第一章1影响大气运动的作用力

天气学原理课件前言1.天气学发展史17世纪以前，“经验时期”《气象通典》17—19世纪初，“实验时期”（1820）第一张天气图的产生——大气科学成为一门独立的学科19世纪20年代——现在“理论研究时期”2.大气科学发展的几个阶段•第一个阶段：1820—1920年，分析地面天气图——简单外推预测天气•第二个阶段：1920—1940年，挪威学派V.Bjerknes“锋面理论和气旋波动理论”•第三个阶段：1940—1960年，芝加哥学派Rossby“大气长波理论”•第四个阶段：1960—现在，产生多门学科来预测天气3.天气学研究对象和方法研究对象：研究整个地球大气的天气现象和天气过程的规律及其物理本质——预测天气研究方法：1、天气图——工具建立天气模式，分析天气过程的演变规律2、定性的物理分析方法a)天气图看懂b)公式意义明确（不在于推导）4.课程内容和参考书内容：1——5章参考书：梁必琪的《天气学》5.要求•天气学、天气分析、动力气象联系学习•认真阅读课本•每章思考题——记忆•考试：思考题范围之内第一章大气运动的基本特征第1节影响大气运动的作用力一.气压梯度力：单位质量的气块受到的大气的净压力。体积：质量：B面所受压力：A面所受压力：x方向受的压力为：同理：y方向所受净压力为：z方向所受净压力为：总的净压力为：气压梯度力：讨论：1.气压梯度力是由气压分布不均匀引起的。2.气压梯度力的方向指向–的方向，即由高压指向低压，垂直于等压线。3.气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气的密度成反比，即等压线越密集，气压梯度越大。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。kzPjyPixPPzyxzyxPG114.水平气压梯度力比垂直气压梯度力小很多。水平方向:100km相差1hpa垂直方向:8-10m相差1hpa1000hpa~850hpa平均相差1500m但由于向上的气压梯度力与向下的重力达到准静力平衡，所以虽然垂直方向上的气压梯度力大，但运动不明显。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。二、地心引力万有引力：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)因为：即所以：——海平面的地心引力（常数）三、惯性离心力向心力～向心加速度惯性离心力•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.地球自转角速度Ω=2π/24小时=7.29×10-5/秒.4.地表上每个静止物体均受到惯性离心力的影响。四、重力地心引力与惯性离心力的合力，称为重力。讨论：1、的方向除赤道和极地外，均不指向心。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/s2五、地转偏向力（科力奥利力）方向：垂直于与组成的平面，指向运动方向右侧大小：设：局地直角坐标系原点：地表某点y轴：沿原点所在经圈切线方向指向北x轴：沿原点所在纬圈切线方向指向东z轴；指向当地天顶方向•常用水平地转偏向力•令则有•讨论：1、运动的物体受地转偏向力的作用（静止时为0）。2、与相垂直，且在纬圈的平面内。3、与相垂直，地转偏向力垂直于运动方向，只改变空气块的运动方向，不改变其速度大小。在北半球地转偏向力指向运动方向右侧，南半球则相反。4、水平地转偏向力大小与风速成正比，与纬度的正弦成正比。即风速越大偏向力越大，高纬度的偏向力大，低纬度的偏向力小。六.摩擦力（850hpa以下考虑）单位质量空气块所受到的净粘滞力称摩擦力.（为摩擦系数）•摩擦力的简化形式：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：作业•气压梯度力、地转偏向力、重力的定义、表达式和意义气象通典—气象史上最伟大的著作之一•《气象通典》（Meteorologica）—亚里士多德（约公元前340年）（气象学-meteorology）•Meteor是古希腊人用来指大气上面的事物的，即一切大气现象，如云层、晕、虹、雷电、雹、雨、雪、流星等等。•该书系统地讨论了地球上水、土地、天空空气的来源，以及各种天气现象的成因，不但收集先前哲人和先民的气象学思想和经验加以整理，而且也提出亚里士多德本人对各种天气现象的见解和理论，是世界上最早的有系统的气象学著作。•它与古代希腊许多有关自然界现象的解释和理论一样，都是经验性科学发展出来的成果，所以有相当多的错误，主要是因为那时缺乏准确的观测仪器。中国早期的成就•远在三千年前，殷代甲骨文中已有关于风、云、雨、雪、虹、霞、龙卷、雷暴等文字记载，还常卜问未来十天的天气(称为“卜旬”)，并将实况记录下来以资验证。•春秋战国时代已能根据风、云、物候的观测记录，确定廿四节气，对指导黄河流域的农业生产季节意义很大，并沿用到现代。•秦汉时代还出现了《吕氏春秋》、《淮南子》和《礼记》等内容涉及物候的书籍，这些都是世界上最早关于物候的文献。天气谚语•朝霞不出门，晚霞行千里；•雷公先唱歌，有雨也不多；•不刮东风不雨，不刮西风不晴。•燕子低飞要落雨。•蚂蚁搬家早晚要下。•一场秋雨一场寒，十场秋雨穿上棉。气旋生成的波动理论•英文名称：–wavetheoryofcyclogenesis•定义：–以两种流体界面上波的形成原理为基础的低压发展理论。大气长波理论•1939年,Rossby根据大量的天气图的资料，分析了大气中的半永久活动中心与高空波动的关系，指出气旋或反气旋是在高空波动的特定位置下发展起来的，并对高空波动的移动做了理论分析，指出，由于旋转大气中的Beta作用，使大气波动具有特殊的性质，这种波动的移动、静止与天气过程有密切关系，这种波动后来称之为Rossby波，由此天气学就与动力学紧密结合起来。天气学的对象与方法•天气学，可以简单地给它下个定义就是研究天气的科学。所谓天气，就是某时地球表面上某些地球上空的大气状态，以及大气状态在一定时期内的连续变化。•天气与经常的天气变化，对于人类的生活和活动有很大的影响。因此，天气学有两个任务：第一、研究决定天气演变的大气物理过程的发展规律；第二、将这些规律应用与使用的目的—预报未来一定时间的天气。•因为大气中决定天气演变的物理过程是在广大的空间中进行的，所以天气学的基本方法就是把广大的气象测站网在同一时间内所得的观测记录作比较。•观测结果是按规定的符号填入空白地图上该站所在的地点。•“天气学”这个名词本身，就表明了这门科学所采用的基本方法。天气学这个名词是从希腊文中引用过来的，它的原意为同时观察。因此，填有同一时刻观测记录的地图，就成为天气图；而用天气图来研究大气的科学，就称为天气学。