《大气静力学》PPT课件.ppt

第四节 主要气象要素,气象要素：表征大气状态和现象的物理量。例如，气温、空气湿度、气压、风,一、气温,1、定义：表示空气冷热程度的物理量,2、温标,关系：,3、观测,地面气温指离地1.5m（我国）高处百叶箱里的气温,二、气压,1、定义：大气压力,2、单位：国际单位 帕（Pa) 气象上常用 百帕（hPa） 标准大气压 =1013.25 hPa,3、测量：,三、空气湿度,1、定义：表示空气中水汽含量多少或潮湿程度的物理量。,2、水汽达饱和,3、湿度参量(p19),由水汽和平面纯水（或纯水）组成的系统，在某温度下达到两相平衡时，称为水汽达饱和。,有很多个,1）水汽混合比r,单位：kg/kg,2)比湿 q,单位：kg/kg,q于r的关系：,3) 绝对湿度（水汽密度),单位：kg/m3,V为湿空气体积,4）水汽压e：湿空气中水汽的分压强。单位 为hPa,相对于纯水(冰）平面的饱和水汽压 E w（Ei ），仅是温度的函数，随温度升高而增大,饱和水汽压计算公式（p21）,5）相对湿度 f,6）露点 td、霜点 tf,湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至相对于纯水平面达饱和时的温度，称为露点；等压降温至相对于纯冰平面达饱和时的温度称为霜点。,四、风,1、风的概念,1）空气相对运动形成风,大气科学中的风以地面为参照物，分水平风、垂直风,2）风是矢量，水平风是二维矢量,3）水平风有两种描述方法：分量法、方向大小法,2、风向,1）指风的来向,2）表示方法：用16个地理方位,用方位角,3、风速,表示方法,1）单位时间里空气所经过的距离。 单位： m/s、mile/h,地面风向表示方法,在地面天气图上，用下列图示来表示风，风尾长划风速为4米/秒，即风力为2级，短划风速为2米/秒。一个风旗，表示风力为8级。风尾和风旗均放在风杆的左侧。,西南风5级,东南风12级,天气图上风的表示方法,2) 风级,热带低压(中心附近最大风力67级) 热带风暴(89级) 强热带风暴(1011级) 台风(12级)。,例如，热带气旋用风级划分为：,第五节 大气静力学方程 一、方程推导,假定大气处于静力平衡状态，即大气相对于地面静止，达到力的平衡。,任取一块截面积为1m2，厚度为dz的铅直气柱，对它进行受力分析,（1.5.1）称为大气静力学方程的微分形式,（1.5.2）称为大气静力学方程的导数形式,当大气静止或只做匀速垂直运动时，大气静力学方程精确成立。,当大气有弱的垂直加速度时，大气静力学方程近似成立。,二、适用条件,大气运动具有准水平性，即任意时刻大部分空间范围的大气以水平运动为主。垂直加速度一般小于0.1cm/s2,比重力加速度至少小4个数量级。,大气静力学方程不仅适用于静止大气，而且也适用于一般大气，不适用于有强垂直运动的大气（见图）,三、应用,1、用来定义平衡气压（大气静力学气压）,对（1.5.2）式两边积分，,得,即以某高度z1上的平衡气压等于从该高度直到大气上界的单位截面铅直气柱的重量。,2、求气压阶hp (p31),1）定义：垂直气柱中每减小单位气压所对应的几何高度增加量,3）影响因子,3、计算气压标高Hp,1）定义,标高分气压标高和密度标高，这里只介绍前者,气压标高表示气压随高度的变化趋势，定义式为 (平面平行大气的假设下),2）计算式,3）等温大气的标高,对（1.5.6）式变形后两边积分，得,对于等温大气，Tv不随高度变化，故Hp也不随高度变化，所以,对于等温大气，Hp在数量上等于气压减小到起始气压的1/e所需要的高度增量。,4、用来推导模式大气的压高公式,压高公式：表明气压与高度间关系的公式。,模式大气：是满足一定假设条件的大气。,1）等温大气,a) 定义：虚温或温度不随高度变化的大气,b) 压高公式：,把（1.5.7）代入，有,在气象观测中，常用（1.5.10）求算等压面位势高度和海平面气压换算。,c) 上界（p=0 的高度）：无上界,2）多元大气,a) 定义：气温随高度线性变化的大气称 为多元大气。,b) 压高公式：设,，代入大气静力学方程中可推导出,c) 上界：,3）均质大气,a) 定义：空气密度不随高度变化的大气称为均质大气。,b) 压高公式：,c) 上界：,数值上等于低层大气的标高。,卓奥友峰 8201米 8000米是人类生存的极限,d) 铅直温度递减率,由均质大气压高公式和状态方程，求得均质大气铅直温度递减率为：,变形，得,由（1.5.12）式发现，,所以， 也称为自由对 流铅直温度递减率,四、标准大气,1、定义（WMO的定义）,所谓标准大气，就是能够粗略地反映出周年、中纬度状况的，得到国际上承认的，假定的大气温度、压力和密度的垂直分布。它的典型用途是作为压力高度计校准、飞机性能计算、飞机和火箭设计、弹道制表和气象制图的基准。假定空气服从使温度、压力和密度与位势发生关系的理想气体定律和流体静力学方程。在一个时期内，只能规定一个标准大气，这个标准大气，除相隔多年做修正外，不允许经常变动。,2、美国1976年标准大气：,是对美国1962年标准大气的修正，它表示了中等太阳活动期间，由地面到1000km的理想化、静态的中纬度平均大气结构。,3、我国国家标准：,我国国家标准总局规定，在建立我国自己的标准大气之前，可使用1976年美国标准大气，取其30 km以下部分作为国家标准。,第六节 气压场,气压场：气压的空间分布。气压的三维空间分布称为空间气压场；气压的水平分布称为水平气压场。,一、基本概念,1、等高面图,等压面：指空间气压相等各点组成的 曲面，见下页图,等高面：海拔高度相同的各点组成的曲面,等高面上的等压线：是等高面上气压相同点的连线。是等压面与等高面的交线。,目前地面天气图，就是高度为零的等高面图，在地图上填上海平面气压值，绘制等压线，此外，地面天气图上还标有其他天气符号和等值线。,2、等压面图,用高度间隔相等的若干等高面去截某等压面P，将所得截线即等高线都投影到水平面上，便得P等压面上的许多等高线。构成等压面图的主体。,目前气象台绘制的高空天气图就是一组等压面图。其上除等高线，还有其他等值线和天气符号。,注：这里的高度为位势高度,3、位势高度,1）重力位势,把单位质量的物体从海平面上（重力位势为零）抬升（沿任意路径）到Z高度时，外力克服重力所作的功。,2）位势米gpm,质量为1千克的物体在标准重力加速度g0下，上升1m所增加的势能为1位势米。,3）位势高度与几何高度的关系,4）计算位势高度的测高公式,已知两个气压，求气压间的位势高度,对（1.6.3）两边微分，有,把（1.6.4）和状态方程代入大气静力学方程中，有,（1.6.5）可化为,（1.6.6）式两边积分，有,则（