1第四章大气基本动力过程*26节，8学时第一节 地球大气运动的基本动力特征第二节 大气运动的空间和时间尺度第三节 大气中最基本的动力平衡关系第四节 中纬度天气系统运动的动力方程组和位涡度方程第五节 大气运动的基本动力过程第六节 大气中的波动*3n地球大气可以看成是一种连续介质，因此，在地球大气中所发生的运动是可以利用流体动力学和热力学定律来研究的n本章将阐述大气中基本动力过程的特征、大气所受的力、动力过程的分类、大气波动及其产生这些波动的动力机制5一、地球运动的动力特征n 地球大气作为一种连续介质，它遵从一般流体动力学和热力学的定律n但是，它又不同于一般连续介质，它有如下独特的特征：*6(一) 地球旋转对大气运动的重要性n地球自转会带来一种力，科学家称之为科里奥利力（简称科氏力，是一种非惯性参照系的惯性力）n相对于推或者拉产生的力而言，科氏力并不是一个“真实的”力，但是它的力量确实非常强大，强大到可以造就台风n科氏力是指物体在旋转系统中做直线运动时所受的力n在旋转的的地球上，流体运动始终受到科氏力的作用，气象学上又称之为地转偏向力n对于大尺度大气运动，科氏力具有十分重要的意义n由于地球自转的关系，空气块一开始运动即无法与地球自转系统同步，因而产生偏转现象。
n举例来说，如果有甲、乙二人站在转盘上，甲自转动中心平抛出一球，给位于转盘边缘上的乙站在盘外的丙，所看到球的飞行方向是直线，然而就乙和球的相对位置而言，乙所看到球的移动路径却是抛物线n假设有一颗炮弹从北极点发射出去，如果地球不会自转，那么炮弹的飞行轨迹，从空中鸟瞰，应该是一直线但是，事实上地球会自转，因此，随著地球的自转，炮弹在空中飞行的轨迹，如果站在北极点看过去，是不断偏右的这就是科氏力的原理7科氏力n大小：2V=2Vsin n是地球自转角速度n纬度n特性：科氏力只是在物体相对于地面有运动时才产生，物体静止时，不产生地转偏向力；科氏力的大小同所在地的纬度的正弦成正比，随着纬度的增大而增大，赤道为零；科氏力的方向同物体运动的方向垂直，在北半球沿着物体的运动方向向右偏转，在南半球他向左偏转8(二) 密度层结对大气运动的作用n 地球大气的密度随空间地点不同而不同，特别是随高度不同而不同，就是说，大气具有密度层结n层结一方面会产生浮力，从而对积云等对流活动产生重要作用；n另一方面，密度层结对水平尺度为几千公里的大气运动也会有影响9(三) 不均匀加热是大气运动产生的根本原因n伴随着辐射和大气中水分的相变，大气不断受到加热与冷却。
n热空气上升、冷空气下沉，产生上升气流的地方心须有周围的空气来补充，而下沉气流的地方，过剩的空气就会流向上升流的地方，从而补偿所上升的空气，这就会形成各种各样的环流10二、大气运动所受的的基本力n空气为什么会流动，其最根本的原因就是空气质元受到各种力的作用n要了解大气运动，首先应知道作用于大气的力n根据流体动力学，在惯性参考系中，即在空间固定的坐标系中来看地球大气，影响大气运动的基本作用力有n重力n气压梯度力n科里奥利力n摩擦力n还有惯性离心力：空气作曲线运动时才有*11(一) 重力n在地球表面，质量为m的大气受到的重力为mgn在高度为Z的单位质量的大气所受的重力为右式：ng是重力加速度ng0是海平面上单位质元所受的重力，其大小为9.8m/s2na是地球的半径，等于6370kmn由于大气运动均发生在对流层（约 10km以下）和平流层（约 10到 50km），这种高度范围与地球半径相比是相当小的，因而，完全可以认为在所有高度上单位质量的大气所受到的重力都为g12(二) 气压梯度力n在大气中，气压无论是在垂直方向上，还是在水平方向上都具有明显的差异n根据流体动力学，作用于单位质量大气上的气压梯度力可以写成n n n从上式可知，气压梯度力的方向是由气压高处指向气压低处的。
n气压梯度力在垂直方向向上，与重力相互平衡n在水平方向上，因为地球表面状态的不均性以及太阳辐射的南北差异等原因，气压分布也是非常不均匀的，这就造成了水平方面的气压梯度力微分矢量算子*13(三) 摩擦力n两个相互接触的物体做相对运动时接触面之间所产生的一种阻碍物体运动的力称为摩擦力分为外摩擦力、内摩擦力n外摩擦力，即下垫面对空气运动的阻力n这种力在摩擦层中起作用，而对自由大气中的空气运动，可以不考虑n外摩擦力(R)的方向和运动方向相反，其大小和运动速度成正比： R-KV n式中K是摩擦系数，V为运动速度 n内摩擦力是指空气内部各层气流速度的大小或方向不同时，产生的一种相互牵制的力n它可分为分子摩擦力和乱流摩擦力两种n如在两层速度不同方向一致的气层间，或者通过分子无规则运动，靠分子间的碰撞而交换动量；或者通过乱流运动、靠参与乱流的各空气微团的动量输送而交换动量两种方式都会使原来流速慢的气层因净得动量而加速，原来流速快的气层因净失动量而减速n如果在气层运动方向不一致时，也同样可以通过动量交换使气层的速度趋于一致n因此，分子及乱流的动量交换使两气层的界面上产生阻碍它们维持相对运动的力，此力即为内摩擦力。
n大气中除贴地极薄（几毫米）气层外，分子运动比乱流运动所交换的动量要小得多，因而内摩擦力通常主要指乱流摩擦力14三、大气运动的基本方程组 (一) 牛顿力学的基本定律 运动第一定律（又称惯性定律）n当物体不受外力作用时，静止状态的物体仍处于静止n这个定律说明了物体在没有外力作用时，物体的动量，即质量与速度的乘积是守恒的运动第二定律n作用于物体的力等于物体的质量与运动加速度的积F = man说明物体运动的加速度与作用于此物体的力成正比运动第三定律（即作用力与反作用力定律）n当物体1向物体2施加作用力时，物体2对于物体1必产生大小相等而方向相反的反作用力15(二) 大气运动的基本方程组1动量方程n由牛二定律，作用于单位质量上的力n上式又称动量方程nV是全风速，有3个分量：东西向u，南北向v，垂直方向wn相应的动量方程也有3个分量方程科氏力气压梯度力地球引力摩擦力全导数，个别变化*162热量方程n根据第三章所述的大气热力学定律，就有nQ为非绝热加热ncp为定压比容n为单位质量的气体所占有的体积n也可用位温来表示*173、连续方程n大气是一连续介质，它遵从流体的质量守恒原理，即nV为三维速度矢量n这说明对于大气中固定的单位体积来说，该单位体积中大气密度的时间变化应等于从周围大气向该体积中质量输送通量的辐合（辐散）。
n若向该体积质量输送通量是辐散的，则该体积的密度是减少的；n相反，若向该体积中质量输送通量是辐合的，则该体积的密度是增加的n称为的局地导数，局地变化率*18n3个运动分量的动量方程n热量方程n连续方程n状态方程n这6个方程称为大气运动方程组n可以描述大气中许多运动19第二节 大气运动的空间和时间尺度*20n在地球大气中，包含着多种不同时空尺度的运动，从而形成不同的天于气与气候现象n不同时空尺度的运动，其动力特征也不一样21一、大气运动时间、空间的多尺度性与尺度分析*22(一) 大气运动时空尺度的多尺度性1、湍流运动n空间尺度为 1cm100mn时间尺度为 1.0s1.0hn对各种物理量，如动量、热量、水汽垂直输送起到重要作用232、重力波和热对流n空间尺度为100m1kmn时间尺度为1.0h1.0dn因为从地面到高度约 1.0 km称为大气边界层，这一层内摩擦力和科里奥利力具有同样大小，因此，在这一层中，大气运动具有某些独特的特征，它包括了如下几种运动：n（1）由于地形起伏，大气在这一层中形成各种各样的重力波；n（2）由于风速随高度激增会形成不稳定的湍流；n（3）由地表加热，会形成各种不同型态的对流。
243、 积云对流n空间尺度为 1.010 kmn时间尺度为 1.06.0hn积云对流活动能向大气释放出大量潜热，从而加热大气，因此，它对大气运动具有重要作用25 4、台风和中尺度暴雨系统n空间尺度为 1001000 kmn时间尺度为几小时到23dn由于这种系统它会带来强降水，从而造成严重的灾害265、大气长波与气旋n大气中存在着长被，也称罗斯贝波（Rossby wave）n空间尺度为 6000km左右n时间尺度为67dn它是与地面上所观测的高、低压相联系，并且会带来各种天气现象，控制着大气环流短期变化276、 超长波n大气中存存在着10 000 km左右的行星波（或超长波），这种波动将控制着 15d大气环流的中期与长期变化，是当今大气环流和短期气候变化研究的主要对象n此外，大气环流或气候还有季节内、年际和年代际的变化28(二) 大气运动的尺度分析方法n原始的大气运动方程包含了各种尺度的运动，较为复杂，常需要简化n简化的目的：n一是为了使方程在数学形式上变得简单一些，有利于进行数学推导和求解；n二是为了便与从物理机制上对数学结果进行解释n其最常用的简化方法尺度分析29(二) 大气运动的尺度分析方法n大气中有各种不同尺度运动系统，其水平范围差别相当大。
n各种运动系统能够维持的时间、所占据的空间大小以及它们的物理特性都有很大的差别，n对于如此众多不同形式的运动，方程组中起支配作用的因子也会有明显的不同n在方程组中突出所要研究运动对象项，而略去其它相对贡献较小的项，从而使方程简化，这就是尺度分析的目的30(二) 大气运动的尺度分析方法n一般来说，运动的特点与运动的水平尺度最为密切，故一般都根据大气运动的水平尺度把大气运动进行分类，然后，根据尺度分析方法，略去在运动方程中的小项，从而完全消去或部分滤掉某些不重要的运动类型n因此，尺度分析可以说是一种“过滤”方法，它可以滤去不关心的运动类型，而保目所关心的类型n在应用尺度分析时，事先假定各种运动类型是可分的、是相互没有作用的，在实际大气中，这一点只能是近似成立的n尺度分析方法在动力气象学的研究中被广泛应用n动力气象学是研究大气尺度（水平尺度为数千公里，时间尺度为数天）运动类型的一门学科，是目前进行于气预报的理论基础31(三) 各种尺度运动的相互作用n大气中不同空间、时间尺度运动，它们并不是各自独立的，而是相互作用的n例如，积云、中尺度暴雨系统对于大尺度运动起着很重要的作用，积云与暴雨系统由干强对流运动释放出大量的潜热，这种潜热将严重影响大气中水平尺度为几千公里的罗斯贝波以及上万公里的行星波运动；n相反，大尺度运动，如水平尺度为上万公里的西太平洋副热带高压、季风环流影响着水平尺度为几百公里的中尺度暴雨系统的生成。
我国夏季东部中尺度暴雨系统的生成经常是受东亚季风环流和西太平洋副热带高压的作用n由上可以看出，严格来说，大气运动是非线性的32二、中纬度地区大气系统的特征尺度与尺度分析(一) 中纬度天气系统的特征尺度n首先要利用尺度分析方法对大气运动的动力方程组进行简化n特征尺度的决定：n一方面根据观测的结果；n另一方面有一些基本的原则：n运动的水平尺度，对于波状形式的运动取其14波长，对于涡旋运动则取半径，n垂直尺度H是指系统的垂直厚度，一般可取为对流层顶的高度n时间尺度T取为平流的时间尺度，大体上以西凤带水平移动的天气尺度的气压系统在某一地点由刚出现至达到极值所需的时间33(一) 中纬度天气系统的特征尺度n根据中纬度天气系统的观测结果，各变量的特征尺度如下：1.运动的空间、时间特征尺度n水平尺度为数千公里，即L103km；n垂直尺度为10km左右，即 H10km；n时间尺度为几天，即T105s2.运动特征量n水平速度尺度u，v10m/s；n垂直速度尺度w10-2m/sn气压在水平方向变动的尺度p10hpa34(二) 中纬度天气系统运动的尺度分析n式中f=2Sin是地转参数，n是地球自转角速度，为纬度。
n 对上3式中的小项略去，就可以得出描述中纬度天气系统运动的动力方程组35(三) 中纬度天气系统的动力特征n从上述两个方程可以看到中纬度天气系统的运动是准水平的n这是静力平衡方。