氣象學(xué)與氣候?qū)W第5章-大氣的運(yùn)動(dòng)

氣象學(xué)與氣候?qū)W

Meteorology

and

Climatology

第五章大氣的運(yùn)動(dòng)

主講：蔡緒貽

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）作用在氣塊上的力梯度Invectorcalculus,thegradientofascalarfieldisavectorfieldthatpointsinthedirectionofthegreatestrateofincreaseofthescalarfield,andwhosemagnitudeisthatrateofincrease.Insimpleterms,thevariationinspaceofanyquantitycanberepresented(e.g.graphically)byaslope.Thegradientrepresentsthesteepnessanddirectionofthatslope.作用在氣塊上的力Intheabovetwoimages,thescalarfieldisinblackandwhite,blackrepresentinghighervalues,anditscorrespondinggradientisrepresentedbybluearrows.梯度方向作用在氣塊上的力對(duì)標(biāo)量場(chǎng)f（x，y，z），其梯度是Surfaceforcedenotedfsistheforcethatactsacrossaninternalorexternalsurfaceelementinamaterialbody.Surfaceforcecanbedecomposedintotwoperpendicularcomponents:pressureandstressforces.Pressureforceactsnormallyoveranareaandstressforceactstangentiallyoveranarea作用在氣塊上的力

面力和體積力作用在氣塊上的力氣壓梯度力nm氣塊：?表面：∑壓力P作用在氣塊上的力氣壓作用于任意形狀氣塊上的合力：?jiǎn)挝唬孔饔迷跉鈮K上的力ABCDEFGHpzxZy

作用在氣塊上的力

大氣靜力學(xué)方程再推導(dǎo)：作用在氣塊上的力

氣壓梯度力重力

垂直方向力平衡作用在氣塊上的力

地偏轉(zhuǎn)力—科里奧利力

Intheinertialframeofreference(upperpartofthepicture),theblackobjectmovesinastraightline,withoutsignificantfrictionwiththedisc.However,theobserver(reddot)whoisstandingintherotating(non-inertial)frameofreference(lowerpartofthepicture)seestheobjectasfollowingacurvedpathduetotheCoriolisandcentrifugalforcespresentinthisframe作用在氣塊上的力

地偏轉(zhuǎn)力—科里奧利力問(wèn)題：科里奧利力與慣性離心力的差別是？作用在氣塊上的力

地偏轉(zhuǎn)力—科里奧利力?ZY地心

O?作用在氣塊上的力

地偏轉(zhuǎn)力—科里奧利力?V問(wèn)題？作用在氣塊上的力

地偏轉(zhuǎn)力—科里奧利力科里奧利力的重要性質(zhì)1。該力是虛構(gòu)的力。用于轉(zhuǎn)動(dòng)座標(biāo)系中觀察者對(duì)絕對(duì)座標(biāo)系物體運(yùn)動(dòng)描述的修正。該力只用于絕對(duì)座標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)的物體。2。該力總是垂直于絕對(duì)座標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)的物體的速度方向。只改變運(yùn)動(dòng)方向。

大氣運(yùn)動(dòng)方程及其簡(jiǎn)化

單位質(zhì)量氣塊所受總力=壓力+重力+地偏轉(zhuǎn)力+摩擦力

大氣運(yùn)動(dòng)方程及其簡(jiǎn)化大氣運(yùn)動(dòng)方程及其簡(jiǎn)化

全加速度當(dāng)?shù)丶铀俣入S體加速度全加速度==當(dāng)?shù)丶铀俣?隨體加速度大氣運(yùn)動(dòng)方程及其簡(jiǎn)化1.大氣運(yùn)動(dòng)尺度分類表2。尺度分析及運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化A。中緯度自由大氣大尺度運(yùn)動(dòng)水平運(yùn)動(dòng)垂直運(yùn)動(dòng)B。中尺度運(yùn)動(dòng)C。小尺度運(yùn)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)方程及其簡(jiǎn)化大氣運(yùn)動(dòng)方程及其簡(jiǎn)化P坐標(biāo)系和z坐標(biāo)系1。Z坐標(biāo)系，自變量z，x，y，t。

p=p（x，y,z,t)P坐標(biāo)系，自變量p，x，y，t。

z=z（x，y，p，t）3?？臻g導(dǎo)數(shù)變換，時(shí)間變換，全導(dǎo)數(shù)變換大氣運(yùn)動(dòng)方程及其簡(jiǎn)化1。從p坐標(biāo)變至z坐標(biāo)，用式：F（x，y，p，t）=F[x，y，p（x，y，z，t），t]2。從z坐標(biāo)變至p坐標(biāo)，用式：F（x，y，z，t）=F[x，y，z（x，y，p，t），t]大氣運(yùn)動(dòng)方程及其簡(jiǎn)化P坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)方程P

=

P（x，y，z，t）Z坐標(biāo)系=

P（x，y，z（x，y，p，t），t）p坐標(biāo)系自由大氣中的風(fēng)1。自由大氣：邊界層以上不考慮空氣粘滯力的大氣。2。地轉(zhuǎn)風(fēng)定義：地轉(zhuǎn)風(fēng)是（地球自轉(zhuǎn)系統(tǒng)中觀察到的）水平氣壓梯度力與水平地轉(zhuǎn)偏向力達(dá)到平衡時(shí)，空氣的等速直線運(yùn)動(dòng)。（問(wèn)題：在太陽(yáng)上的觀察者怎樣描述地轉(zhuǎn)風(fēng)？）自由大氣中的風(fēng)

對(duì)中緯度大尺度水平大氣運(yùn)動(dòng)：?jiǎn)栴}：該式是尺度分析近似結(jié)果。在水平方向上最大可能的加速度是多大？

自由大氣中的風(fēng)自由大氣中的風(fēng)

地轉(zhuǎn)風(fēng)存在的條件：A。中緯度；B。赤道無(wú)地轉(zhuǎn)風(fēng)；C。大尺度水平運(yùn)動(dòng)；D。自由大氣自由大氣中的風(fēng)地轉(zhuǎn)風(fēng)特點(diǎn)：1。方向：？；2。速度大?。海?。地面圖中，與等位勢(shì)面的關(guān)系？3。地面圖中，地轉(zhuǎn)風(fēng)速的確定？4。風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)的關(guān)系。

自由大氣中的風(fēng)

梯度風(fēng)

當(dāng)空氣質(zhì)點(diǎn)作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了受氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力的作用外，還受慣性離心力的作用，當(dāng)這三個(gè)力達(dá)到平衡時(shí)的風(fēng)，就稱為梯度風(fēng)。它是沿圓形等壓線吹的無(wú)摩擦的水平大氣運(yùn)動(dòng)。

自由大氣中的風(fēng)—梯度風(fēng)

自然坐標(biāo)系nsO

自由大氣中的風(fēng)—梯度風(fēng)

自然坐標(biāo)系的加速度氣壓梯度力，科里奧利力，和離心力平衡：自由大氣中的風(fēng)—梯度風(fēng)而所以當(dāng)Rt較大時(shí)，梯度風(fēng)有何改變？自由大氣中的風(fēng)—梯度風(fēng)自由大氣中的風(fēng)—梯度風(fēng)四種情況:A:異常低壓體系B:異常高壓體系C：正常低壓體系D：正常高壓體系梯度風(fēng)出現(xiàn)的條件：大尺度，中緯度，自由風(fēng)

自由大氣中的風(fēng)—梯度風(fēng)

異常低壓

自由大氣中的風(fēng)—梯度風(fēng)

異常高壓

自由大