天气学原理-第一章

1、天气学原理和方法天气学原理和方法第一章第一章 大气运动的基本特征大气运动的基本特征 章节内容章节内容1 1 影响大气运动的作用力影响大气运动的作用力2 2 控制大气运动的基本定律控制大气运动的基本定律3 3 大尺度运动系统的控制方程大尺度运动系统的控制方程4 4 “P P”坐标系中的基本方程组坐标系中的基本方程组5 5 风场和气压场地关系风场和气压场地关系本章要点本章要点1. 1.气压梯度力、地心引力、摩擦力、惯性离心力、地转偏向力气压梯度力、地心引力、摩擦力、惯性离心力、地转偏向力的定义、表达式和意义的定义、表达式和意义 2. 2.大尺度系统的运动方程的简化方程式（一级、大尺度系统的运动方程

2、的简化方程式（一级、零级零级 z z系、系、p p系）系） 3. 3.关于静力学方程，连续方程，热力学方程的方程式关于静力学方程，连续方程，热力学方程的方程式 和意义；速度散度的表达式和意义和意义；速度散度的表达式和意义 4. 4.大气运动系统的分类与尺度大气运动系统的分类与尺度 5. 5.地转风地转风、梯度风、梯度风、热成风热成风的定义、表达式、意义的定义、表达式、意义 6. 6.热成风与冷暖平流的关系热成风与冷暖平流的关系 7. 7.中纬度系统的温压场结构特点中纬度系统的温压场结构特点 8. 8.地转偏差的定义地转偏差的定义 9. 9.摩擦层中、自由大气中的地转偏差的概念、表达式和意义摩擦

3、层中、自由大气中的地转偏差的概念、表达式和意义4 4知识点知识点第第1 1节节 影响大气运动的作用力影响大气运动的作用力作用于大气真实的力（基本力或牛顿力）：作用于大气真实的力（基本力或牛顿力）：气压梯度力气压梯度力地心引力地心引力摩擦力摩擦力考虑到地球自转的视示力（外观力）：考虑到地球自转的视示力（外观力）：惯性离心力惯性离心力地转偏向力（科里奥利力）地转偏向力（科里奥利力）重力（地心引力和惯性离心力的合力）重力（地心引力和惯性离心力的合力）5 5一一 . .气压梯度力气压梯度力 作用于单位质量气块上的的净压力称为作用于单位质量气块上的的净压力称为气压梯度力气压梯度力。 6 6气压梯度力的讨

4、论：气压梯度力的讨论：1.1.气压梯度力是由气压分布不均匀引起的。气压梯度力是由气压分布不均匀引起的。 2.2.气压梯度力的方向指向气压梯度力的方向指向 的方向，即由高的方向，即由高压指向低压，垂直于等压线。压指向低压，垂直于等压线。3.3.气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比，即等压线越密集，气压梯度气密度成反比，即等压线越密集，气压梯度越大。越大。 在同样的气压梯度下，高处的风就比在同样的气压梯度下，高处的风就比低处的风大，因为高空的密度小。低处的风大，因为高空的密度小。4. 4. 水平气压梯度力水平气压梯度力 比垂直气压梯度力小很多。比

5、垂直气压梯度力小很多。 kzPjyPixPPz y xz y x PG 117 7补充：气压梯度指单位距离间的气压差。补充：气压梯度指单位距离间的气压差。 水平方向水平方向: 100 km : 100 km 相差相差1hPa1hPa 垂直方向垂直方向: 8-10 m : 8-10 m 相差相差1hPa1hPa 1000hPa850hPa 1000hPa850hPa 平均相差平均相差1500m1500m 但由于向上的气压梯度力与向下的重力达到但由于向上的气压梯度力与向下的重力达到准静准静力平衡力平衡，所以虽然垂直方向上的气压梯度力大，但，所以虽然垂直方向上的气压梯度力大，但运动不明显。运动不明显

6、。而水平方向上力虽小但运动明显，故大气基本而水平方向上力虽小但运动明显，故大气基本上是准水平运动。上是准水平运动。8 8万有引力：地球对单位质量空气的引力：(地球半径为a，质量为M，空气块质量为m，离地高度为z，G为引力常数，r的方向由M指向m) 二、地心引力9 9因为 ： 所以 ： 海平面的地心引力（常数） 1010单位质量空气块所受到的净粘滞力称摩擦力。 （为摩擦系数）三、三、 摩擦力摩擦力1111摩擦力的简化形式： 四、惯性离心力四、惯性离心力 向心力向心加速度 惯性离心力 1313讨论： 1. 的方向垂直于地轴，指向地球外侧。 2. 的大小随纬度变化：赤道最大，极地最小。 3. 地球自

7、转角速度=2/24小时=7.2910-5 /秒 . 4. 地表上每个静止物体均受到惯性离心力的影响。 1414另：重力另：重力 地心引力与惯性离心力的合力，称为重力。地心引力与惯性离心力的合力，称为重力。1515讨论：1、 的方向除赤道和极地外，均不指向地心。 由于地球为椭圆，地球上重力垂直于当地水平面，向下2、重力的大小随纬度变化，极地最大，赤道最小，一般用45纬度海平面重力值= = 9.806m/s2 1616五、地转偏向力（科里奥利力）五、地转偏向力（科里奥利力）空气块相对旋转坐标系有偏向加速度偏向加速度，而引入地转偏向力。 方向：垂直于 与 组成的平面，指向运动方向右侧 大小： 171

8、71818令则有 1 1、运动的物体受地转偏向力的作用（、运动的物体受地转偏向力的作用（静止时静止时为为0 0）。）。 2 2、 与与 相垂直，且相垂直，且 在纬圈的平面内。在纬圈的平面内。 3 3、 与与 相垂直，地转偏向力垂直于运动方相垂直，地转偏向力垂直于运动方向，只改变空气块的运动方向，不改变其速向，只改变空气块的运动方向，不改变其速度大小。度大小。在北半球地转偏向力指向运动方向在北半球地转偏向力指向运动方向右侧右侧，南半球则相反。，南半球则相反。 4 4、水平地转偏向力大小与风速成正比，与纬水平地转偏向力大小与风速成正比，与纬度的正弦成正比度的正弦成正比。即风速越大偏向力越大，。即风

9、速越大偏向力越大，高纬度的偏向力大高纬度的偏向力大 ，低纬度的偏向力小。，低纬度的偏向力小。 讨论： 2020综上所述，单位质量空气加速度旋转坐标系的大气运动方程为：（g为重力，即惯性离心力和地心引力的合力）2121第第2 2节节 控制大气运动的基本定律控制大气运动的基本定律大气运动受大气运动受质量守恒，动量守恒和能量守恒质量守恒，动量守恒和能量守恒等基本物理定律等基本物理定律所控制。所控制。补充：个别变化、局地变化2525一、静力学方程仅讨论垂直方向 静力学方程 压高公式表明两层等压面之间的厚度与其间平均温度成正比 即 暖区：厚度大 冷区：厚度小2626讨论: 1.气压气流的三类垂直结构 a

10、.深厚对称系统底层：暖-高，冷-低 b.浅薄对称系统底层：暖-低，冷-高 c.温压场不对称系统 随高度升高，高压中心轴线向暖区倾斜 随高度升高，低压中心轴线向冷区倾斜27272.暖平流有利于高层高压或低层低压发展 冷平流有利于低层高压或高层低压发展3.极地和赤道的天气系统 极地：低层冷高压，高层冷低压 赤道：低层暖低压，高层暖高压2828二、连续方程 表示大气质量守恒的数学表达式。 2929讨论: 1，速度散度的意义 表示流体在单位时间内体积的相表示流体在单位时间内体积的相对膨胀率。对膨胀率。 称为速度散度 ，其中 为比容 3030单位时间质量 的变化率 单位时间体积的变化率 31312. 水

11、平速度散度和垂直速度的关系 对不可压缩大气有 即 则 根据公式：根据公式： 大气的水平辐散减弱了大气的上升运动大气的水平辐散减弱了大气的上升运动 大气的水平辐合增强了大气的上升运动大气的水平辐合增强了大气的上升运动 0V 3232 3. “P”坐标系的连续方程 “P系”完整的连续方程比“z系”连续方程简单，无密度项 3333三、热力学能量方程三、热力学能量方程 1. 热力学能量方程普遍形式 单位质量加热率 34342，大尺度系统的简化热力学能量方程 一级简化: 上式表示局地（固定点）温度变化是由温度平流、稳定度和垂直运动绝热变化的乘积及非绝热作用造成 零级简化: 上式表示大尺度系统中的局地（固

12、定点）温度变化是由温度平流和非绝热作用造成3535第第3 3节节 大尺度运动系统的控制方程大尺度运动系统的控制方程一.标准坐标系的运动方程(局地直角坐标系或旋转坐标系) 分量形式：12dVpVgFdt 12sin2cos12sin12cosxyzdupwFdtxdvpuFdtydwpugFdtz 37371.1.尺度简化尺度简化大气运动系统的大气运动系统的分类分类 水平尺度水平尺度( (水平范围所占有的空间水平范围所占有的空间) ) 时间尺度时间尺度 行星尺度 104 km 周 大尺度 103 km 几天 中尺度 102 km 1天 小尺度10 km 几小时 不同尺度对应不同的天气系统。不同尺

13、度对应不同的天气系统。2.大尺度系统的简化方程 一级简化方程(最大项，次大项) 2sinf 1110d upfvd txd vpfud typgx 3939零级简化方程(最大项)gzpfuypfvxp1010104040大尺度运动系统的特征大尺度运动系统的特征( (中高纬中高纬): ):1.准水平 0 2.准静力平衡 3.准地转 地转偏向力与气压梯度力相平衡4.自由大气 F0 第第4 4节节 “P P”坐标系中的基本方程组坐标系中的基本方程组P坐标系的运动方程 z坐标系：(x，y，z，t)来表示空间点的位置 p坐标系：(x，y，p，t)来表示空间点的位置 等压面图的高度单位(位势高度) 重力位

14、势（位势）单位质量物体（空气）由海平面上升到z高 度时，克服重力所做的功。表达式: 单位：焦耳/千克 g=const “p”坐标系的运动方程 一级简化: 零级简化:4444等压面分析比等高面分析有哪些优越性？ 实际工作中，不观测空气密度（）。在等压面分析中，研究大气运动不需要空气密度。等压面分析中计算地转风简单（不涉及）。另外等压面分析中，上下两层地转风可以进行比较，仅决定于等高线的疏密确定地转风大小，而等高面分析上下两层地转风无法比较，涉及到的变化。等压面分析计算水平气压梯度力简单（不涉及）。等压面分析水平散度简单，取决于垂直运动分布（不涉及）。 4545垂直速度: z系: p系 : 关系式

15、 上升运动: w0 0 下沉运动: w0“P”坐标系中大气运动基本方程组4747 第第5 5节节 风场和气压场的关系风场和气压场的关系4848一一 、地转风、地转风地转平衡：对中纬度天气尺度运动，在水平方向上地转偏向力与气压梯度力平衡。地转风：是水平地转偏向力和水平地转梯度力平衡条件下，空气沿着平行等压线的水平直线运动。 4949“Z”坐标系的地转风： 地转风分量形式 地转风矢量形式5050“P”坐标系的地转风： 分量形式 矢量形式5151讨论：讨论：1、地转平衡的条件：自由大气中纬度范围气流呈水平（无垂直）直线（无弯曲）运动无摩擦2、地转风的方向：平行于等压线，在北半球背风而立高压在右，低压

16、在左，南半球相反。3、地转风风速大小与水平气压梯度成正比，等压线越密集，地转风越大；与纬度成反比，相同的水平气压梯度力，高纬风小，低纬风大。风速相同，在低纬的等高线应比高纬的等高线分析得稀疏些。4、 地转风散度为零 5 5、地转平衡只能看成是一种近似关系，绝对的地转、地转平衡只能看成是一种近似关系，绝对的地转平衡并不存在。平衡并不存在。6 6、赤道水平地转偏向力等于零，不可能建立地转平、赤道水平地转偏向力等于零，不可能建立地转平衡，也不存在地转风。低纬地区地转风原理不能应衡，也不存在地转风。低纬地区地转风原理不能应用。用。5353二、梯度风二、梯度风梯度风是气压梯度力，地转偏向力，惯性离气压梯

17、度力，地转偏向力，惯性离心力心力三力平衡时，空气沿等压线的曲线运动或气压梯度力与地转偏向力不平衡时沿弯曲等压线的运动。天气图应用高压中心位置标注在反气旋环流中心低压中心位置标注在气旋环流中心低压：越向中心，风越大，气旋中心等压线密集高压：越向边缘，风越大，高压中心等压线稀疏气旋性环流风速和气压梯度可无限增大反气旋性环流风速和气压梯度不可无限增大为什么气旋中心为低压，反气旋中心为高压？ P41-42 5555梯度风与地转风的比较:气旋性环流中，地转风速梯度风速反气旋性环流中，地转风速梯度风速(最大梯度风为地转风的2倍) 5656三三 、热成风、热成风地转风随高度的改变量称热成风，即上下两层地转风

18、之差。21tggVVV 12lntmPRVkTfP 5757讨论：讨论：1 1、热成风与等平均温度线平行，背热成风而立，高温、热成风与等平均温度线平行，背热成风而立，高温在右，低温在左。在右，低温在左。 2 2、热成风风速大小与平均温度梯度成正比，与纬度成、热成风风速大小与平均温度梯度成正比，与纬度成反比，等温线越密集热成风越大。反比，等温线越密集热成风越大。 3 3、热成风与冷暖平流、热成风与冷暖平流 地转风随高度逆转时气层中有冷平流 地转风随高度顺转时气层中有暖平流58585959中纬度系统的温压结构（根据成风原理）中纬度系统的温压结构（根据成风原理） 1）中纬度对流层中，温度分布北冷南暖

19、 所以高层为西风气流，且高度越高，西风越大 2）地面闭合高压和低压系统在高空转变为西风气流的波状槽脊。 3）中纬度系统的温压场结构的基本特征。地面低压中心 位于高空槽前脊后地面高压中心 位于高空槽后脊前高空温度槽脊落后于气压槽脊61616262四、地转偏差 实际风与地转风的偏差称为地转偏差。gDVVgVVD gVVDD 63631.摩擦层中的地转偏差 摩擦层中的实际风是：气压梯度力，地转偏向力和摩擦力三力平衡的空气运动 1gDVVkFf 6464 讨论: 地转偏差与摩擦力垂直并指向摩擦力方向右侧右侧。 摩擦力的作用使实际风速减小，风向向低压一侧偏转。 实际风向与地转风交角： 统计结果 风向偏角 陆地 3545% 3545度 海上 6