动力气象第一章绪论.ppt

“厚德载雾，自强不吸”,第一章 绪论（Introduction）,动力气象学（Dynamic Meteorology）是大气科学的一个重要的分支学科。,Meteorology is a combination of 3 different traditions: - Synoptic Climatology / Statistical approach - Dynamic meteorology - Weather forecasting,Synoptic Climatology statistics empirical activity: collect observational data to derive information from almost neglected physics descriptive science; the average weather,Dynamic Meteorology physics theoretical activity: explain/derive atmospheric phenomena from general principles almost neglected observations,Weather Forecast practical activity Past： synoptic charts (via telegraphy) of pressure, temperature, humidity, precipitation, wind, derive rules of thumb from patterns ，almost neglected theory; used only limited amount of data Today： operational numerical prediction models based on the theory of dynamical meteorology,什么是动力气象学？,是应用物理学定律和数学方法研究大气运动的动力过程，热力过程，以及它们之间的相互关系，是从理论上探讨大气环流，天气系统演变和其他大气运动过程的一门学科。,Dynamic meteorology is the study of those motions of the atmosphere that are associated with weather and climate.,风压定律的动力学解释,高,低,台风旋转方向的动力学解释,台风”海葵”,台风”达维”,台风”苏拉”,动力气象学与其他学科的区别?,流体力学（Hydrodynamics）：研究流体运动的一般规律。 天气学（Synoptic Meteorology）：研究大气中与天气过程演变有关的规律。 动力气象学（Dynamic Meteorology）：从理论上研究大气（特殊流体）动力过程与热力过程的规律。,动力气象学是气象学专业本科生的专业基础理论课程和主干课程，是报考气象学专业硕士研究生的必考课程。,课程性质：,主要内容： 动力气象学研究对象、任务和方法 动力气象学发展简史,一、研究对象、任务和方法,1. 研究对象：大气运动（广泛意义上） 大气运动是很复杂的，复杂性体现在运动的尺度范围（空间和时间）很宽广。大气运动无论在时间尺度上，还是在空间尺度上都具有很宽的尺度谱。,水平尺度一经确定，运动的性质就确定了,大气运动的尺度分类,不同尺度的运动系统具有不同的动力学特性。不同尺度运动系统性质差异，对天气的影响也不同。,例如：西风带中的长波具有准水平、准地转平衡性质，它对天气影响的范围较广；而强烈的局地风暴是一种小尺度强对流运动，它是非静力平衡的，垂直上升运动很强，虽然影响范围不大，但是造成的天气灾害严重。,不同尺度的运动系统之间存在着相互作用。 小尺度运动系统往往是在大尺度运动系统的背景下发生发展起来的；反过来它又对大尺度运动系统的发展和变化产生反馈作用。,*基于观测技术和手段的限制，目前动力气象学方面比较成熟与重大的研究成果主要集中在大尺度动力学方面。,本课程研究的对象：大尺度大气运动,大尺度运动的两个重要特点： 要考虑地球的自转运动考虑柯氏力作用 考虑地球大气受到重力场的作用准水平运动,总结：研究对象是，考虑地球自转的，准水平运动的中高纬度的大尺度的大气运动过程。,2、研究任务,由物理定律出发，从理论上，揭示大气运动过程的发生发展规律和机理。,3、研究方法,工具：数理基础 方法：气象问题 物理模型（大气运动所遵循的物理定律） 数学模型（基本定律的数学表达式） 求解 解释原问题。,*动力气象学中的基本假设,1、连续性假设（continuity） 表征大气运动状态和热力状态的各种物理量均是时间和空间的连续函数，且其各阶微商也连续。,2、理想气体假设（ideal gas） 把大气作为理想气体来处理，气压、密度、温度之间的关系满足理想气体的状态方程。,二、发展简史,数学和物理学的不断成熟为动力气象奠定了理论基础，同时观测和计算技术的不断发展更推动了动力气象学的进步，使其内容不断扩展。,19世纪20年代20世纪20年代 有了近代气象学外推法 1820年德国人布兰德斯利用历史资料绘成了世界上第一张天气图，这是近代气象学研究起点的标志； 1854年克里米亚战争事件真正推动天气预报业务开展 ； 20世纪30年代 欧洲学术发展兴盛： 成立了以Bjerknes为首的挪威学派，建立了现代天气学理论，天气分析和天气预报方法（极锋学说 ）。 Bjerknes将流体力学和热力学应用于大气和海洋的大尺度运动的研究中，提出了著名的环流理论 。从此动力气象学便逐步由流体力学中分离出来，形成一个独立的学科。,Historical note,20世纪60年代 动力气象迅速发展的时期 美国学术发展兴盛：芝加哥大学的Rossby动力气象学之鼻祖 1939年，他提出了长波理论，称此波为大气长波或Rossby波。 气象学中形成最主要的理论：波动理论,Rossby,C.G. (1898-1957),这一时期的主要理论成果：,地转适应理论（Rossby，1938） 行星波的能量频散理论（Rossby，叶笃正，1949） 行星波的斜压不稳定（恰尼，1947；伊台，1949）热力机制 行星波的正压不稳定（郭晓岚，1949）动力机制 大气运动的尺度分析（恰尼，1949） 数值预报理论（恰尼等，1950，麻省理工学院）动力气象大发展，成功地进行了数值预报，把前面的理论基础归结为一个简单的预报方程。,叶笃正,Charny,J.G.,General Meteorology 2007-2008,24,Electronic Numerical Integrator And Calculator (ENIAC),至今 由于观测资料的丰富，探测手段的逐步现代化，计算机和计算技术的迅速发展，数学物理学的推进，使得动力气象学正在进入一个新的发展阶段。,国家天气基本站 （530）,资料源自中国气象局,国家高空探测站 （120）,资料源自中国气象局,全国新一代天气雷达网 (126),资料源自中国气象局,气象观测系统,动力气象学的发展动向,把运动系统作为三维、瞬变、具有强迫耗散的非线性动力学系统来研究。 在研究方法上，观测分析、解析研究、数值模拟齐头并进。 为了制作准确的中长期预报和短期气候预测，更加重视海气和地气物理过程之间的相互作用。,三、学习方法,1、适当地记笔记，以帮助记忆； 2、学习中要注意： 问题的提出； 解决的方法与工具； 重要的结果及其意义； 如何应用。 3、应及时复习； 4、通过一定练习，掌握所学知识。,四、主要参考书（ References ）,杨大、刘金滨：动力气象学，1980，气象出版社； 刘式适、刘式达：大气动力学（上、下），1991，北京大学出版社； 伍荣生等：动力气象学，1983，上海科学技术出版社；1990，大气动力学，气象出版社； 吕克利等：动力气象学，1996，南京大学出版社； 霍尔顿，动力气象学引论，1980，科学出版社； An Introduction to Dynamic Meteorology (James R.Holton) 缪锦海等，动力气象学，1992，气象出版社。,五、教学安排（ Scheme of this course ）,（共64学时） 1、掌握大气运动的基本方程组； 2、重点放在大气涡旋动力学、大气