天氣學天氣學引言一、天氣學研究的對象天氣學是研究不同尺度的天氣系統(tǒng)和天氣現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展及其變化的基本規(guī)律，并利用這些規(guī)律來預測未來天氣的科學。而利用天氣學的基本原理，提高預報的準確率，研究并發(fā)展天氣預報方法，是天氣學的最終目的。引言二、天氣學的發(fā)展單站預報方法階段地面天氣圖階段單站與天氣圖預報結(jié)合階段高空天氣圖的引入與波動理論的建立階段開展數(shù)值天氣預報的研究和應(yīng)用階段數(shù)值預報與衛(wèi)星、雷達等先進探測技術(shù)結(jié)合應(yīng)用階段二、天氣學的發(fā)展第一章大氣運動的基本特征

第一節(jié)影響大氣運動的作用力一、基本知識大氣分層：對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層第一章大氣運動的基本特征

第一節(jié)影響大氣運動的作用力一、大氣分為五層，自下而上依次是：對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層

大氣分為五層，自下而上依次是：對流層、平流層、中間層、暖層和氣壓及其單位

在任何表面上，由于大氣的重量所產(chǎn)生的壓力，也就是單位面積上所受到的力，叫做大氣壓。其數(shù)值等于從單位底面積向上，一直延伸到大氣上界的垂直氣柱的總重量。氣壓是重要的氣象要素之一。

單位為：毫巴或百帕

1mb=1hPa=100Pa氣壓及其單位

在任何表面上，由于大氣的重量所產(chǎn)生的壓天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件某地的氣壓值，等于該地單位面積上大氣柱的重量。高度愈高，壓在其上的空氣柱愈短，氣壓也就愈低。因此，氣壓總是隨著高度的增加而降低某地的氣壓值，等于該地單位面積上大氣柱的重量。高度愈高，壓氣壓隨高度變化示意圖

氣壓隨高度變化示意圖

幾種常見的氣壓場形式幾種常見的氣壓場形式槽、槽線脊、脊線槽、槽線脊、脊線天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件兩種參考系中的時間全導數(shù)此關(guān)系對任何矢量均成立兩種參考系中的時間全導數(shù)此關(guān)系對任何矢量均成立絕對速度和相對速度絕對速度相對速度牽連速度絕對速度和相對速度絕對速度相對速度牽連速度絕對加速度和相對加速度絕對加速度相對加速度地轉(zhuǎn)偏向加速度向心加速度絕對加速度和相對加速度絕對加速度相對加速度地轉(zhuǎn)偏向加速度向心局地變化個別變化平流變化對流變化全導數(shù)和局地導數(shù)之間的關(guān)系局地變化個別變化平流變化對流變化全導數(shù)和局地導數(shù)之間的關(guān)系二、影響大氣運動的作用力二、影響大氣運動的作用力影響大氣運動的作用力為：真實力：氣壓梯度力、地心引力、摩擦力虛擬力：慣性離心力、地轉(zhuǎn)偏向力影響大氣運動的作用力為：氣壓梯度力：作用于單位質(zhì)量氣塊上的凈壓力，由于氣壓分布不均勻而產(chǎn)生性質(zhì)：大小與氣壓梯度成正比，與空氣密度成反比，方向指向氣壓梯度方向，即由高壓指向低壓氣壓梯度力：作用于單位質(zhì)量氣塊上的凈壓力，由于氣壓分布不均勻天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件氣壓梯度是由于氣壓分布不均勻而產(chǎn)生的，而氣壓分布不均勻反映在天氣圖上就是等壓線的分布有疏有密，這種等壓線的疏密程度表示了單位距離內(nèi)氣壓差的大小，等壓線愈密集，表示氣壓梯度愈大。氣壓梯度是由于氣壓分布不均勻而產(chǎn)生的，而氣壓分布不均勻反映在兩地之間存在氣壓梯度的話，氣壓梯度就會把兩地間的空氣從氣壓高的一邊推向氣壓低的一邊，于是空氣流動起來，風產(chǎn)生了兩地之間存在氣壓梯度的話，氣壓梯度就會把兩地間的空氣從氣壓高地心引力：指向地心真實存在的力地心引力：指向地心真實存在的力摩擦力：指大氣因具有粘性，當有相對運動時所受到的一種粘性力。指向速度的反方向摩擦力：指大氣因具有粘性，當有相對運動時所受到的一種粘性力。慣性離心力：在旋轉(zhuǎn)坐標系中物體受到向心力的作用卻靜止。違反牛頓運動定律，從而引入此力以平衡向心力，使牛頓運動定律成立。慣性離心力在緯圈平面內(nèi)，與向心力大小相等，方向相反。

慣性離心力：在旋轉(zhuǎn)坐標系中物體受到向心力的作用卻靜止。違反牛地轉(zhuǎn)偏向力：由于坐標系的旋轉(zhuǎn)導致物體沒有受力卻出現(xiàn)加速度，違反牛頓運動定律，從而引入，以使牛頓運動定律在旋轉(zhuǎn)參考系中成立地轉(zhuǎn)偏向力：由于坐標系的旋轉(zhuǎn)導致物體沒有受力卻出現(xiàn)加速度，違地轉(zhuǎn)偏向力的特點：地轉(zhuǎn)偏向力與相垂直，在緯圈平面內(nèi)地轉(zhuǎn)偏向力與風速垂直，只改變氣塊的運動方向，不改變其速度大小在北半球，在水平速度的右側(cè)，在南半球在水平速度的左側(cè)地轉(zhuǎn)偏向力的特點：天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件旋轉(zhuǎn)坐標系中的重力：單位質(zhì)量大氣所受到的地心引力與慣性離心力的合力。重力垂直于水平面，赤道最小，極地最大旋轉(zhuǎn)坐標系中的重力：單位質(zhì)量大氣所受到的地心引力與慣性離心力第二節(jié)控制大氣運動的基本定律大氣運動受到動量守恒、質(zhì)量守恒、能量守恒定律的控制第二節(jié)控制大氣運動的基本定律大氣運動受到動量守恒、質(zhì)量守恒、由上節(jié)分析可得旋轉(zhuǎn)坐標系中大氣運動方程為由上節(jié)分析可得旋轉(zhuǎn)坐標系中大氣運動方程為向量形式的運動方程展開成分量形式，可以在球坐標和局地直角坐標中進行。球坐標系中的運動方程分量形式能夠描述從近地面層附近到全球大氣環(huán)流的各種各樣的運動，它不僅含有旋轉(zhuǎn)坐標系中的各個作用力，還含有地球曲率對相對運動加速度的影響，但形式復雜。在天氣學中除個別問題外，一般采用局地直角坐標系的分量方程向量形式的運動方程展開成分量形式，可以在球坐標和局地直角坐標局地直角坐標系中的分量方程局地直角坐標系中的分量方程連續(xù)方程：表示大氣質(zhì)量守恒定律的數(shù)學表達式或連續(xù)方程：表示大氣質(zhì)量守恒定律的數(shù)學表達式或質(zhì)量散度：單位體積內(nèi)流體的凈流出量>0凈流出<0凈流入表示固定在空間的單位體積內(nèi)流體的凈流出量等于該單位體積內(nèi)流體質(zhì)量的減少質(zhì)量散度：單位體積內(nèi)流體的凈流出量>0凈流出表示固定連續(xù)方程也可變形為速度散度連續(xù)方程也可變形為速度散度速度散度:表示流體在單位時間內(nèi)體積的相對膨脹率或者說式在單位時間內(nèi)單位體積在膨脹時所增加的部分>0體積增大輻散<0體積縮小輻合速度散度:表示流體在單位時間內(nèi)體積的相對膨脹率或者說式在單位當流體不可壓時：為水平散度:流體在單位時間內(nèi)水平面積的相對膨脹率則不可壓縮流體的速度散度為零當流體不可壓時：為水平散度:流體在單位時間內(nèi)水平面積的相對膨熱力學能量方程熱力學能量方程第三節(jié)大尺度運動系統(tǒng)的控制方程尺度分析:針對某種類型的運動估計基本方程各項量級的一種簡便方法零級簡化:只保留方程中數(shù)量級最大的各項,而其他各項都省略不計一級簡化:除保留方程中數(shù)量級最大的各項外,還保留比最大項小一個量級的各項,而將更小的項略去不計第三節(jié)大尺度運動系統(tǒng)的控制方程尺度分析:針對某種類型的運動天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件水平運動方程的零級簡化地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系水平運動方程的零級簡化地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系水平運動方程的一級簡化為地轉(zhuǎn)參數(shù)水平運動方程的一級簡化為地轉(zhuǎn)參數(shù)垂直運動方程的零級、一級簡化即靜力方程垂直運動方程的零級、一級簡化即靜力方程連續(xù)方程的零級簡化連續(xù)方程的零級簡化熱力學能量方程的零級簡化熱力學能量方程的零級簡化當時間比較短并且無凝結(jié)過程的天氣時，非絕熱作用很小，則熱力學方程化為如下形式，表示在非決熱作用很小時，大尺度系統(tǒng)的局地溫度變化主要是溫度平流引起當時間比較短并且無凝結(jié)過程的天氣時，非絕熱作用很小，則熱力學熱力學能量方程的一級簡化熱力學能量方程的一級簡化大尺度運動零級簡化方程組中緯度大尺度運動具有準定常準水平準地轉(zhuǎn)平衡準靜力平衡準水平無輻散特點大尺度運動零級簡化方程組中緯度大尺度運動具有準定常準水平準地中緯度大尺度運動一級簡化方程組中緯度大尺度運動一級簡化方程組第四節(jié)P坐標系中的基本方程組一、位勢和位勢高度位勢（重力位勢）：單位質(zhì)量的物體從海平面上升到高度z克服重力所作的功第四節(jié)P坐標系中的基本方程組一、位勢和位勢高度位勢（重力當物體在等位勢面上移動時，位能不發(fā)生變化，不需要克服重力作功，等位勢面處處與重力方向垂直，等位勢面是水平面，用位勢度量等壓面上各處距海平面的高度，在水平運動方程中不存在重力的分量，比較方便，但位勢的單位是焦耳/千克，不是高度單位，為了應(yīng)用的方便，定義位勢米為位勢高度單位。當z=1m時定義：1位勢米=9.8焦耳/千克，以H表示。則以位勢米表示的位勢高度為：當物體在等位勢面上移動時，位能不發(fā)生變化，不需要克服重力作功二、P坐標系中大氣運動基本方程組二、P坐標系中大氣運動基本方程組第五節(jié)風場和氣壓場的關(guān)系大尺度系統(tǒng)的運動方程，揭示了中緯度大尺度運動中相當簡單的作用力平衡關(guān)系，說明大尺度運動具有平衡運動的特征，本節(jié)主要依據(jù)這種力的平衡關(guān)系，討論地轉(zhuǎn)風、梯度風、熱成風等，并建立風場、氣壓場和溫度場之間的關(guān)系第五節(jié)風場和氣壓場的關(guān)系大尺度系統(tǒng)的運動方程，揭示了中緯地轉(zhuǎn)風（geostrophicwind）地轉(zhuǎn)風是指自由大氣中空氣的水平等速直線運動，是指無加速度、慣性離心力不起作用情況下的運動。在這種運動中，只有水平氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力起作用。地轉(zhuǎn)風是自由大氣中水平氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力相平衡時的空氣的水平運動。

地轉(zhuǎn)風是平衡運動，它受到的合外力等于零，沒有加速度?？諝膺\動平行于等壓線，人背風而立，高壓在右，低壓在左。地轉(zhuǎn)風（geostrophicwind）地轉(zhuǎn)風是指自由大氣Z坐標系的地轉(zhuǎn)關(guān)系Z坐標系的地轉(zhuǎn)關(guān)系P坐標系的地轉(zhuǎn)關(guān)系P坐標系的地轉(zhuǎn)關(guān)系天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件地轉(zhuǎn)風的特點：地轉(zhuǎn)關(guān)系是在無摩擦，不考慮加速度和垂直方向的地轉(zhuǎn)偏向力的情況下近似成立的地轉(zhuǎn)風與氣壓梯度力成正比，與密度和地轉(zhuǎn)參數(shù)成反比（應(yīng)用）地轉(zhuǎn)風與等壓線平行，在北半球，背風而立，低壓在左高壓在右，南半球，背風而立，低壓在右高壓在左（風壓定律）（應(yīng)用）地轉(zhuǎn)風的特點：平時我們說水往低處流，那么空氣也應(yīng)該從高壓向低壓流動了。但實際上卻是平行于等壓線流動的，這是地轉(zhuǎn)偏向力影響的結(jié)果。因為，當有了氣壓梯度之后，空氣要從高壓向低壓流，但一有運動，就會受地轉(zhuǎn)偏向力的作用，使運動方向向右偏(北半球)，隨著運動方向的改變，偏向力的方向也改變，因為偏向力的方向永遠垂直于運動方向所指的右方。平時我們說水往低處流，那么空氣也應(yīng)該從高壓向低壓流動了。但實天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件梯度風gradientwind

梯度風是地轉(zhuǎn)風在一定條件下，轉(zhuǎn)化成另一種大尺度的系統(tǒng)風。當?shù)剞D(zhuǎn)風在圓形的氣壓場中時，風是做等速曲線運動。作曲線運動物體的運動軌道，都有一定長度半徑，所以風在運動時，除梯度力、偏向力作用外，還要受到慣性離心力的作用，當三個力作用平衡時，有效分力為零，風沿等壓曲線作慣性等速曲線運動，這就是梯度風。梯度風gradientwind梯度風是地轉(zhuǎn)風在一定條梯度風表達式慣性離心力氣壓梯度力地轉(zhuǎn)偏向力梯度風表達式慣性離心力氣壓梯度力地轉(zhuǎn)偏向力應(yīng)用地轉(zhuǎn)關(guān)系，氣旋性環(huán)流中對風速估計過高應(yīng)用地轉(zhuǎn)關(guān)系，氣旋性環(huán)流中對風速估計過高天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件應(yīng)用地轉(zhuǎn)關(guān)系，反氣旋性環(huán)流中對風速估計過低應(yīng)用地轉(zhuǎn)關(guān)系，反氣旋性環(huán)流中對風速估計過低天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件梯度風應(yīng)用：大尺度系統(tǒng)，氣旋性環(huán)流與低壓相結(jié)合，低壓中心就是氣旋性環(huán)流中心；反氣旋性環(huán)流與高壓相結(jié)合，高壓中心就是反氣旋性環(huán)流中心梯度風應(yīng)用：應(yīng)用：低壓中心等壓線可分析的密集些，高壓中心附近等壓線應(yīng)分析的稀疏些實際中，大風區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)在低壓中心和高壓邊緣區(qū)域氣旋中心氣壓梯度和風速可無極限，而在反氣旋中則有極限，梯度風有一極大值應(yīng)用：低壓中心等壓線可分析的密集些，高壓中心附近等壓線應(yīng)分析熱成風thermalwind熱成風：地轉(zhuǎn)風隨高度的改變量或鉛直方向上兩等壓面上地轉(zhuǎn)風的矢量關(guān)系，以表示熱成風thermalwind熱成風：地轉(zhuǎn)風隨高度的改變量或天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件熱成風與平均溫度線或厚度梯度平行，背風而立，低溫在左高溫在右熱成風大小與平均溫度梯度或厚度梯度成正比，與緯度成反比熱成風與平均溫度線或厚度梯度平行，背風而立，低溫在左高溫在右常用熱成風關(guān)系式常用熱成風關(guān)系式熱成風與冷暖平流地轉(zhuǎn)風隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流，地轉(zhuǎn)風隨高度逆轉(zhuǎn)有冷平流熱成風與冷暖平流地轉(zhuǎn)風隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流，地轉(zhuǎn)風隨高度逆轉(zhuǎn)有天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件地轉(zhuǎn)偏差

geostrophicdeparture實際風與地轉(zhuǎn)風之差稱為地轉(zhuǎn)偏差，或偏差風地轉(zhuǎn)偏差

geostrophicdeparture實際風與在氣壓梯度力G和地轉(zhuǎn)偏向力A平衡的條件下，風本來沿著等壓線方向等速前進（V），但摩擦力R從它背后拉一把，風速減小為VR，地轉(zhuǎn)偏向力由于風速減小也跟著減小為AR，于是氣壓梯度力便超過被削弱了的地轉(zhuǎn)偏向力而把風拉向低氣壓一側(cè)。這時候地轉(zhuǎn)偏向力為了與風向保持垂直，摩擦力為了與風向保持反向，它們都跟著風向一起向左偏轉(zhuǎn)。雖然摩擦力和地轉(zhuǎn)偏向力不在一個方向上，它們之間始終保持一個直角，但它們?nèi)匀宦?lián)合起來，共同和氣壓梯度力相抗，當它們的合力（R＋AR）偏轉(zhuǎn)到和氣壓梯度力大小相等方向相反時，矛盾著的雙方力量對比又恢復到平衡狀態(tài)。在摩擦力的參與下達到新的平衡了。這時候風便以穩(wěn)定的速度和一定的交角，斜穿等壓線從高壓一側(cè)向低壓一側(cè)吹去自由大氣中的地轉(zhuǎn)偏差在氣壓梯度力G和地轉(zhuǎn)偏向力A平衡的條件下，風本來沿著等壓線方天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件低壓中的空氣逆時針流動，但有向內(nèi)流的分量高壓中的空氣順時針流動，但有向外流的分量低壓中的空氣逆時針流動，但有向內(nèi)流的分量天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件自由大氣中的地轉(zhuǎn)偏差：當氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力不平衡時，產(chǎn)生加速度地轉(zhuǎn)偏差垂直于加速度的方向，并指向加速度方向的左方，其大小為：自由大氣中的地轉(zhuǎn)偏差：當氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力不平衡時，產(chǎn)生+變壓風：由變高(或變壓)梯度表示的地轉(zhuǎn)偏差+變壓風：由變高(或變壓)梯度表示的地轉(zhuǎn)偏差法向(橫向）偏差切向（縱向）偏差法向(橫向）偏差天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件中緯度西風帶對流層中，高層以縱向、橫向輻散輻合為主，低層以變壓風輻散為主：槽前脊后：變壓風輻合縱向輻散橫向輻散槽后脊前：變壓風輻散縱向輻合橫向輻合因此高層槽前脊后輻散槽后脊前輻合低層槽前脊后輻合槽后脊前輻散

中緯度西風帶對流層中，高層以縱向、橫向輻散輻合為主，低層以變天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概要ppt課件天氣學原理和方法--第一章-大氣運動的基本特征概