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文檔簡介

天氣學(xué)原理

丁治英2010年9月4日7:30水汽圖本教材內(nèi)容簡介:本教材根據(jù)天氣學(xué)和動力學(xué)原理相結(jié)合的原則,以中國天氣過程和天氣系統(tǒng)為主要對象,將天氣動力學(xué)基本原理、天氣分析和預(yù)報方法、中國天氣過程三方面的內(nèi)容有機地進行結(jié)合,內(nèi)容全面,物理概念清晰,深入淺出,循序漸進。主要參考書1.天氣學(xué),南京大學(xué)出版社,1988,林元弼2.中國之暴雨,科學(xué)出版社,1980,陶詩言3.中國主要天氣過程的分析,氣象出版社,1997,壽紹文緒論一、天氣學(xué)的研究內(nèi)容及目的天氣學(xué)是研究不同尺度的天氣系統(tǒng)和天氣現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展及其變化的基本規(guī)律,并利用這些規(guī)律來預(yù)測未來天氣的科學(xué)。利用天氣學(xué)的基本原理,提高預(yù)報的準確率,研究并發(fā)展天氣預(yù)報方法,是天氣學(xué)的最終目的。二、天氣學(xué)的發(fā)展

(1)古代天氣預(yù)報公元前650年古巴比倫;我國公元前340年、節(jié)氣等(2)近代17世紀利用科學(xué)儀器來測量氣象要素并利用氣象要素進行天氣預(yù)報(單站預(yù)報的開始)1851年,英國首先繪制了世界上第一張地面天氣圖(地面天氣圖預(yù)報的開始)1856年法國成立了世界上第一個天氣預(yù)報系統(tǒng)單站與天氣圖預(yù)報結(jié)合階段20世紀20年代氣團學(xué)說和極鋒理論的提出20世紀30年代高空天氣圖的引入與波動理論的建立階段20世紀40年代后期雷達的應(yīng)用20世紀50年代動力氣象學(xué)原理、數(shù)學(xué)物理方法、統(tǒng)計學(xué)方法等應(yīng)用于天氣預(yù)報20世紀60年代衛(wèi)星探測彌補了海洋、沙漠、和高原地區(qū)氣象資料不足的缺陷20世紀70年代數(shù)值預(yù)報開始發(fā)展為開展數(shù)值天氣預(yù)報的研究和應(yīng)用階段目前數(shù)值預(yù)報與衛(wèi)星、雷達等先進探測技術(shù)結(jié)合應(yīng)用階段第一章大氣運動的基本特征第二章氣團與鋒第三章氣旋與反氣旋第四章大氣環(huán)流第五章天氣形勢及天氣預(yù)報三、本課程主要內(nèi)容:第一章大氣運動的基本特征

地球大氣的各種天氣現(xiàn)象和天氣變化都與大氣運動有關(guān)。大氣運動受質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。對氣象上有意義的是:將這些物理定律應(yīng)用于相對于自轉(zhuǎn)地球的大氣運動。坐標系空間固定(絕對、慣性)坐標系旋轉(zhuǎn)(相對、移動、非慣性、局地直角)坐標系Z坐標系,P坐標系,球坐標系§1.1影響大氣運動的作用力牛頓第二運動學(xué)定律:

力真實力(基本力,牛頓力)在空間固定、絕對坐標系中::氣壓梯度力、地心引力、摩擦力

非真實力(視示力、外觀力)在旋轉(zhuǎn)坐標系中:慣性離心力、地轉(zhuǎn)偏向力天氣學(xué)中一般考慮單位質(zhì)量的大氣所受到的力

一、基本作用力(真實力)

1.氣壓梯度力

氣壓梯度力當氣壓分布不均勻時,單位質(zhì)量氣塊上受到的凈壓力稱為氣壓梯度力

x方向

pδyδz-(p+?p/?x?δx)δyδz

=-?p/?xδxδyδz

沿Y方向

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沿Z方向

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-▽p為氣壓梯度,由氣壓分布不均勻造成●G的大小與ρ成反比,與▽p的大小成正比●G的方向與與▽p的方向相反,即G由高壓指向低壓單位質(zhì)量空氣的氣壓梯度力2.地心引力地球?qū)Υ髿獾囊Υ笮。悍较颍褐赶虻匦?.摩擦力

---單位質(zhì)量空氣所受到的凈粘滯力

粘滯力是由分子不規(guī)則運動引起的動量交換(傳遞)

粘滯力與風速垂直切變及面積成正比單位面積粘滯力(切應(yīng)力,雷諾應(yīng)力)單位質(zhì)量空氣凈粘滯力(X分量)凈粘滯力:單位質(zhì)量空氣凈粘滯力(Y分量)同理可得:單位質(zhì)量空氣凈粘滯力(Z分量)考慮各面上的總摩擦力為:摩擦力是由風隨高度的非線性變化引起近似地有:●摩擦力與風垂直切變的垂直變化成正比●風垂直切變的垂直變化為正時,摩擦力指向正向,摩擦力使氣塊在正向加速●風垂直切變的垂直變化為負時,摩擦力指向負向,摩擦力使氣塊在負向加速●大氣為低粘性流體,一般只在行星邊界層(摩擦層)考慮摩擦作用,自由大氣中則忽略摩擦作用二、視示力由旋轉(zhuǎn)坐標系的加速作用而假想的力(慣性離心力、地轉(zhuǎn)偏向力)1.慣性離心力在旋轉(zhuǎn)坐標系中引入的,與向心力相平衡(大小相等,方向相反)的力,稱為慣性離心力。它不是一種真實力,而是由于站在非慣性坐標系中觀察運動,而又企圖用牛頓第二定律解釋它的結(jié)果C=Ω2R向心力與慣性離心力慣性離心力C=Ω2RΩ=2п/24小時=7.29×10-5秒-1●慣性離心力大小與Ω平方成正比,與緯圈半徑成正比,方向由地軸指向外.2.地轉(zhuǎn)偏向力(科氏力)為了解釋用旋轉(zhuǎn)坐標系作為參考系觀察空氣運動時所呈現(xiàn)的相對于旋轉(zhuǎn)坐標系的偏向加速度而引進的一種視示力稱為地轉(zhuǎn)偏向力旋轉(zhuǎn)分解后要注意每個矢量的旋轉(zhuǎn)方向討論:地轉(zhuǎn)偏向力的大?。渴裁词撬降剞D(zhuǎn)偏向力?地轉(zhuǎn)偏向力(大小方向)與速度矢量的關(guān)系?地轉(zhuǎn)偏向力與角速度矢量的關(guān)系?南北半球地轉(zhuǎn)偏向力方向為何不同?地轉(zhuǎn)偏向力的大?。旱剞D(zhuǎn)偏向力(A)的大小與相對速度|V|成正比(因角速度為常數(shù))水平地轉(zhuǎn)偏向力大氣中Az較小,垂直速度一般也較小,氣塊主要受Ax(2Ωvsinφ)、Ay(-2Ωusinφ)(水平地轉(zhuǎn)偏向力)影響,地轉(zhuǎn)偏向力(大小方向)與速度矢量的關(guān)系:當|V|=0時,A=0,只有在做相對運動時,A才存在。A與V垂直,只能改變氣塊的運動方向,不能改變其大小。在不考慮w和Az的情況下,在北半球地轉(zhuǎn)偏向力使運動方向右偏,在南半球地轉(zhuǎn)偏向力使運動方向左偏。向西的地轉(zhuǎn)偏向力角速度風向地轉(zhuǎn)偏向力與角速度矢量的關(guān)系?地轉(zhuǎn)偏向力與角速度矢量垂直,角速度矢量與赤道平面垂直,所以,地轉(zhuǎn)偏向力在赤道平面內(nèi)。風空氣的水平運動稱為風,它是一個矢量風向:風的來向U表示東西方向的風,U>0為西風,U<0為東風V表示南北方向的風,V>0為南風,V<0為北風W表示垂直方向的風,W>0表示上升運動,W<0表示下沉運動3.重力因地球為橢球體,重力與水平面垂直,無指向赤道的分量重力在赤道最小,極地最大緯度45度海平面的重力加速度為g=9.806m/s21、站在轉(zhuǎn)動的地球上觀測單位質(zhì)量空氣所受到力有哪些?各作用力定義、表達式及意義如何?2、地轉(zhuǎn)偏向力與水平地轉(zhuǎn)偏向力有何相同與不同?3、柯氏力是怎樣產(chǎn)生的,與速度的關(guān)系如何,南北半球有何區(qū)別?4、慣性離心力是如何產(chǎn)生的,如無地球自轉(zhuǎn),此力存在否?5、重力方向如何?與等高面是否垂直?海平面上重力如何?§1.2控制大氣運動的基本定律動量守恒質(zhì)量守恒能量守恒一、全導(dǎo)數(shù)與局地導(dǎo)數(shù)的關(guān)系個別變化局地變化平流變化二、旋轉(zhuǎn)坐標系中的大氣運動方程局地直角坐標系中的大氣運動控制方程運動方程:三、連續(xù)方程連續(xù)方程由質(zhì)量守恒定律推出:在固定的幾何空間中,流體的質(zhì)量變化取決于流體從四周流入、流出質(zhì)量之差(凈流量)δxδyδzδt時間內(nèi)流入的質(zhì)量:ρuδtδyδzδt時間內(nèi)流出的質(zhì)量:ρuδtδyδz+?ρu/?xδxδyδzδt凈流入量=流入量-流出量之差:X方向的凈流入量:同理可得:Y方向:Z方向:整個立方體的凈流入量:小立方體的質(zhì)量為ρδxδyδz,在δt時間內(nèi)質(zhì)量的變化為:(1)=(2)由(1.34)可推出:流體為不可壓縮時,即密度不變:流體為不可壓縮時,連續(xù)方程變?yōu)椋毫黧w為不可壓縮時,連續(xù)方程變?yōu)椋核?、狀態(tài)方程P=ρRT五、熱力學(xué)能量方程:熱力學(xué)第一定律:系統(tǒng)的內(nèi)能變化等于加入系統(tǒng)的熱量于系統(tǒng)對環(huán)境作功之差。壓力對單位質(zhì)量空氣的作功率;此式代表了熱能和機械能之間的轉(zhuǎn)換,反映了大氣動力過程與熱力過程的相互聯(lián)系。正是這種相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)換過程使得太陽能可以驅(qū)動大氣運動?!?.3大尺度運動系統(tǒng)的控制方程

一、尺度分析和大氣運動系統(tǒng)的分類1.尺度分析定義:尺度分析是針對某種類型的運動估計基本方程各項量級的一種簡便方法。本節(jié)尺度分析的目的:對基本方程進行簡化,從而得到大尺度系統(tǒng)的控制方程簡化要領(lǐng):保留大項,略去小項2.尺度分析的步驟(1)確定方程中各場變量的特征值特征值或特征尺度:表示特定類型的運動(如大尺度運動或中小尺度運動)的空間范圍和時間區(qū)間的物理量或其他特性的一種尺度。(2)用特征值比較方程中各項的大小例:3.大氣運動系統(tǒng)的分類行星尺度大尺度(天氣尺度)中尺度對流或小尺度107m106m104m103m4.大尺度系統(tǒng)的各場變量的特征尺度V~10m/s(u,v)t~L/V~105sW~10-2m/s2Ωsinφ0=2Ωcosφ0

=f0=10-4s-1

L~106mν~10-5m2s-1(粘滯系數(shù))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-2二、基本方程的簡化方法1.零級簡化方程零級簡化:保留方程中數(shù)量級最大的各項,而其他項都略去不計。2.一級簡化方程一級簡化:除保留方程中數(shù)量級最大的各項外,還保留比最大項小一個量的各項。水平運動方程的尺度分析X方向分量:

Y方向分量

零級簡化方程:三、大尺度系統(tǒng)運動方程由表1.4~1.7得來§1.4P坐標系中的基本方程組一、位勢和位勢高度二、P和Z坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系三、P坐標系的連續(xù)方程四、P坐標系的運動方程五、P坐標系的的熱力學(xué)能量方程六、P坐標系中的大氣運動基本方程組一.位勢、位勢米、位勢高度位勢(重力位勢,geopotential):單位質(zhì)量空氣從海平面上升到高度Z克服重力作的功00Z當Z=1米時,φ=9.8焦耳/千克,定義:1位勢米=9.8焦耳/千克,并定義為位勢高度極地赤道等位勢面等高面重力小重力大(x,y,z,t)(x,y,p,t)xyZ,-PP=ρRT,ρ=P/RT二.P坐標系與Z坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系Z坐標系(x,y,z,t)P坐標系(x,y,p,t)P=ρRT,ρ=P/RTW=dz/dtω=dp/dtXZ,-ppP+dpABCdxdz,dpF設(shè)F=Z,并利用靜力平衡方程dp=-ρgdz代入(1.59)-(1/r)(?p/?x)z=g(?z/?x)p=(?

f/?x)p§1.5風場和氣壓場的關(guān)系一.地轉(zhuǎn)風二.梯度風三.熱成風四.偏差風-(1/ρ)?

P/?

y-2Ωusinφ=0-(1/ρ)?P/?

x+2Ωvsinφ=0水平運動方程零級近似一.地轉(zhuǎn)風-(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/?xVg高壓低壓A-(1/r)▽p討論:地轉(zhuǎn)風性質(zhì)(1)地轉(zhuǎn)風是在不考慮摩擦力、加速度以及垂直速度的條件下,水平方向上氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力相平衡(地轉(zhuǎn)平衡)時的大氣運動(即自由大氣水平勻速直線運動)

地轉(zhuǎn)風是對中緯度自由大氣中大尺度系統(tǒng)中水平氣流的一種近似(一般兩者大小相差30%以下)(2)地轉(zhuǎn)風的大小與水平氣壓梯度力大小成正比,即與水平氣壓(位勢)梯度大小成正比例:地面圖上氣壓梯度與等壓線和風速的關(guān)系等壓面圖上位勢梯度與等高線和風速的關(guān)系討論:地轉(zhuǎn)風性質(zhì)(3)地轉(zhuǎn)風的大小與地轉(zhuǎn)參數(shù)f的大小成反比,即與緯度高低成反比在赤道上=0地轉(zhuǎn)平衡不成立。無科氏力存在。(4)地轉(zhuǎn)風的水平散度(不考慮f變化)=0(5)地轉(zhuǎn)風方向與等壓(高)線相平行,在北半球,背風而立高壓在右,低壓在左;南半球相反,背風而立高壓在左,低壓在右.(簡稱:風壓定律)二.梯度風

在水平運動方程中,除考慮氣壓梯度力和水平地轉(zhuǎn)偏向力外,并考慮向心加速度(或慣性離心力)時的大氣運動為梯度風

1.自然坐標sn自然坐標流線坐標軸s、nV為風矢量τ為s方向的單位矢量--dqdqdtdsRTtt+dtdq=ds/RT=|dt|dt/ds=n/RT由弧長=半徑×角度得來-切向加速度,法向加速度-DGD×√√大尺度系統(tǒng)(1.88)梯度風應(yīng)用1北半球大尺度高壓順時針旋轉(zhuǎn),低壓逆時針旋轉(zhuǎn)小尺度系統(tǒng)DG應(yīng)用2:低壓中心等壓線可分析的密集些,高壓中心附近等壓線應(yīng)分析的稀疏些實際中,大風區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)在低壓中心和高壓邊緣區(qū)域氣旋中心氣壓梯度和風速可無極限,而在反氣旋中則有極限,梯度風有一極大值3.流線與軌跡(1)流線:指描述任意瞬間速度場的曲線,處處與風矢量相切,并指向氣流方向;(2)軌跡:指在有限時間間隔內(nèi),個別空氣塊的路徑。一般在實際工作中將等高線、等壓線看成流線。三.熱成風熱成風的概念熱成風與冷暖平流中緯度系統(tǒng)的溫壓場結(jié)構(gòu)正壓大氣與斜壓大氣1.熱成風的概念地轉(zhuǎn)風隨高度的變化叫做熱成風XY-PVg1Vg0P1,Z1P0,Z0冷暖XZ討論①熱成風與等溫線平行,背熱成風而立,高溫在右,低溫在左;②熱成風的大小與平均溫度升度成正比,與緯度成反比。實際大氣討論中、常把等溫線看成是平均等溫線。2.熱成風與冷暖平流風隨高度順時針變化-----暖平流風隨高度逆時針變化-----冷平流暖冷暖Vg下Vg上冷Vg下Vg上3中緯度系統(tǒng)的溫壓場結(jié)構(gòu)4.正壓大氣與斜壓大氣正壓大氣密度僅為氣壓的函數(shù)等壓面即等密度面或等溫面,等壓面上溫度梯度為零ρ=ρ(p)地轉(zhuǎn)風不隨高度變化斜壓大氣密度是氣壓和溫度的函數(shù)ρ=ρ(p,T)等壓面與等密度面或等溫面相交,等壓面上溫度梯度不為零地轉(zhuǎn)風隨高度變化,有熱成風四.偏差風

1.地轉(zhuǎn)偏差實際風與地轉(zhuǎn)風之差2.摩擦層中的地轉(zhuǎn)偏差摩擦力加速度低高FAGVVgD地轉(zhuǎn)偏差指向摩擦力方向右側(cè)北半球,摩擦層中,風向偏向低壓北半球,摩擦層中,風向偏向低壓

低高3.自由大氣中的地轉(zhuǎn)偏差

加速度引起的地轉(zhuǎn)偏差D自由大氣中的地轉(zhuǎn)偏差:當氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力不平衡時,產(chǎn)生加速度地轉(zhuǎn)偏差垂直于加速度的方向,并指向加速度方向的左方(圖1.35),其大小為:變壓風:由變高(或變壓)梯度表示的地轉(zhuǎn)偏差自然坐標系下的地轉(zhuǎn)偏差(1)變壓風-2-10D1aD1與變壓(高)梯度大小成正比,與變壓(高)梯度的方向一致變壓風---

+2.法向(橫向)偏差切向(縱向)偏差法向偏差高壓低壓VVgDa沿流線方向風速分布不均勻時會產(chǎn)生法向的地轉(zhuǎn)偏差等高線的彎曲會形成切向地轉(zhuǎn)偏差槽前后地轉(zhuǎn)偏差的分布中緯度西風帶對流層中,高層以縱向、橫向輻散輻合為主,低層以變壓風輻合輻散為主:槽前脊后:變壓風輻合縱向輻散橫向輻散槽后脊前:變壓風輻散縱向輻合橫向輻合因此高層槽前脊后輻散槽后脊前輻合低層槽前脊后輻合槽后脊前輻散

基本概念題

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