考課程。象學(xué)專業(yè)碩士研究生的

6、必考課程。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l 動(dòng)力氣象學(xué)研究對(duì)象、任務(wù)和方法動(dòng)力氣象學(xué)研究對(duì)象、任務(wù)和方法l 動(dòng)力氣象學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史動(dòng)力氣象學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1. 研究對(duì)象研究對(duì)象：大氣運(yùn)動(dòng)（廣泛意義上） 大氣運(yùn)動(dòng)是很復(fù)雜的，復(fù)雜性體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)的尺度范圍（空間和時(shí)間）很寬廣。大氣運(yùn)動(dòng)無論在時(shí)間尺度上，還是在空間尺度上都具有很寬的尺度譜。 m410m510m610km410km310km210km10km1HRHRHRHR121011010 不同尺度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有不同的動(dòng)力不同尺度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有不同的動(dòng)力學(xué)特性。不同尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)性質(zhì)差異，對(duì)學(xué)特性。不同尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)性質(zhì)差異，對(duì)天氣的影響也不同。天氣的影響也不同。 例如：西

7、風(fēng)帶中的長(zhǎng)波具有準(zhǔn)水平、準(zhǔn)地例如：西風(fēng)帶中的長(zhǎng)波具有準(zhǔn)水平、準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡性質(zhì)，它對(duì)天氣影響的范圍較廣；轉(zhuǎn)平衡性質(zhì)，它對(duì)天氣影響的范圍較廣；而強(qiáng)烈的局地風(fēng)暴是一種小尺度強(qiáng)對(duì)流運(yùn)而強(qiáng)烈的局地風(fēng)暴是一種小尺度強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，它是非靜力平衡的，垂直上升運(yùn)動(dòng)很動(dòng)，它是非靜力平衡的，垂直上升運(yùn)動(dòng)很強(qiáng)，雖然影響范圍不大，但是造成的天氣強(qiáng)，雖然影響范圍不大，但是造成的天氣災(zāi)害嚴(yán)重。災(zāi)害嚴(yán)重。 不同尺度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之間存在著相互不同尺度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之間存在著相互作用。作用。 小尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)往往是在大尺度運(yùn)動(dòng)小尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)往往是在大尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的背景下發(fā)生發(fā)展起來的；反過來它系統(tǒng)的背景下發(fā)生發(fā)展起來的；反過來它又對(duì)大尺度運(yùn)

8、動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展和變化產(chǎn)生反又對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展和變化產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?。饋?zhàn)饔谩?*基于觀測(cè)技術(shù)和手段的限制，目前動(dòng)力氣基于觀測(cè)技術(shù)和手段的限制，目前動(dòng)力氣象學(xué)方面比較成熟與重大的研究成果主要象學(xué)方面比較成熟與重大的研究成果主要集中在集中在大尺度動(dòng)力學(xué)大尺度動(dòng)力學(xué)方面。方面。 大尺度運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)重要特點(diǎn)：l要考慮地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)考慮柯氏力作用l考慮地球大氣受到重力場(chǎng)的作用準(zhǔn)準(zhǔn)水平運(yùn)動(dòng)總結(jié)總結(jié)：研究對(duì)象是，考慮地球自轉(zhuǎn)的，準(zhǔn)水平運(yùn)動(dòng)的中高緯度的大尺度的大氣運(yùn)動(dòng)過程。 由物理定律出發(fā)，從理論上，揭示大氣運(yùn)動(dòng)過程的發(fā)生發(fā)展規(guī)律和機(jī)理。 l工具：數(shù)理基礎(chǔ)l方法：氣象問題 物理模型（大氣運(yùn)動(dòng)所遵循的物理定律）

9、數(shù)學(xué)模型（基本定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式） 求解 解釋原問題。連續(xù)性假設(shè)（連續(xù)性假設(shè)（continuity）表征大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和熱力狀態(tài)的各種物理量均是時(shí)間表征大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和熱力狀態(tài)的各種物理量均是時(shí)間和空間的連續(xù)函數(shù)，且其各階微商也連續(xù)。和空間的連續(xù)函數(shù)，且其各階微商也連續(xù)。理想氣體假設(shè)（理想氣體假設(shè)（ideal gas）把大氣作為理想氣體來處理，氣壓、密度、溫度之間把大氣作為理想氣體來處理，氣壓、密度、溫度之間的關(guān)系滿足理想氣體的狀態(tài)方程。的關(guān)系滿足理想氣體的狀態(tài)方程。 數(shù)學(xué)和物理學(xué)的不斷成熟為動(dòng)力氣象奠定了理論基礎(chǔ)，同時(shí)觀測(cè)和計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展更推動(dòng)了動(dòng)力氣象學(xué)的進(jìn)步，使其內(nèi)容不斷擴(kuò)展。l19世紀(jì)2

10、0年代20世紀(jì)20年代 有了近代氣象學(xué)外推法外推法 1820年德國(guó)人布蘭德斯布蘭德斯利用歷史資料繪成了世界上第一張?zhí)鞖鈭D，這是近代氣象學(xué)研究起點(diǎn)的標(biāo)志；1854年克里米亞戰(zhàn)爭(zhēng)克里米亞戰(zhàn)爭(zhēng)事件真正推動(dòng)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)開展 ； l20世紀(jì)30年代 歐洲歐洲學(xué)術(shù)發(fā)展興盛： 成立了以BjerknesBjerknes為首的挪威學(xué)派，建立了現(xiàn)代天氣學(xué)理論，天氣分析和天氣預(yù)報(bào)方法（極鋒學(xué)說極鋒學(xué)說 ）。BjerknesBjerknes將流體力學(xué)和熱力學(xué)應(yīng)用于大氣和海洋的大尺度運(yùn)動(dòng)的研究中，提出了著名的環(huán)流理論 。從此動(dòng)力氣象學(xué)便逐步由流體力學(xué)中分離出來，形成一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。 l20世紀(jì)60年代 動(dòng)力氣象迅速發(fā)展

11、的時(shí)期 美國(guó)美國(guó)學(xué)術(shù)發(fā)展興盛：芝加哥大學(xué)的RossbyRossby動(dòng)力氣象學(xué)之鼻祖動(dòng)力氣象學(xué)之鼻祖 1939年，他提出了長(zhǎng)波理論長(zhǎng)波理論，稱此波為大氣長(zhǎng)波或Rossby波。 氣象學(xué)中形成最主要的理論：波動(dòng)理論波動(dòng)理論Rossby,C.G. (1898-1957)l地轉(zhuǎn)適應(yīng)理論（Rossby，1938）l行星波的能量頻散理論（Rossby，葉篤正葉篤正，1949）l行星波的斜壓不穩(wěn)定（恰尼，1947；伊臺(tái)，1949）熱力機(jī)制l 行星波的正壓不穩(wěn)定（郭曉嵐，1949）動(dòng)力機(jī)制l 大氣運(yùn)動(dòng)的尺度分析（恰尼，1949）l 數(shù)值預(yù)報(bào)理論數(shù)值預(yù)報(bào)理論（恰尼恰尼等，1950，麻省理工學(xué)院）動(dòng)力氣象大發(fā)展，成

12、功地進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)，把前面的理論基礎(chǔ)歸結(jié)為一個(gè)簡(jiǎn)單的預(yù)報(bào)方程。葉篤正Charny,J.G.General Meteorology 2007-200824Electronic Numerical Integrator And Calculator (ENIAC) l至今 由于觀測(cè)資料的豐富，探測(cè)手段的逐步現(xiàn)代化，計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)學(xué)物理學(xué)的推進(jìn)，使得動(dòng)力氣象學(xué)正在進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。國(guó)家天氣基本站國(guó)家天氣基本站（530）資料源自中國(guó)氣象局資料源自中國(guó)氣象局國(guó)家高空探測(cè)站國(guó)家高空探測(cè)站 （120）資料源自中國(guó)氣象局資料源自中國(guó)氣象局全國(guó)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)全國(guó)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng) (126)

13、資料源自中國(guó)氣象局資料源自中國(guó)氣象局氣象觀測(cè)系統(tǒng)氣象觀測(cè)系統(tǒng) 把運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)作為三維、瞬變、具有強(qiáng)迫耗散的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)來研究。 在研究方法上，觀測(cè)分析、解析研究、數(shù)值模擬齊頭并進(jìn)。 為了制作準(zhǔn)確的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測(cè)，更加重視海氣和地氣物理過程之間的相互作用。1、適當(dāng)?shù)赜浌P記，以幫助記憶；2、學(xué)習(xí)中要注意：l問題的提出；l解決的方法與工具；l重要的結(jié)果及其意義重要的結(jié)果及其意義；l如何應(yīng)用。3、應(yīng)及時(shí)復(fù)習(xí)；4、通過一定練習(xí)，掌握所學(xué)知識(shí)。l楊大、劉金濱：動(dòng)力氣象學(xué)，1980，氣象出版社；l劉式適、劉式達(dá)：大氣動(dòng)力學(xué)（上、下），劉式適、劉式達(dá)：大氣動(dòng)力學(xué)（上、下），1991，北京大學(xué)出版社北京大學(xué)出版社；l伍榮生等：動(dòng)力氣象學(xué)，1983，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社；1990，大氣動(dòng)力學(xué)，氣象出版社；l呂克利等：動(dòng)力氣象學(xué)，1996，南京大學(xué)出版社；l霍爾頓，動(dòng)力氣象學(xué)引論，霍爾頓，動(dòng)力氣象學(xué)引論，1980，科學(xué)出版社；，科學(xué)出版社； An Introduction to Dynamic Meteorology (James R.Holton)l繆錦海等，動(dòng)力氣象學(xué)，1992，氣象出版社。l（共64學(xué)時(shí)）