《高等大气动力学讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高等大气动力学讲义（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、高等大气动力学讲义(第三稿)第一章 引论1、大气动力学的内容，方法和意义2、高等大气动力学讲述的主要内容3、大气动力学发展(简)史1、大气动力学的内容，方法和意义1.1内容大气动力学把地球(行星)大气作为连续介质(流体)，用流体力学、热力学定律研究其中发生的各种尺度的宏观运动，总结运动规律，探索运动的机制，为预测大气的运动提供理论基础。高等大气动力学：对物理内涵的阐释更加精准，使用的数学方法更加严谨，得出的结论更具普遍意义及一般性。该课程与大学所修“动力气象学”之关系，类似普通物理学与理论物理学之关系。大气(地球流体)大尺度运动与普通流体之运动主要异处有三：层结性：层结性使之更具“弹性”；旋转
2、性：旋转性使之更具“刚性”；斜压性：斜压性使之更具“活性”。此为地球流体(大气与海洋)大尺度运动之主要特性，此外，大气运动还有以下独特属性：气压场(质量场)、温度场、湿度场均与流场耦合，而非相互独立；不同时空尺度的运动之间存在复杂的非线性相互作用。就大气运动而言，水汽相变至为重要且困难；辐射过程为另一重要且复杂之过程。这些过程令大气运动之动力过程与热力过程相耦合，能量过程与物质过程相耦合，使问题复杂化，然亦令大气运动运动丰富且独特。此外，非线性过程令不同尺度(时间尺度、空间尺度)之运动间耦合，亦使大气运动复杂而多彩。大气中各种时空尺度的运动规律及其物理机制，不同时空尺度运动间的相互作用，是大气
3、动力学研究的核心内容。本课程主要关注大气的大尺度运动。图1.1 该图给出了辐射传输、水汽过程、大气运动等热力、动力过程的耦合。大气辐射过程与大气中的水汽含量和分布密切相关，水汽的分布状况有强烈依赖于大气运动，而大气的运动多于热源强迫有关，热源的状况本质上又是辐射过程决定。如此以来，热力过程与动力过程相耦合，形成一个相互作用的复杂的系统。复杂系统往往较为稳定，形成观测到的相对稳定的气候。1.2 方法观测(实验)研究：获得(收集)观测资料加以分析，去粗取精，去伪存真，发现最核心的物理现象，提出科学问题。在分析现象的基础上，抽象出简明的物理模型。如Bjerknes在分析北欧天气图的基础上，提出著名的
4、锋面学说，创立挪威学派。善于抓住他人可能忽略的东西，如Rossby抓住了Laplace潮汐方程中的行星波即Rossby波，前人只注重了重力波和惯性波，忽略了大尺度大气动力学中最为关键的运动。Landau研究等离子体问题时，抓住了他人忽略的粘性，得到了等离子体的Landau(阻尼)效应。理论研究：把观测分析所得物理模型表述为数学物理方程，首先研究其合理性，是否自洽(进行理性检验：解是否存在？若存在，是否唯一？是否稳定？等)；确认方程合理后，看是否有现成的数学方法加以求解，若无直接可用的数学方法求解，看可否作某些合理的修正后，使用现成的数学方法(大部分问题这样解决)，但须保证修正不致破坏物理内涵，
5、即保证修正的合理性。若无现成方法，则需创造新的数学方法来解决问题。如曾庆存先生书第五章，为证明球面上Laplace方程初值问题解的存在性和解按特征函数展开的完备性等基本问题，专门建立了球面上的Soblev空间理论。认真分析所得解答结果与结论，论述、论证其合理性与局限性。用所得结果解释已观察到的问题和现象，合理推测尚未观察到但可能存在的新现象(Matsuno关于赤道波动的研究即为典型例子)。预言的现象可在观测分析中重新寻找，以验证预言。(有时是证实，证明模型的正确性；有时是证伪或者部分证伪，证明模型有局限性，需改进。)数值研究与实验室实验：随着计算机和计算技术的发展，数值方法成为研究大气动力学的
6、重要手段，也使得数值天气预报和气候数值模拟成为现实。此外，流体力学实验技术的进步，亦可用流体实验的方法进行地球流体力学实验。数值试验：优点：不需对模型大规模简化；可求解非线性问题；可进行各种“敏感性”实验。缺点：所求均为特解，有失一般性。实验室实验：优点：直观，真实。缺点：难以解决相似性问题。1.3 意义从理论上认识大气(大尺度)运动的基本规律，探索大气环流和气候的形成、演变机制与原理，为更加准确合理地预测天气与气候状况及其变化提供坚实的理论基础。2、高等大气动力学讲述的主要内容2.1预修课程数学物理方法、理论力学、流体力学、动力气象学。2.2教学目的和要求本课程为大气科学各专业研究生的学科基
7、础课。高等大气动力学课程旨在大学本科阶段所修动力气象学基础上，进一步加深对于大尺度大气动力学的基本概念、基本理论的精准理解以及对大尺度大气动力学基本研究方法的熟练掌握。以此为基础，在较高的理论水平上系统讲述大尺度大气动力学的核心内容以及这些进展的天气学、气候学意义。 通过本课程的学习，让学生掌握基本概念、基本理论和基本研究方法，为将来从事大气科学个领域的研究准备必要的大气动力学基础，掌握现代大气动力学理论，了解目前国际上该学科的前沿知识和发展趋势，完成普通物理水准的初等动力气象学向理论物理水准的高等大气动力学的过渡，以便服务于即将从事的大气科学研究。2.3内容提要：第一章 引论本章主要介绍大尺
8、度大气动力学的发展历史，着重介绍挪威学派的锋面气旋理论，芝加哥学派的长波理论，莫斯科学派的动力平流理论，非线性大气动力学的多平衡态理论，我国及华裔气象学家的贡献等(如郭晓岚的动力不稳定理论，叶笃正的长波频散理论，叶笃正和曾庆存的地转适应理论，曾庆存的旋转适应理论和波包动力学理论等)。第二章 大气动力学基本理论本章在较高的水准和视点上回顾并深化大尺度大气运动的基本属性，既是对大学所学动力气象学内容的回顾，也是精炼与提高。同时为本科专业为数学、物理学和工程学背景的学员学习本课程提供一个过渡。1、大气运动的基本方程与初始及边界条件；2、大气的层结特征与旋转特征，标准层结近似；层结旋转属性对三维大气运
9、动的影响；3、大气中的波动与涡旋，小扰动、局地平面坐标下的小扰动和运动分类；球面上的小扰动；4、波动与波流相互作用，旋转适应的基本概念；5、大气运动的不稳定；6、大气环流动力学。第三章 大气运动的整体性质 保守属性和守恒量 大气运动方程的各种近似本章系统介绍大气运动的整体性质和主要守恒量，如质量守恒、角动量守恒、位涡拟能守恒以及平均尺度守恒等。这些守恒性质体现了大气运动的整体对称性，是建立大气模式和简化大气运动方程应遵循的基本原则和基本约束。在遵守这些基本原则的前提下，可根据需要，对大气运动方程进行合理简化，以便突出所研究问题的本质特征。第四章 地转适应过程本章探讨行星大气地转适应过程的物理本
10、质及其数学方法。内容包括地转适应过程的物理含义；内波的弥散；表面被的弥散；惯性波的弥散；平面地面近似下的适应过程以及球面大气的适应过程。适应了的场。适当介绍近赤道地带的适应过程及其特殊性。第五章 准地转演变过程和不稳定理论本章从大气动力过程的阶段性入手，指出大气运动基本上可以分为较快的适应过程和缓慢的演变过程，引入波包动力学的基本理论，论述正压大气和斜压大气中天气系统的发生和发展的一般理论，介绍正压大气和斜压大气演变的积分性质，讨论各种地形对大气运动演变的影响。以正压不稳定和斜压不稳定为例，系统介绍大气动力不稳定理论的物理本质和数学方法，包括线性理论，弱非线性理论和非线性稳定性理论的变分方法等
11、。第六章 热带大气动力学与热带外大气动力学以准地转运动和斜压有效位能释放为其主要特征有所不同，热带大气动力学有其特别属性。本章热带大气运动的基本物理特征出发，导出热带大气运动的基本方程，系统讨论热带大气系统中存在的波动形式及其性质，着重强调热带大气运动的潜热加热和湿对流动力学-热力学特征，建立热带大气环流动力学的基本理论。第七章 大气动力学专题介绍本章介绍大气动力学的若干专题内容，以便学员在掌握前六章内容的基础上，在以后的研究中选择和拓展适合自己的研究方向。内容包括：1、大气非地转演变过程，包括适应过程与演变过程的相互作用，非地转不稳定等；2、非线性大气动力学，包括非线性大气动力学的非平衡态理
12、论；3、平流层大气动力学，对流层大气与平流层大气的相互作用；4、热带大气与热带外大气的相互作用，大气低频振荡动力学；5、大气动力学的哈密顿形式和几何理论。2.4教材1. 曾庆存，数值天气预报的数学物理基础（第一卷），科学出版社，北京，1979（第一、二、三、四、五、六、七、八章）2. Holton J. An introduction to Dynamic Meteorology (fourth edition): Amsterdam, Elsevier, 2004.2.5主要参考书1. Monin A. S. Theoretical Geophysical Fluid Dynamics, D
13、ordrecht: Kluwer Academic Publishers, 19902. Andrews D. G. Holton J. R. Leovy C. B. Middle Atmosphere Dynamics. New York: Academic Press, 19873. Pedlosky J. Geophysical Fluid Dynamics. New York: Springer, 19874. Gill A. E. Atmosphere-ocean Dynamics. New York: Academic Press, 19825. Vallis G. K. Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics: Fundamentals and Large-scale Circulation. Cambridge: Cambridge University Press, 20063、大气动力学发展(简)史见ppt内容。5
