天气学原理和方法天气学原理和方法 1 第一章 大气运动的基本特征 地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关大气运动在空间和时间上具有很宽的尺度谱，天气学研究的是那些与天气和气候有关的大气运动大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配为了应用这些物理定律讨论在气象上有意义的相对于自转地球的大气运动，本章首先讨论影响大气运动的基本作用力，和在旋转坐标系中所呈现的视示力，然后导出控制大气运动的基本方程组，并在此基础上分析大尺度运动系统的风压场和气压场的关系，并引出天气图分析中应遵循的一向基本指导原则 第一节旋转坐标系中运动方程及作用力分析 一、旋转坐标系中运动方程 1.与 假设t0时刻一空气质点位于P点，经dt时间，质块移到Pa点，地球上的固定点P移到了Pe位置位移为R，质块相对固定地点的位移为R， 图1.1 旋转坐标系 显然当 0位移很小时单位时间内的位移为由此得此关系式表明：绝对速度等于相对速度与牵连速度之和 2．与的关系 2 地球自转角速度为 则 于是 由此可得微分算子 将微分算子用于则有 再将代入上式右端得 式中为地转偏向力加速度，即柯氏加速度 为向心力加速度 3．牛顿第二定律 单位质量的空气块所受到的力 在绝对坐标系中单位质量空气块受到的力有 +：地心引力 F：摩擦力 将此式代入式： 3 *） 5 代入，则 图1.1.4 旋转坐标系中的惯性离心力 ④ 讨论： 4．重力 ① 定义： 地心引力与惯性离心力的合力 大小：与纬度成反比，赤道处最大 方向：在纬圈平面内，垂直地轴指向内 图1.1.5 重 力 ② 表达式： ③ 讨论： 5．地转偏向力 ①定义： 大小：随纬度增大而增大 方向：垂直地球表面指向内 观测者站在转动地球上观测单位质量空气块运动，发现在北半球有一个向右偏的力，在南半球它向左偏。
此力就称为地转偏向力 ②表达式 ③推导： 见《流体力学》 6 图1.1.6 地转偏向力 ④讨论: 大小: 与成正比,与夹角也成正比 ,指向右(北半球) 的大小 方向:垂直地轴和※只能改变运动方向，但不能改变6．摩擦力 这里所说的摩擦力是指大气因具有粘性，当有相对运动时所受到的一种粘性力 第二节基本方程组 一．运动方程 运动方程 (1.16) 二．状态方程 状态方程 三．连续方程 1．各种形式的连续方程 (1). 质量散度形式的连续方程: (2)． 速度散度形式的连续方程： (3). 7 不可压缩流体的连续方程： 2．质量散度形式的连续方程的推导 单位时间 方向流入A 面的质量 图1.2 单位体积的质量净流量 方向流出B 面的质量 净流出质量 同理， 方向： 方向： 总净流出： 根据质量守恒原理： (1.34) 3. 讨论： 含义：单位时间通过固定的单位体积的质量改变量大于零表示净流出，质量减少；小于零表示净流入，质量增加 四．热力学能量方程 8 热力学能量方程 第三节大尺度系统运动的控制方程 一．大气分类 大气运动系统分类 行星尺度大尺度中尺度小尺度 KM KM KM KM 二．引入特征尺度 特征尺度的含义： 特征尺度是表示特定类型运动的空间范围和时间区间的物理量或其它特性一般大小的一种尺度，也就是用来表示特征值的尺度 例如： 就是特征尺度 制 大尺度系统运动在中纬度地区，特征尺度数量级，采用三．运动方程简化 水平方向的运动方程的尺度分析 表1水平运动方程的尺度分析 分量 各项尺度 数量级 表2垂直运动方程的尺度分析 9 分量 各项尺度 ） g 10 数量级 2．表达式 3．推导： 图1.3 地转风 13 根据定义：除以，再乘以 "P"系： 4．讨论： ① 采用地转近似 ② 大小：和水平气压梯度力成正比，与纬度和空气密度成反比 ③ 方向：沿等压线吹，背风而立，右手边较高 ④ 性质：地转风的水平散度等于零 二． 梯度风 1． 定义： 空气块作曲线运动，风沿等压线或等位势线吹，在三个力，即水平气压梯度力、水平地转偏向力、惯性离心力的作用下风呈气旋性弯曲，或反气旋性弯曲，这种风称为梯度风。
2． 表达式： 3． 推导：从水平方程入手 在自然坐标系下将：展开可得： 根据定义：风沿等压线运动，为梯度风 14 (1.88) 4．讨论： ⑴．适用范围：北半球，大尺度系统运动，曲线运动，三力平衡，中高纬地区 ⑵．气压场风场 高压周围的风场是顺时针旋转 图1.4 大尺度高压中的梯度风平衡 低压周围的风场是逆时针旋转 图1.5 大尺度低压中的梯度风平衡 ⑶．风场气压场 图1.6 风场与气压场的关系 ⑷．梯度风速率 (1.89) ⅰ气旋式环流 ＞0 ＞0 ＜0 ① 根号前取正号： 15 ＞0；有意义 低压中心附近＞＞0 结论：低压中心附近有大风 ② 根号前取负号： ＞＞0 ＞＞0 ＜0 ＞0 ＞0 ＜0 有＜0；无意义 ⅱ反气旋式环流 ＜0 ① 根号前取负号： 图1.7 大尺度运动系统中 不合理的反气旋性环流 ＞0 ＜0 ＞0 16 考察是否三力平衡： a. b. 很小三力不平衡，不是梯度风 ② 根号前取正号： 此时，不是三力平衡而是二力平衡，变成了地转风 ＜0 ＞0 ＜0 ＞0 考虑是否三力平衡 ＞0，很大 时 (1.91) 风速最大 (1.92) 三． 地转风与梯度风比较 自然坐标系下，地转风为： 把它代入中得： 地转风与梯度风之比为： (1.93) 17 由此式可得： 气旋： ＞0 反气旋： ＜0 ＞0 ＜＞0 ＞理论上 在气旋环流中地转风夸大了实际风 在反气旋环流中地转风缩小了实际风 四． 地转风与梯度风的实际意义 1． 引出天气图分析的基本原则 ①．风基本沿等压线、等高线运动，背风而立，气 压高的在右，低的在左。
②．逆时针旋转分析低压；顺时针旋转分析高压 ③．低压中心附近等压线密，有大风；高压边缘等 压线密，有大风 2． 在中高纬地区，采用地转近似而不采用梯度风近似 五．流线与轨迹 1．定义 ㈠流线：是指描述任意瞬间速度场的曲线，处处与风向 相切并指向气流方向的曲线 ㈡轨迹：是指在有限时间间隔内个别空气块运动的路径 2．日常中，等压线等高线近似为流线，不能当作轨迹线 第六节热成风 一． 定义 定义 a.上下两层地转风的矢量差，称为这两层之间的热成风 b.地转风随高度的变化，称为热成风 图1.8 热成风 二． 表达式 表达式 向量形式 18 分量形式为： 三． 推导 根据定义 厚度公式代入得： (1.96) 四． 讨论 1．适用范围：中高纬度、大尺度系统、北半球 2．大小： a．与纬度成反比，与等厚度线的疏密成正比 b．与纬度、等压面差距、温度有关 3．方向 热成风沿气层的等厚度线吹，背风而立，厚度高的在右 五． 实用意义 1．条件：大尺度、中高纬度、北半球 2．如果地转风随高度逆转，则气层间有冷平流；如果地转风随高度 顺转，则气层间有暖平流。
实际风随高度逆转，则气层温度降低；实际风随高度顺转，则气层温度升高 (a)逆转 3．判断气层的稳定度 19 (b) 顺转 图1.9 地转风随高度变化与冷暖平流 4．判断对称的冷低压、暖高压是深厚系统 对称的暖低压、冷高压是浅薄系统 六．热成风发生在斜压大气中 1．正压大气定义：大气中密度的变化仅仅随气压而变 化时，即称为正压大气 2．斜压大气定义：大气中的密度分布不仅随气压而且还随温度而变时，即的大气称为斜压大气 在中高纬度多采用斜压大气 在低纬度多采用正压大气 第七节地转偏差 一． 地转偏差的定义 实际风与地转风的矢量差称为地转偏差 ，这种状态，这种状态的大气很小，但很重要： 图1.10 地转偏差 ① 引起的变化 ②可以引起辐散和辐合二． 摩擦层中地转偏差 1．推导：水平运动方程零级近似 用方程 20 2．讨论： ① 适用范围：大尺度系统，中高纬度，北半球，考虑摩擦阻力 ② 大小： 图1.11 摩擦层中力的平衡 ③ 方向：指向摩擦力的右方 三． 自由大气中的地转偏差 1．推导：从水平运动方程一级近似入手 (*) 用方程 21 (1.100) 2．讨论 ① 适用范围：大尺度系统，中高纬度，北半球，自由大气 ② 大小： ③ 方向：既可能在的左方，也可能在右方，由大小定 四． 自由大气种地转偏差的应用 自由大气作曲线运动 (1.102) 令 ①采用地转近似代入 方向：等变压梯度的方向 正变压中心代表地转偏差的辐散 负变压中心代表地转偏差的辐合 ② ③地转近似代入 第二章气团与锋 22 天气现象的空间分布与天气过程的时间变化很复杂，但是天气工作者在长期的实践工作中，从大量的个例中归纳出了一套关于天气现象与天气过程的最主要和最典型的特征，并且用这些特征对天气现象与天气过程作了系统性的概括。
XX年前后挪威学派V.J.皮叶克尼斯和伯杰龙等人以温度场为主要特征提出了气团与锋的概念，并运用这些概念从千变万化的天气现象与天气过程中总结出了许多天气分析和天气预报规则 第一节气团 一． 气团概念 1．气团定义：大范围的各种物理属性相对比较均匀的大气 2．气团控制范围： 3．气团控制天气： ① 水平方向：温度湿度相对均匀 ② 垂直方向：温度湿度变化大 ③ 天气大致相同 ④ 单站要素变化缓慢，但日变化大 二． 气团形成与变性 1．气团形成 ① 要求：下垫面相对比较均匀 ② 天气系统为辐散下沉气层 2．变性：气团的物理属性发生变化 在我国都是变性气团 三．气团分类 1．热力分类 2．地理分类： ① 北极气团 ② 极地气团 ③ 热带气团 ④ 赤道气团 四．影响我国的气团的活动情况与天气表现 1．冬季：北极气团、极地大陆气团 晴，冷。