天气学第一章

天气学第一章第一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二内容简介：本课程根据天气学和动力学原理相结合的原则，以中国天气过程和天气系统为主要对象，将天气动力学基本原理、天气分析和预报方法、中国天气过程三方面的内容有机地进行结合，内容全面，物理概念清晰，深入浅出，循序渐进，是适用于高等院校气象专业及相关专业的大学本科通用。第二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二主要参考书1.天气学，南京大学出版社，1988，林元弼2.中国之暴雨，科学出版社，1980，陶诗言3.中国主要天气过程的分析，气象出版社，1997，寿绍文第三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第一章大气运动的基本特征第二章气团与锋第三章气旋与反气旋第四章大气环流第五章天气形势及天气预报第六章寒潮天气过程第七章大型降水天气过程第八章对流天气过程第九章低纬天气过程第十章东亚季风环流第十一章天气诊断分析第四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第一章大气运动的基本特征地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。对气象上有意义的是：将这些物理定律应用于相对于自转地球的大气运动。第五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二坐标系空间固定（绝对、惯性）坐标系旋转（相对、移动、非惯性、局地直角）坐标系Z坐标系，P坐标系，球坐标系第六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二§1.1影响大气运动的作用力牛顿第二运动学定律：

力真实力(基本力,牛顿力，在空间固定、绝对坐标系中):

气压梯度力、地心引力、摩擦力

非真实力（视示力、外观力，在旋转坐标系中）：

惯性离心力、地转偏向力第七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二

一、基本作用力（真实力）1.气压梯度力

第八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二气压梯度力当气压分布不均匀时，单位质量气块上受到的净压力称为气压梯度力第十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二

pδyδz-(p+əp/əxּδx)δyδz

=-əp/əxδxδyδz

x方向第十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二

沿Y方向

pδxδz-(p+əp/əyδy)δxδz

=-əp/əyδxδyδz

沿Z方向pδxδy-(p+əp/əzּδz)δxδy

=-əp/əzδxδyδz第十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二pδyδz-(p+əp/əxּδx)δyδz

=-əp/əxδxδyδz

pδxδz-(p+əp/əyδy)δxδz

=-əp/əyδxδyδzpδxδy-(p+əp/əzּδz)δxδy

=-əp/əzδxδyδz第十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二pδyδz-(p+əp/əxּδx)=-əp/əxּδxδyδz

pδxδz-(p+əp/əyּδy)=-əp/əyּδxδyδz

pδxδy-(p+əp/əzּδz)=-əp/əzּδxδyδz

第十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二●

-▽p为气压梯度，由气压分布不均匀造成●G的大小与ρ成反比，与▽p的大小成正比●G的方向与与▽p的方向相反,即G由高压指向低压单位质量空气的气压梯度力第十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二2.地心引力第十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二地球对大气的引力大小：方向：指向地心第十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二3.摩擦力

-----单位质量空气所受到的净粘滞力

粘滞力是由分子不规则运动引起的动量交换（传递）第十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第二十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二

粘滞力与风速垂直切变成正比单位面积粘滞力（切应力，雷诺应力）第二十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二单位质量空气净粘滞力（X分量）净第二十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二单位质量空气净粘滞力（Y分量）第二十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二单位质量空气净粘滞力（Z分量）第二十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二总摩擦力为：第二十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二摩擦力是由风随高度的非线性变化引起近似地有第二十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二●摩擦力与风垂直切变的垂直变化成正比●风垂直切变的垂直变化为正时，摩擦力指向正向，摩擦力使气块在正向加速●风垂直切变的垂直变化为负时，摩擦力指向负向，摩擦力使气块在负向加速●大气为低粘性流体，一般只在行星边界层（摩擦层）考虑摩擦作用，自由大气中则忽略摩擦作用第二十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二二、视示力由旋转坐标系的加速作用而假想的力（惯性离心力、地转偏向力）第二十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二1.惯性离心力在旋转坐标系中引入的,与向心力相平衡(大小相等,方向相反)的力,称为惯性离心力。它不是一种真实力,而是由于站在非惯性坐标系中观察运动,而又企图用牛顿第二定律解释它的结果第二十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第三十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二C=Ω2R向心力与惯性离心力第三十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二惯性离心力C=Ω2RΩ=2p/24小时=7.29×10-5秒-1●惯性离心力大小与Ω平方成正比,与纬圈半径成正比,方向由地轴指向外.第三十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二2.地转偏向力(科氏力）为了解释用旋转坐标系作为参考系观察空气运动时所呈现的相对于旋转坐标系的偏向加速度而引进的一种视示力称为地转偏向力第三十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第三十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第三十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第三十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第三十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第三十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第三十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二讨论：地转偏向力的大小？什么是水平地转偏向力？地转偏向力（大小方向）与速度矢量的关系？地转偏向力与角速度矢量的关系？南北半球地转偏向力方向为何不同？第四十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二地转偏向力的大小：地转偏向力(A)的大小与相对速度|V|成正比（因角速度为常数）第四十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二水平地转偏向力大气中Az较小，垂直速度一般也较小，气块主要受Ax（2Ωvsinφ)、Ay(-2Ωusinφ)

（水平地转偏向力）影响，第四十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二地转偏向力（大小方向）与速度矢量的关系：当|V|=0时，A=0，只有在做相对运动时，A才存在。A与V垂直，只能改变气块的运动方向，不能改变其大小。在不考虑w和Az的情况下，在北半球地转偏向力时运动方向右偏，在南半球地转偏向力时运动方向左偏。第四十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二地转偏向力与角速度矢量的关系？地转偏向力与角速度矢量垂直，角速度矢量与赤道平面垂直，所以，地转偏向力在赤道平面内。第四十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二向西的地转偏向力角速度风向第四十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二风空气的水平运动称为风，它是一个矢量风向：风的来向U表示东西方向的风，U>0为西风，U<0为东风V表示南北方向的风，V>0为南风，V<0为北风W表示垂直方向的风，W>0表示上升运动，W<0表示下沉运动第四十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二3.重力第四十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二因地球为椭球体，重力与地面垂直，无指向赤道的分量重力在赤道最小，极地最大纬度45度海平面的重力加速度为g=9.806m/s2第四十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二1、站在转动的地球上观测单位质量空气所受到力有哪些？各作用力定义、表达式及意义如何？2、地转偏向力与水平地转偏向力有何相同与不同？3、柯氏力是怎样产生的，与速度的关系如何，南北半球有何区别4、惯性离心力是如何产生的，如无地球自转，此力存在否？5、重力方向如何？与等高面是否垂直？海平面上重力如何？第四十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二§1.2控制大气运动的基本定律动量守恒质量守恒能量守恒第五十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二一、全导数与局地导数的关系个别变化局地变化平流变化第五十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二二、旋转坐标系中的大气运动方程第五十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第五十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二局地直角坐标系中的大气运动控制方程运动方程：第五十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二三、连续方程连续方程由质量守恒定律推出：第五十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二δxδyδzδt时间内流入的质量：ρuδtδyδzδt时间内流出的质量：ρuδtδyδz+әρu/әxδxδyδzδt第五十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二净流入量=流入量-流出量之差：X方向的净流入量：第五十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二同理可得：Y方向：第五十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二Z方向：第五十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二整个立方体的净流入量：：第六十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二小立方体的质量为ρδxδyδz，在δt时间内质量的变化为：（1）=（2）第六十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二由（1.34）可推出：第六十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二流体为不可压缩时，即密度不变：第六十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二流体为不可压缩时，连续方程变为：第六十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二四、状态方程P=ρRT第六十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二五、热力学能量方程：热力学第一定律：系统的内能变化等于加入系统的热量于系统对环境作功之差。压力对单位质量空气的作功率；此式代表了热能和机械能之间的转换，反映了大气动力过程与热力过程的相互联系。正是这种相互联系和转换过程使得太阳能可以驱动大气运动。第六十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二§1.3大尺度运动系统的控制方程

一、尺度分析和大气运动系统的分类1.尺度分析定义：尺度分析是针对某种类型的运动估计基本方程各项量级的一种简便方法。

本章尺度分析的目的：对基本方程进行简化，从而得到大尺度系统的控制方程简化要领：保留大项，略去小项第六十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二2.尺度分析的步骤（1）确定方程中各场变量的特征值特征值或特征尺度：表示特定类型的运动（如大尺度运动或中小尺度运动）的空间范围和时间区间的物理量或其他特性的一种尺度。（2）用特征值比较方程中各项的大小例：第六十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二3.大气运动系统的分类行星尺度大尺度（天气尺度）中尺度对流或小尺度104km103km102km10km第六十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第七十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二4.大尺度系统的各场变量的特征尺度V～10m/s(u,v)t～L/V～105s-1

W～10-2m/s2Ωsinφ0=2Ωcosφ0

=f0=10-4s-1

L～106mν～10-5m2s-1(粘滞系数)H～104mg～10ms-2T～102KδhT～10KΔp/ρ～103m2s-2

γd

-γ～3×10-3Km-1R=2.87×102m2/(s2K)δp/p～10-2Cp=1004m2s-2K-1R/Cp～0.29Δhρ=10-2103gm-3ρ～103gm-31hPa=102103gm-1s-2第七十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二二、基本方程的简化方法1.零级简化方程零级简化：保留方程中数量级最大的各项，而其他项都略去不计。2.一级简化方程一级简化：除保留方程中数量级最大的各项外，还保留比最大项小一个量的各项。第七十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二水平运动方程的尺度分析X分量2第七十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二零级简化方程：第七十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二三、大尺度系统运动方程由表1.4～1.7得来第七十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二§1.4P坐标系中的基本方程组一、位势和位势高度二、P和Z坐标转换关系三、P坐标系的连续方程四、P坐标系的运动方程五、P坐标系的的热力学能量方程六、P坐标系中的大气运动基本方程组第七十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二一.位势、位势米、位势高度位势（重力位势，geopotential):单位质量空气从海平面上升到高度Z克服重力作的功00Z第七十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二当Z=1米时，f=9.8焦耳/千克，定义：1位势米=9.8焦耳/千克，并定义为位势高度第七十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二极地赤道等位势面等高面重力小重力大第七十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第八十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二

(x,y,z,t)(x,y,p,t)xyZ,-PP=rRT,r=P/RT第八十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二二.P坐标系与Z坐标系的转换关系

Z坐标系（x,y,z,t)P坐标系（x,y,p,t)P=rRT,r=P/RT第八十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二W=dz/dtω=dp/dt第八十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二XZ,-ppP+dpABCdxdz,dpF第八十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第八十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二设F=Z,并利用静力平衡方程dp=-rgdz代入（1.59）-(1/r)(∂p/∂x)z=g(∂z/∂x)p=(∂

f/∂x)p第八十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第八十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第八十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二§1.5风场和气压场的关系一.地转风二.梯度风三.热成风四.偏差风第八十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二-（1/ρ）∂

P/∂

y-2Ωusinφ=0-（1/ρ）∂P/∂

x+2Ωvsinφ=0零级近似一.地转风第九十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二-（1/ρ）∂P/∂

y-fu=0-（1/ρ）∂

P/∂

x+fv=0f=2Ωsinφfu=-(1/ρ)∂P/∂y,u=-(1/fρ)

∂P/∂yfv=(1/ρ)∂P/∂x,v=(1/fρ)∂P/∂x-（1/ρ）∂P/∂

x+2Ωvsinφ=0-（1/ρ）∂P/∂

y-2Ωusinφ=0第九十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二Vg高压低压A-(1/r)▽p第九十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第九十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第九十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二讨论：地转风性质(1)地转风是在不考虑摩擦力、加速度以及垂直速度的条件下，水平方向上气压梯度力与地转偏向力相平衡(地转平衡)时的大气运动(即自由大气水平匀速直线运动)

地转风是对中纬度自由大气中大尺度系统中水平气流的一种近似（一般两者相差30%以下）(2)地转风的大小与水平气压梯度力大小成正比,即与水平气压(位势)梯度大小成正比例：等压面图上气压梯度力与等高线和风速的关系第九十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二讨论：地转风性质(3)地转风的大小与地转参数f的大小成反比,即与纬度高低成反比在赤道上=0地转平衡不成立。无科氏力存在。(4)地转风的水平散度=0(5)地转风方向与等压(高)线相平行,在北半球,背风而立高压在右,低压在左;南半球相反,背风而立高压在左,低压在右.第九十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第九十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二二.热成风热成风的概念热成风与冷暖平流中纬度系统的温压场结构正压大气与斜压大气第九十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二1.热成风的概念地转风随高度的变化叫做热成风XY-PVg1Vg0P1,Z1P0,Z0第九十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二冷暖XZ第一百页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二2.热成风与冷暖平流风随高度顺时针变化-----暖平流风随高度逆时针变化-----冷平流暖冷暖Vg下Vg上冷Vg下Vg上第一百零一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第一百零二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二3中纬度系统的温压场结构第一百零三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第一百零四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二3.正压大气与斜压大气正压大气密度仅为气压的函数等压面即等密度面或等温面,等压面上温度梯度为零ρ=ρ（p）地转风不随高度变化斜压大气密度是气压和温度的函数ρ=ρ（p，T）等压面与等密度面或等温面相交,等压面上温度梯度不为零地转风随高度变化,有热成风第一百零五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二三.梯度风

在水平运动方程中，除考虑气压梯度力和水平地转偏向力外，并考虑向心加速度（或惯性离心力）时的大气运动为梯度风

1.自然坐标第一百零六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二sn自然坐标第一百零七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第一百零八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第一百零九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二--dqdqdtdsRTtt+dtdq=ds/RT=dtdt/ds=n/RT由弧长=半径×角度得来-切向加速度,法向加速度第一百一十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二-第一百一十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二DGD×√√大尺度系统第一百一十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二小尺度系统DG第一百一十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二四.偏差风

1.地转偏差第一百一十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二2.摩擦层中的地转偏差摩擦力加速度第一百一十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二低高FAGVVgD地转偏差指向摩擦力方向右侧北半球,摩擦层中,风向偏向低压第一百一十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二北半球,摩擦层中,风向偏向低压

低高第一百一十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二3.自由大气中的地转偏差

加速度引起的地转偏差D第一百一十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二自由大气中的地转偏差：当气压梯度力和地转偏向力不平衡时，产生加速度地转偏差垂直于加速度的方向，并指向加速度方向的左方(图1.35)，其大小为：第一百一十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二变压风：由变高(或变压)梯度表示的地转偏差自然坐标系下的地转偏差第一百二十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二（1）变压风-2-10D1aD1与变压(高)梯度大小成正比,与变压(高)梯度的方向一致第一百二十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二变压风---

+第一百二十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二2.法向(横向）偏差切向（纵向）偏差第一百二十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二法向偏差高压低压VVgDa沿流线方向风速分布不均匀时会产生法向的地转偏差第一百二十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二第一百二十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期二槽前后地转偏差的分布第一百二十六页，共一百三十一页，编辑于202