动力气象第一章

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1、1,动 力 气 象 学,大气科学/应用气象 2013级 大气科学学院 华维 副教授 Email:huawei Phone:13408620745,2,课程简介 课件下载邮箱：dynamicmeteorology 登陆密码:dynamete 1-18周 专业基础课、专业主干课、核心必修课 ，5学分 该课程系统地讲述旋转大气运动的基本规律，介绍研究大气运动的基本方法和重要结论，为天气学原理、数值天气预报等后继课程提供必要的理论基础。 80学时，讲授76学时，实验4学时；考试成绩70%，平时成绩30%。,3,要求大家对动力学概念有深入理解，能够掌握大气运动方程组及其变形、大气中的波动类型和小扰动法、

2、大气中存在的主要不稳定现象及产生原因、大气能量的基本概念、热带大气动力学等方面的知识。 通过学习，同学们应该掌握旋转大气运动特别是大尺度大气运动的基本规律，用动力学思维处理大气问题的方法。,4,与其他课程的联系： 线性代数、多元微积分、矢量分析和场论、常微分方程、数理方程、大气物理学、大学物理等基础知识，本门课程是对于数值天气预报、天气诊断分析、动力气象提高等的基础。 平时成绩要求： 考勤（50%） 课后作业（30%） 期中考试（20%）,5,教材：新编动力气象学，李国平，气象出版社 参考书目： 1.贺海晏,简茂球,乔云婷.动力气象学.北京：气象出版社，2010 2.刘式适,刘式达.大气动力学

3、（上、下）.北京：北京大学出版社，1991 3.吕美仲,彭永清. 动力气象学教程. 北京: 气象出版社,1990,6,动力气象简介,什么是动力气象 动力气象学（课程）研究对象，任务和方法 动力气象学发展简介,7,动力气象学（Dynamic meteorology）从理论上研究发生在旋转地球上的大气状态和运动的演变规律的学科。它根据物理学和流体力学的基本规律和数学原理探讨发生在大气中的各种热力和动力过程及其相互作用，既是大气科学的一个分支，又是流体力学的一个分支。,8,一、对象、任务和方法,1、研究对象,大气动力学涉及以下几种空间尺度的系统 大尺度： 106m 中尺度： 105m 小尺度：104

4、m 气旋反气旋 暴雨系统 风暴、龙卷 本课程研究的对象： 大尺度大气中发生的天气过程； 在日常天气图上可见； 影响日常天气。,9,重要特点： 地球半径6000km，与大尺度系统尺度近似 地球的自转重要 旋转流体力学 气象系统的垂直厚度104m，很扁平的一层 是准水平 大尺度大气运动,10,复习“准”的含义 水平运动：垂直速度(w or )为零。 准水平运动：主要是水平运动，但垂直运动也 很重要（降水的形成条件之一）。 地转运动：科氏力与气压梯度力相等，加速度 等于零。 准地转运动：科氏力与气压梯度力近似相等， 加速度不等于零，系统能发展。,11,动力气象学（课程）的研究对象: 考虑地球自转的、

5、准水平运动大尺度大气动力过程。 大尺度系统，又称天气尺度系统、天气系统。,12,2.任务：,动力气象学与天气学不同之处在于： 天气学：从观测资料出发，经验性的，总结天气过程的发生发展规律，（主观）推断可能机理 动力学：从物理定律出发，从理论上，揭示天气过程的发生发展规律和机理。,13,3.方法,物理基础：力学、热力学；不研究声、光、电、降水的微物理过程 数学基础：微积分（微分方程），矢量分析，场论（欧拉观点），计算数学。 步骤：气象问题 物理模型 数学模型 求解 解释原问题 侧重在首尾两步,14,二、发展简介,气象学是一门“古老而现代”的学科：人们一直试图解释天气、预测天气(三国演义：草船借箭

6、、火烧葫芦谷、智筑冰城、巧借东风)。 近代动力气象学发展的推动力： 1、各种观测仪器的发明，通过观测大气，对观测现象的发现。 2、物理学、数学等基础学科的发展。,15,(1) 19世纪20年代20世纪20年代 19世纪20年代之后，开始有了近代气象学：1820年 Brandes绘制了第一张天气图，用外推法预测高低压的移动形 成了地面天气图，开创近代天气分和天气预报方法。,16,（2）20世纪30年代 1904年建立了旋转大气运动方程组。欧洲学术发展兴 盛：卑尔根学派（皮叶克尼斯1920年锋面学说） 代表人物：皮叶克尼斯父子,17,挪威学派（Norwegian school）也称卑尔根学派。本世

7、纪初到30年代的国际气象学界的主流学派。源出挪威文化名城卑尔根，故亦称卑尔根学派；由于其成员多来自北欧各国，故间或称北欧学派。该学派的创始人是皮叶克尼斯（VBjerknes）其主要成员有J皮叶克尼斯、索尔贝克（HSOlbefg）、伯杰龙（T. Bergeron)、罗斯贝（GG Rossby）、帕尔门（EPalmen）等人。,18,挪威学派在气象学上的贡献是广泛的。重要成果有：计量方面，确定了巴（bar）为气压的单位，毫巴（mb）是其子分之一；单点分析方面，创造了Tlnp绝热图解，并提出了冷云降水学说；天气图分析方面，提出了锋面气旋模式和确定了气旋结构；理论方面，提出了斜压大气的环流理论，惯性波

8、动理论，锋面切变的气旋波发生发展理论；大气环流方面，提出了气旋族和气旋生命史。其中关于气旋的成果，统称为锋面气旋学说。,19,（3）20世纪60年代 动力气象迅速发展的时期 背景：二战爆发后，海陆空军参战，由于战争的需要，建立了 高空观测网，气象要素发展为三维系统（时间四维）；高空 500hPa图的最主要特点：波动（时间上，空间上）,20,美国学术发展兴盛：芝加哥大学Rossby动力气象学之鼻祖 （芝加哥学派）。1939年，他提出了长波学说，称此波为大气长 波或Rossby波。 气象中最主要的理论：波动理论,21,1941年，Rossby到芝加哥大学任教，影响了大批气象学家和物理海洋学家，形成

9、了芝加哥学派。特别地，他影响和引导了Jule Charney和Henry Stommel，这两者分别为动力气象学和物理海洋学的发展做出了奠基性的贡献。 除行星波外，芝加哥学派的主要贡献有：提出了大气运动的地转适应；行星波的能量频散；西风带急流的形成理论及其在大气环流中的重要作用；行星波的正压和斜压不稳定性。芝加哥学派对动力气象学的贡献为数值天气预报的发展奠定了理论基础。,22,（4）至今 1.热带大气动力学：热带的水汽，对流，潜热释放等影响全球； ENSO现象 第二类条件不稳定CISK机制（恰尼，1964） 积云对流参数化（郭晓岚，1965）用大尺度的量表示小尺 度的对流问题，类似于物理学中，

10、用宏观量来表达描述微观运动） 热带波动学（松野，1966）Kelvin波,Rossby重力波，重力 惯性内波,23,2.中小尺度动力学 是由于测站间距大于中小尺度系统得自身尺度，故常规观测不到中尺度系统。 60年代后借助雷达卫星的特殊观测。 不稳定理论，数值模拟。,24,3.大气环流持续异常或气候异常动力学 70年代末至80年代末发展最多 定常波（物理中称为驻波）理论（气候） 大气环流持续异常理论 “遥相关”现象,25,第一章 大气边界层,1.1 大气边界层及其特征 1.2 湍流应力与平均运动方程组 1.3 边界层中风随高度的变化规律 1.4 埃克曼抽吸，二级环流和旋转减弱 1.5 埃克曼数和

11、理查逊数,重点：边界层（近地层和Ekman层）中风随高度的变化规律，Ekman抽吸、二级环流和旋转减弱。,26,研究边界层目的： 1、边界层本身的特性： 如污染物的扩散，飞机起降、植物生长等。 2、在整个大气中起重要作用： 如数值预报中的物理过程描述，大气运动的强迫耗散问题。,第一节 大气边界层及其特征,27,“流体力学”中的“边界层”分为,边界层的特征： 1、几何学特征：DL，横向纵向；,2、运动学特征：,3、动力学特征：粘性力重要。 回顾：大气流体力学中“三大相似”,1. 边界层的基本特点,28,湍流：不规则的涡旋运动，输送物理属性最小的单位是由许多微团组成的湍涡。 地球表面粗糙不平 湍流

12、性很强 大气边界层湍流边界层,大气边界层的定义：与地表直接接触，厚度约为1-1.5km、具有湍流特性的大气层(PBL，Planetary Boundary Layer)，也叫行星边界层或摩擦层。 它的研究与天气预报、气候预测以及大气物理研究有非常密切的关系。,29,Planetary Boundary Layer,Light pollution and the planetary boundary layer over Berlin,30,边界层是对流层的一部分，直接受到地表的影响，对地表强迫响应的时间约为1小时或更小。 边界层过程包括：摩擦力、蒸发和蒸散、热传递、污染物排放、地形引起的变形。

13、,31,物理量的输送,湍流强烈的混合作用 物理量输送 1、具有物理量的梯度； 2、从物理量大值区向小值区输送； 3、边界层中物理量的垂直梯度大，所以，输送主要在垂直方向上。,32,33,边界层是热量、水汽源、动量汇,34,地表对大气的影响随高度增加而较弱 湍流的强度随高度增加而较弱。 湍流粘性力随高度增加而减小。 湍流粘性力的重要性随高度不同而不同。,地表既是大气的动力边界，也是大气的热力边界。大气边界层，由于受地表（固壁粗糙不平）影响湍流边界层。,35,各层上的动力学特征不同,36,什么是大气动力分层？ 大气的不同层次中，由于各作用力（水平气压梯度力、湍流摩擦力、科氏力）的作用和大小不同，按

14、照力随高度分布的特征可将大气分成若干层次，即动力分层。,2. 大气的动力分层及特点,37,按“湍流粘性力的重要性”，在垂直方向上对大气进行分层：,1、贴地层：高度为几个厘米,附着在地表，风速 ，无湍流。,湍流粘性力0，分子粘性力最重要。,主要运动形式为分子扩散。,38,2、近地面层：高度为80100m,湍流运动非常剧烈，主要以湍流粘性力和气压梯度力为主，科氏力可略去,风向几乎不随高度变化，但风速随之增加,物理量通量的垂直输送几乎不随高度改变 （常值通量层）,物理量垂直梯度物理量的水平梯度,湍流运动明显，地气相互作用强烈，调整较快，呈准定常,39,3、 Ekman层（上部摩擦层）高度为11.5k

15、m,湍流粘性力、科氏力、压力梯度力同等重要,物理量垂直梯度大于水平梯度,风向、风速随高度的变化呈螺线规律,下垫面对自由大气的影响通过该层向上输送,40,3、 Ekman层（上部摩擦层）,湍流粘性力、科氏力、压力梯度力准平衡,41,4、自由大气： 湍流粘性力可略 准地转。,42,工作中一般把大气分为三层： 近地面层、上部摩擦层、自由大气,边界层占整个大气的1/10,43,边界层的一般特点,1、近地面层中，气象要素的日变化大 地表（热容量小），由于太阳辐射作用其日变化大。 近地面层贴近地面，因而日变化大。,2、近地面层中，气象要素的垂直梯度大,与近地面层外部比；与水平方向比,44,3、湍流运动引起

16、物理量的输送 由于垂直梯度大，所以垂直向输送水平向输送。,4、上部摩擦层中，满足“三力平衡”,45,三力平衡示意图：风穿越等压线指向低压一侧,46,为什么风穿越等压线从高压指向低压？ 从能量平衡角度看：,47,第二节 湍流应力与平均运动方程组,一、湍流和层流 层流：流体运动具有规则性，流体运动时层次分明，没有混合现象。流体质点的轨迹是光滑的曲线，对应的物理量场如速度、压强等随时间、空间做平缓而连续的变化。,1. 湍流和层流,48,湍流：具有杂乱、混合且随时间迅速变化的轨迹。这种不规则性，在其各个小部分具有一定随机性质的运动，随机性是湍流的基本特征。湍流是较大集体流体微团或湍涡之间的动量和能量交换的统计规律。湍涡是不固定的。,49,湍流运动在实际问题中非常常见，尤其在边界附近的流体运动大多数属于湍流运动。在大气科学中，边界