動(dòng)力氣象學(xué)第1章.dln課件

動(dòng)力氣象學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院董麗娜2011第一章緒論動(dòng)力氣象學(xué)的研究對(duì)象、任務(wù)和方法動(dòng)力氣象學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史動(dòng)力氣象學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)一、動(dòng)力氣象學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)動(dòng)力氣象學(xué)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)的動(dòng)力過(guò)程、熱力過(guò)程及之間的關(guān)系，從理論上探討大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)演變和其他大氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程的學(xué)科，是大氣科學(xué)的一個(gè)重要分支學(xué)科和帶頭學(xué)科。1、對(duì)象：

二、動(dòng)力氣象學(xué)的研究對(duì)象、任務(wù)和方法大氣運(yùn)動(dòng)無(wú)論在時(shí)間尺度上還是空間尺度上都具有很寬的尺度譜，不同尺度的運(yùn)動(dòng)在性質(zhì)上有很大的差異。各種尺度運(yùn)動(dòng)有其不同的物理特點(diǎn)，決定運(yùn)動(dòng)基本性質(zhì)的主要因子也不一樣。對(duì)氣象學(xué)涉及的天氣系統(tǒng)來(lái)講，有以下幾種空間尺度：大尺度：m

中尺度：m小尺度：m

氣旋反氣旋暴雨系統(tǒng)風(fēng)暴、龍卷風(fēng)天小時(shí)分鐘千公里百公里十公里對(duì)氣象學(xué)涉及的天氣系統(tǒng)來(lái)講，有以下幾種空間尺度：大尺度：m

中尺度：m小尺度：m

氣旋反氣旋暴雨系統(tǒng)風(fēng)暴、龍卷風(fēng)天小時(shí)分鐘不同尺度運(yùn)動(dòng)的機(jī)理不同！本課程研究的對(duì)象：大尺度大氣大氣中發(fā)生的天氣過(guò)程在日常天氣圖上可見(jiàn)，影響日常天氣經(jīng)典內(nèi)容大尺度大氣的重要特點(diǎn)1、大氣的運(yùn)動(dòng)是在旋轉(zhuǎn)的地球上進(jìn)行的，受到重力作用

A、地球半徑ａ≈6000km與大尺度系統(tǒng)尺度近似∴必須要考慮地球的自轉(zhuǎn)→旋轉(zhuǎn)流體力學(xué)！在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下考慮流體運(yùn)動(dòng)，與一般流體運(yùn)動(dòng)差別很大旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下流體運(yùn)動(dòng)受到科氏力的影響。大尺度大氣運(yùn)動(dòng)中，科氏力與水平氣壓梯度力近似平衡，運(yùn)動(dòng)具有準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡性質(zhì)。

B、大氣受到重力場(chǎng)的作用，質(zhì)量集中在對(duì)流層，大氣是很扁平的一層，鉛直速度遠(yuǎn)小于水平速度∴大尺度大氣是準(zhǔn)水平運(yùn)動(dòng)鉛直方向上氣壓梯度力與重力近似平衡∴大尺度大氣具有準(zhǔn)靜力平衡性質(zhì)“準(zhǔn)”的含義地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：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(dòng)：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)展水平運(yùn)動(dòng)：垂直速度為零準(zhǔn)水平運(yùn)動(dòng)：主要是水平運(yùn)動(dòng)，但垂直運(yùn)動(dòng)也很重要（云霧降水的形成）動(dòng)力氣象的對(duì)象:

考慮地球自轉(zhuǎn)的、準(zhǔn)水平運(yùn)動(dòng)的大氣中發(fā)生的大尺度的動(dòng)力過(guò)程。大尺度系統(tǒng)，又稱天氣尺度系統(tǒng)、天氣系統(tǒng)。2、任務(wù)動(dòng)力氣象學(xué)與天氣學(xué)不同之處在于：天氣學(xué)：從觀測(cè)資料出發(fā)，經(jīng)驗(yàn)性的，總結(jié)天氣過(guò)程的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，（主觀）推斷可能機(jī)理動(dòng)力學(xué)：從物理定律出發(fā)，從理論上，揭示天氣過(guò)程的發(fā)生發(fā)展規(guī)律和機(jī)理

理論聯(lián)系實(shí)際，天氣學(xué)與動(dòng)力氣象學(xué)相互交叉滲透本課程的核心問(wèn)題：天氣系統(tǒng)問(wèn)題的發(fā)生機(jī)理

移動(dòng)發(fā)生發(fā)展3、方法：物理基礎(chǔ)：力學(xué)（質(zhì)點(diǎn)力學(xué)），熱力學(xué)；不去研究聲、光、電、降水的微物理過(guò)程數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：微積分（微分方程），矢量分析，場(chǎng)論（歐拉觀點(diǎn)），計(jì)算數(shù)學(xué)，近似方法步驟：

氣象問(wèn)題→物理模型→數(shù)學(xué)模型→求解

→解釋原問(wèn)題

！側(cè)重在首尾兩步理解動(dòng)力氣象學(xué)的基本概念和基本原理掌握處理大氣動(dòng)力學(xué)的一般方法，學(xué)會(huì)應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理學(xué)方法來(lái)探討大氣的基本規(guī)律能夠初步應(yīng)用大氣動(dòng)力學(xué)的基本理論來(lái)解釋大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)演變及其他大氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程。二、動(dòng)力氣象學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史氣象科學(xué)是一門(mén)古老的科學(xué)。17世紀(jì)以前，人們對(duì)大氣中各種現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)僅是直接或者經(jīng)驗(yàn)性的。近代動(dòng)力氣象學(xué)發(fā)展推動(dòng)力：1）各種觀測(cè)儀器的發(fā)明，通過(guò)觀測(cè)大氣，對(duì)觀測(cè)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。

（一）19世紀(jì)20年代～20世紀(jì)初

19世紀(jì)20年代以前，沒(méi)有“氣象學(xué)”這一概念；之后，開(kāi)始有了近代氣象學(xué)——外推法

背景：歐洲殖民主義借船擴(kuò)張；航海上記日志；通過(guò)電報(bào)把各船只的日志點(diǎn)到圖上，形成了地面天氣圖；用外推法預(yù)測(cè)高低壓的移動(dòng)

1820年，布蘭德斯在氣壓、溫度、濕度和風(fēng)等氣象要素可以測(cè)定和氣象觀測(cè)網(wǎng)站逐步建立起來(lái)的條件下，揮之可氣象歷史上第一張?zhí)鞖鈭D，創(chuàng)立了近代天氣分析和天氣預(yù)報(bào)方法，這為氣象科學(xué)向理性科學(xué)方向上發(fā)展開(kāi)辟了途徑，這是氣象科學(xué)發(fā)展過(guò)程中的一次飛躍。（二）～20世紀(jì)30年代

歐洲學(xué)術(shù)發(fā)展興盛：挪威學(xué)派

1904年，V.皮耶克尼斯以力學(xué)和物理學(xué)的觀點(diǎn)，制訂了研究天氣預(yù)報(bào)計(jì)劃；同一年他建立了描寫(xiě)旋轉(zhuǎn)地球大氣運(yùn)動(dòng)方程組，這是將流體力學(xué)、物理學(xué)的觀點(diǎn)引入氣象科學(xué)，研究大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的開(kāi)端。

1920年前后，V.皮耶克尼斯和J.皮耶克尼斯概括了溫帶氣旋生命史，提出了著名的極鋒氣旋學(xué)說(shuō)。（三）～20世紀(jì)60年代動(dòng)力氣象迅速發(fā)展的時(shí)期背景：二戰(zhàn)爆發(fā)后，海陸空軍參戰(zhàn)，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，建立了高空觀測(cè)網(wǎng)，氣象要素發(fā)展為三維系統(tǒng)（＋時(shí)間～四維）高空500hPa圖的最主要特點(diǎn)：波動(dòng)（時(shí)間上，空間上）美國(guó)學(xué)術(shù)發(fā)展興盛：芝加哥學(xué)派

Rossby――動(dòng)力氣象學(xué)之鼻祖

1939年，他提出了長(zhǎng)波學(xué)說(shuō)，稱此波為大氣長(zhǎng)波或Rossby波。氣象中最主要的理論：波動(dòng)理論這一時(shí)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(tái)，1949）

—熱力機(jī)制行星波的正壓不穩(wěn)定（郭曉嵐，1949）—?jiǎng)恿C(jī)制大氣運(yùn)動(dòng)的尺度分析（恰尼，1949）數(shù)值預(yù)報(bào)理論（恰尼等，1950，芝加哥大學(xué)）

——?jiǎng)恿庀蟠蟀l(fā)展，成功地進(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。（四）～至今（研究生課程）發(fā)展較快的動(dòng)力氣象學(xué)內(nèi)容有：

1.熱帶大氣動(dòng)力學(xué)熱帶的水汽，對(duì)流，潛熱釋放等影響全球，非常重要；ENSO現(xiàn)象熱帶觀測(cè)儀器有：衛(wèi)星，國(guó)際上的專門(mén)試驗(yàn)有關(guān)理論：第二類條件不穩(wěn)定CISK機(jī)制（恰尼，1964）積云對(duì)流參數(shù)化（郭曉嵐，1965）——用大尺度的量表示小尺度的對(duì)流問(wèn)題，（類似于物理學(xué)中，用宏觀量來(lái)表達(dá)描述微觀運(yùn)動(dòng)）熱帶波動(dòng)學(xué)（松野，1966）——Kelvin波,Rossby重力波，重力慣性內(nèi)波2.中小尺度動(dòng)力學(xué)原先得不到發(fā)展，是由于測(cè)站間距大于中小尺度系統(tǒng)得自身尺度，故常規(guī)觀測(cè)不到?，F(xiàn)在，是借助不穩(wěn)定理論，數(shù)值模擬，雷達(dá)衛(wèi)星的特殊觀測(cè)。3.大氣環(huán)流持續(xù)異?；驓夂虍惓?dòng)力學(xué)

——70年代末至80年代末發(fā)展最多定常波（物理中稱為駐波）理論（氣候）研究發(fā)現(xiàn)了大氣環(huán)流持續(xù)異常：“遙相關(guān)”現(xiàn)象波列“遙相關(guān)”

環(huán)流“遙相關(guān)”“遙相關(guān)”現(xiàn)象①ENSO發(fā)生，美洲氣候發(fā)生異常：海溫升高，對(duì)流加強(qiáng)，釋放潛熱1979年英國(guó)Hoskines用行星波理論解釋了上面問(wèn)題：異常區(qū)激發(fā)一行星波，能量以D-G-D-G依次傳播下去。大圓理論②夏季青藏高原（平均海拔5000ｍ，位于500hPa，即對(duì)流層中部）由于T1>T2（夏季），所以青藏高原是一個(gè)巨大的熱源→空氣上升，夏季青藏高原是個(gè)熱低壓→對(duì)南半球的氣候也會(huì)產(chǎn)生影響。多平衡態(tài)理論（大氣在同一狀況下有幾個(gè)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。

4.非線性大氣動(dòng)力學(xué)原因結(jié)果副高北跳——夏季影響我國(guó)的主要是副高。原因（連續(xù)的）：太陽(yáng)輻射的

漸進(jìn)北移結(jié)果（突變的）：副高的