天氣學(xué)原理-第一章

天氣學(xué)原理和方法第一章大氣運(yùn)動(dòng)的基本特征

章節(jié)內(nèi)容1影響大氣運(yùn)動(dòng)的作用力2控制大氣運(yùn)動(dòng)的基本定律3大尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方程4“P”坐標(biāo)系中的基本方程組5風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)地關(guān)系本章要點(diǎn)1.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

2.大尺度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程的簡(jiǎn)化方程式（一級(jí)、零級(jí)

z系、p系）

3.關(guān)于靜力學(xué)方程，連續(xù)方程，熱力學(xué)方程的方程式和意義；速度散度的表達(dá)式和意義

4.大氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的分類與尺度

5.地轉(zhuǎn)風(fēng)、梯度風(fēng)、熱成風(fēng)的定義、表達(dá)式、意義6.熱成風(fēng)與冷暖平流的關(guān)系7.中緯度系統(tǒng)的溫壓場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

8.地轉(zhuǎn)偏差的定義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4知識(shí)點(diǎn)

第1節(jié)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）：氣壓梯度力地心引力摩擦力考慮到地球自轉(zhuǎn)的視示力（外觀力）：慣性離心力地轉(zhuǎn)偏向力（科里奧利力）重力（地心引力和慣性離心力的合力）5一.氣壓梯度力

作用于單位質(zhì)量氣塊上的的凈壓力稱為氣壓梯度力。

6氣壓梯度力的討論：1.氣壓梯度力是由氣壓分布不均勻引起的。

2.氣壓梯度力的方向指向–

的方向，即由高壓指向低壓，垂直于等壓線。3.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，氣壓梯度越大。 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　?.水平氣壓梯度力比垂直氣壓梯度力小很多。7補(bǔ)充：氣壓梯度指單位距離間的氣壓差。

水平方向:100km相差1hPa

垂直方向:8-10m相差1hPa1000hPa~850hPa平均相差1500m

但由于向上的氣壓梯度力與向下的重力達(dá)到準(zhǔn)靜力平衡，所以雖然垂直方向上的氣壓梯度力大，但運(yùn)動(dòng)不明顯。 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)。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因?yàn)椋核裕?/p>

——

海平面的地心引力（常數(shù)）10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、

摩擦力11摩擦力的簡(jiǎn)化形式：

四、慣性離心力

向心力～向心加速度慣性離心力

13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.地球自轉(zhuǎn)角速度Ω=2π/24小時(shí)=7.29×10-5/秒.

4.地表上每個(gè)靜止物體均受到慣性離心力的影響。

14另：重力

地心引力與慣性離心力的合力，稱為重力。15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

16五、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，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：

1718令則有

1、運(yùn)動(dòng)的物體受地轉(zhuǎn)偏向力的作用（靜止時(shí)為0）。

2、與相垂直，且在緯圈的平面內(nèi)。

3、與相垂直，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，不改變其速度大小。在北半球地轉(zhuǎn)偏向力指向運(yùn)動(dòng)方向右側(cè)，南半球則相反。4、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。即風(fēng)速越大偏向力越大，高緯度的偏向力大，低緯度的偏向力小。

討論：20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）21第2節(jié)控制大氣運(yùn)動(dòng)的基本定律大氣運(yùn)動(dòng)受質(zhì)量守恒，動(dòng)量守恒和能量守恒等基本物理定律所控制。補(bǔ)充：個(gè)別變化、局地變化25一、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26討論:1.氣壓氣流的三類垂直結(jié)構(gòu)

a.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272. 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28二、連續(xù)方程

表示大氣質(zhì)量守恒的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

29討論:1，速度散度的意義表示流體在單位時(shí)間內(nèi)體積的相對(duì)膨脹率。稱為速度散度

，其中為比容30單位時(shí)間質(zhì)量的變化率

單位時(shí)間體積的變化率

312.水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：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)

323.“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)33三、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

342，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（固定點(diǎn)）溫度變化是由溫度平流和非絕熱作用造成35第3節(jié)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：371.尺度簡(jiǎn)化大氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的分類水平尺度(水平范圍所占有的空間)

時(shí)間尺度行星尺度104km周大尺度103km幾天中尺度102km1天小尺度10km幾小時(shí)不同尺度對(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))

39零級(jí)簡(jiǎn)化方程(最大項(xiàng))40大尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的特征(中高緯): 1.準(zhǔn)水平ω→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F→0

第4節(jié)“P”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:44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（ρ）。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ρ）。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ρ的變化。等壓面分析計(jì)算水平氣壓梯度力簡(jiǎn)單（不涉及ρ）。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ρ）。45垂直速度:

z系:p系:

關(guān)系式

上升運(yùn)動(dòng):w>0ω<0

下沉運(yùn)動(dòng):w<0ω>0“P”坐標(biāo)系中大氣運(yùn)動(dòng)基本方程組47

第5節(jié)風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的關(guān)系48一、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)：