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前言一、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”。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。二、天气学的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。三、天气学的研究方法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.四、课程内容和参考书1——5章《天气学》梁必琪等五、要求1、天气学、天气分析、动力气象联系学习。2、认真阅读课本。3、每章思考题——记忆。4、考试:思考题。第一章大气运动的基本特征第一节影响大气运动的作用力一,气压梯度力:单位质量动气块受到的大气的净压力。图形体积:zyxv质量:zyxvmB面所受压力:zyPA面所受压力:zyxxPPX方向受的压力:zyxxPzyxxPPzyP同理:y方向所受净压力为:zyxyPz方向所受净压力为:zyxzP总的净压力为:zyxPzyxkzPjyPixP气压梯度力:kzPjyPixPPzyxzyxPG11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–kzPjyPixPPzyxzyxPG11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,高出的风就比低处的风大,因为高空的密度小。4、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1hpa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:rrrGMmFg2地球对单位质量空气的引力:图形rrzaGMmg2*(地球半径为a,质量为M,空气块离地高度为z,质量为m)因为:1mza所以:*2*ogrraGMmg——海平面的地心引力(常数)三、惯性离心力图形向心力——向心加速度Rdtvd2惯性离心力RC2讨论:1、C的方向垂直于地轴,指向地球外侧。2、C的大小随纬度变化:赤道最大,极地最小。3、Ω地球自转角速度,Ω=2π/24小时=7.29×10-5/秒4、地表上每个静止物均受到惯性离心力的影响。四、重力图形地心引力与惯性离心力的合力,称为重力。RgCgg2**讨论:1、g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45o纬度海平面重力。g=9.806m/s2五、地转偏向力科力奥利力:方向:垂直于与v组成的平面,指向运动方向右侧。大小:vA2设:局地直角坐标系图形原点: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sincos0zyxkwjviuvwvullkjiAsincos02cos2sin2cos2sin2uAuAwvAzyx略垂直速度小常用水平地转偏向力sin2sin2uAvAyxsin2VA令地转参数fsin2fuAfvAyx讨论:1、运动的物体受地转偏向力的作用(静止A=0)。2、A与相垂直,且在纬圈的平面内。3、A与V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、摩擦力单位质量空气块所受到的净粘滞力称摩擦力222222222222222222zwywxwFzvyvxvFzuyuxuFFzyx摩擦力的简化形式:kzwjzvizuF222222kFjFiFFzyx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:FgvPdtvd21第二节大气运动方程一、标准坐标系的运动方程(局地直角坐标系)12dVpVgFdt分量形式:12sin2cos1-2sin12cosxyzdupwFdtxdvpuFdtydwpugFdtz1,尺度简化大气运动系统的分类水平尺度(水平范围所占有的空间)时间尺度行星尺度410km周大尺度310km几天中尺度210km1天小尺度10km几小时2,大尺度系统的简化方程一级简化方程(最大项,次大项)2sinf1110dupfvdtxdvpfudtypgx零级简化方程(最大项)gzpfuypfvxp101010大尺度运动系统的特征(中高纬):准水平ω→0准静力平衡0dtd准地转(地转偏向力与气压梯度力相平衡)自由大气F→0二、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1,等高面图的概念等高面:空间高度相同的点组成的面;等高面为平面,面上高度处处相等,但气压不等等压面:气压相等的点组成的面;等压面为曲面,气压相等,但高度不等图形所以等压面图分析高度场(高空图)和等高面分析气压场(地面图)都可以显示气压场形势等压面图的优点:气压面是个常数例如状态方程RTpP、T为单值函数,可以讨论两者间的变化关系又如位温1000PRCTP2,等压面图的高度单位——位势高度几何米、位势米、位势能mgh重力势能(位势)---单位质量空气由海平面上升到Z高度时,克服重力所做的功表达式:zgdz0单位:焦耳/千克gdzd,gz,g=const1位势米:因为当z=1米时,Φ=9.8焦/千克所以人为定义一位势米就是9.8焦/千克位势高度:zgdzH08.918.91位势米重力位势g=9.8常数zgzH8.9优点:图形等位势面不平行于等几何面,只在海平面上重合等位势面处处与重力方向垂直,无重力分量——相当于是空中水平面3,z坐标系与p坐标系的关系①关系式水平方向11zPPzPPggPPxxxPPyyy垂直方向1()()PgZPzP1)水平气压梯度力的大小表示等压面坡度的大小2)二层等压面上:位势梯度~梯度力~地转风相等3)二层等高面上:气压梯度梯度力地转风②垂直速度z系:dtdzwp系dtdP关系式gw上升运动:w0ω0下沉运动:w0ω04,p坐标系的运动方程一级简化1Pfuydtdvfvxdtdu零级简化:100Pfuyfvx第三节静力学方程连续方程和热力学能量方程一、静力学方程ggP;仅讨论垂直方向时gdzdP称为静力学方程代入状态方程RTP得到dzRTgPdP积分得2112lnlnzzdzRTgPP图形1212lnzzRTgPPm图形2112lnPPgRTzzm——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暖区:厚度大冷区:厚度小讨论:1,气压气流的三类垂直结构①深厚对称系统图形图形②浅薄对称系统图形图形③温压场不对称系统图形图形随高度升高,高压中心轴线想暖区倾斜随高度升高,低压中心轴线向冷区倾斜2,暖平流有利于高层高压或低层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图形极地:低层冷高压,高层冷低压赤道:低层暖低压,高层暖高压二、连续方程:图形A面:tzyuB面:tzyxxuux方向上的静流入量uxyztx同理:y方向上的静流入量vxyztyz方向上的静流入量wxyztz总质量zyxtzyxzwyvxutzyxt即0zwyvxut或0Vt——连续方程也可写为0zwyvxuzwyvxut即0vdtd——连续方程讨论:1,速度散度的意义uvwVxyz称为速度散度11ddVdtdt其中1比容单位时间质量的变化率辐散流出质量减少辐合流入质量增加0000vdtdvdtd单位时间体积的变化率辐合缩小体积减小辐散膨胀体积增大0000vdtdvdtd2,水平速度散度和垂直速度的关系不可压缩大气0dtd则:0V0zwyvxu∴zwyvxu0u空气辐散图形0u空气辐合图形∴垂直速度随高度减小水平辐散00zwyvu大气的水平辐散减弱了大气的上升运动垂直速度随高度增加水平辐合00zwyvu大气的水平辐合增强了大气的上升运动3,P坐标系的连续方程由z坐标系连续方程0vt代入静力学方程及坐标变换可得0PwyvxuPPP系完整的连续方程比z系连续方程简单,无密度项三、热力学能量方程1,热力学能量方程普遍形式QdtdPdtdTCv单位质量加热率2,大尺度系统的简化热力学能量系统一级简化:QCwyTvxTutTPd1其中dzdTdzT零级简化:QCyTvxTutTP13,P系的热力学能量方程1PPPPTTTuvdtyC其中dpdTdpT第四节风场和气压场的关系一、地转风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运动。图形由Z坐标系下的零级简化水平运动方程:fuyPfvxP1010
本文标题:天气学原理授课教案
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