《大气科学综合应用》Part1+动力气象学+教案

《大气科学综合应用》第一部分：动力气象学教案主讲教师：李国平（成都信息工程学院）使用年级：大气科学、应用气象学专业2009级课程：《大气科学综合应用》（《气象学基础综合》）适用对象：大气科学类专业（大气科学、应用气象学）本科生专业理论知识提高及硕士研究生入学考试复习内容：动力气象学、天气学原理两大部分学时：共24学时，动力气象学、天气学原理各占二分之一考核：考查（课堂练习），动力气象学、天气学原理分布进行，成绩各占二分之一――――――――――――――――――――――――――――动力气象学（大气动力学）是大气科学的重要分支，是相关学科专业的基础理论课程，它的主要内容包括大气运动的基本方程组及基本动力特征、涡旋运动与准地转模式、大气中的波动、大气不稳定理论、大气边界层、热带大气动力学以及大气环流及其数值模拟。要求学生对其基本概念有较深入的了解，能够系统地掌握大气运动的基本方程及其变形，掌握大气中的主要波动类型和小扰动方法，掌握大气中存在的主要的不稳定现象及其产生的条件，掌握行星大气边界层的特征及动力学规律，掌握热带大气动力学的特征及其与中、高纬度的差异，熟悉大气环流的主要特征并了解大气环流的数值模拟，并具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。一、核心内容（一）大气运动的基本方程组1．地球和大气的基本特征2．运动方程3．连续性方程4．状态方程、热力学方程和水汽方程5．球坐标系中的大气运动方程组6．局地直角坐标系中的大气运动方程组7．β平面近似8．能量守恒定律9．尺度分析和基本方程组的简化10．地转风与热成风11．静力平衡（二）涡旋运动与准地转模式1．环流与环流定理2．涡度方程、位涡度方程3．浅水模型中的涡度方程4．散度方程与平衡方程5．准地转模式与准地转位涡度守衡定律6．准地转位势倾向方程和ω方程（三）大气中的波动1．小扰动的波动方程式2．声波3．重力波4．惯性内波与惯性振荡5．重力惯性外波和重力惯性内波6．罗斯贝波7．群速度和上游效应（四）不稳定理论1．不稳定的概念2．惯性不稳定3．正压不稳定4．斜压不稳定5．开尔文-赫姆霍兹不稳定（五）大气边界层1．行星大气边界层的分层及其主要特征2．边界层中风随高度变化的规律，埃克曼螺线3．埃克曼抽吸、次级（二级）环流和旋转减弱（衰减）（六）热带大气动力学1．热带大气运动的主要特征及其尺度分析2．混合罗斯贝-重力波和开尔文波3．积云对流加热参数化4．第二类条件不稳定（CISK）和台风的发展（七）大气环流及其数值模拟1．大气环流2．角动量平衡和输送3．热量和水分平衡4．能量循环5．大气环流的模拟6．平流层大气环流二、基本要求（一）大气运动的基本方程组1．熟悉并掌握地球自转角速度、地球的平均半径、标准大气压和标准大气密度的数值。2．理解并掌握重力、气压梯度力、Coriolis力和β平面近似的概念，熟悉运动方程及其在球坐标下的形式，熟练掌握局地直角坐标系下的大气运动的基本方程组。3．理解并掌握位温的概念，了解连续性方程、状态方程和热力学方程。4．了解并掌握大气中主要的能量形式，熟悉能量守恒定律。5．了解并掌握大气运动的分类及其特征量；理解地转风、热成风和静力平衡的概念，并熟练掌握其公式。（二）涡旋运动与准地转模式1．了解环流的物理意义和环流定理；深入理解并掌握涡度、位涡度的概念，能够熟练掌握浅水模型中的涡度方程和位涡度守恒的推导。2．了解散度方程和平衡方程，掌握准地转模式和准地转位涡度守衡，了解准地转位势倾向方程和ω方程。（三）大气中的波动1．理解并熟练掌握小扰动方法，并能灵活运用于方程组的线性化。2．了解并掌握大气波动的基本类型、特性及其形成的物理条件。3．深入理解罗斯贝波的基本概念及其动力学性质，掌握经典的罗斯贝长波公式及其频散理论。4．深入理解并区分波动的相速度和群速度，掌握上游效应的概念。（四）不稳定理论1．理解并掌握波动不稳定的概念。2．了解并掌握大气波动不稳定的基本类型、成因及其不稳定的判据。3．掌握正压不稳定判据的推导、机理及其与基本气流分布的关系。4．了解斜压不稳定的Eady模式和两层模式，掌握斜压不稳定的机理。（五）大气边界层1．了解行星大气边界层的分层及其主要特征。2．了解边界层中风随高度变化的规律，掌握埃克曼螺线公式的推导。3．掌握埃克曼抽吸公式和旋转减弱公式的推导，理解公式的物理意义，理解埃克曼抽吸、旋转减弱与次级环流之间的关系。（六）热带大气动力学1．了解并掌握热带大气运动的主要特征，了解赤道β平面近似下的大气运动方程。2．了解并掌握低纬大气混合罗斯贝-重力波和开尔文波的基本特性及其形成的物理条件。3．理解低纬小尺度对流与大尺度扰动间的相互作用，掌握积云对流加热参数化的概念并了解其方法。4．深入理解并掌握第二类条件不稳定（CISK）的概念，了解台风的发展理论。（七）大气环流及其数值模拟1．掌握大气环流的基本概念和北半球大气环流的主要观测事实，了解大气环流演变过程中角动量、热量和水分的平衡和输送以及能量的循环。2．了解大气环流的数值模式和数值模拟。3．了解平流层和中间层大气运动的基本特征，了解平流层大气运动中准两年振荡和爆发性增温现象。三、主要参考书目1Holton.AnInstructiontoDynamicMeteorology（fouthedition）,ElsevirInc.,2004（霍尔顿著，空军气象学院译.动力气象学引论（第一版）.北京：科学出版社,19802小仓义光著（日文版），黄荣辉译.大气动力学原理．北京：科学出版社，19813刘式适，刘式达．大气动力学（上、下）．北京：北京大学出版社，19994吕美仲等.动力气象学.北京：气象出版社，20045李国平.新编动力气象学.北京：气象出版社，2006