天气学原理和方法 第一章 大气运动的基本特征概要
天气学原理-第一章
气压梯度力的讨论：
1.气压梯度力是由气压分布不均匀引起的。
2.气压压指G梯向 度 低力压Px的，x方垂yy向直z z指于向等–压1 线P的。方 向1 ，Px即i由 高Py
j
P z
k
3.气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空 气密度成反比，即等压线越密集，气压梯度 越大。 在同样的气压梯度下，高处的风就比低处 的风大，因为高空的密度小。
3.关于静力学方程，连续方程，热力学方程的方程式 和意义；速度散度的表达式和意义
4.大气运动系统的分类与尺度 5.地转风、梯度风、热成风的定义、表达式、意义 6.热成风与冷暖平流的关系 7.中纬度系统的温压场结构特点 8.地转偏差的定义 9.摩擦层中、自由大气中的地转偏差的概念、表达式和意义
0
1
p y
f u
0
1
p g z
39
大尺度运动系统的特征(中高纬):
1.准水平
ω→0
2.准静力平衡
3.准地转
地转偏向力与气压梯度力相平衡
4.自由大气
F→0
40
第4节 “P”坐标系中的基本方程组
P坐标系的运动方程
z坐标系：(x，y，z，t)来表示空间点的位置 p坐标系：(x，y，p，t)来表示空间点的位置
3、地转风风速大小与水平气压梯度成正比，等压线越密 集，地转风越大；与纬度成反比，相同的水平气压梯 度力，高纬风小，低纬风大。风速相同，在低纬的等 高线应比高纬的等高线分析得稀疏些。
4、
地转风散度为零
51
5、地转平衡只能看成是一种近似关系，绝对的地转 平衡并不存在。
天气学原理和方法(1-5)
天气学原理和方法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. 二（绝对速度）与丁（相对速度）假设t o 时刻一空气质点位于P 点，经t 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 兰R ，图1.1旋转坐标系显然匚：=Z-血 &当…- 0位移很小时边左=匚圧_晟占daR dR d^R----- = ------ + -------单位时间的位移为 皿 逸 皿由此得=「兀此关系式表明：绝对速度等于相对速度与牵连速度之和d^V dV2.与az 的关系地球自转角速度为= Q: /x -S由此可得微分算子则于是daR _dtda d -——=—十C △将微分算子用于―则有dCt VCt ——= ---+ G A 九dt dt再将兀！代入上式右端得daVa dVdt _ _ __ _ _ 存=-- 2Q ----- +0八（Q 人卫）dt dt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F — m --------------dt在绝对坐标系中单位质量空气块受到的力有叱L=_—w+ /去：地心引力F:摩擦力将此式代入（*）式:竺二一丄VF + GC-2Q A产一心八⑸入氏）十F di q 、作用力分析 1 .气压梯度力(*)daVa F=> dt单位质量的空气块所受到的力①定义：单位质量空气块所受的净空气的压力图1.1.2 作用于气块上的气压梯度力的X分量-&电& = Fyy方向：哲'- —&①隹=Fzz方向：F =弘+ Fy ¥ F去净空气总压力—（迄+K/+里灯％沁dx dy fem =a②表达式③推导:x方向: B面PA 面:-(P+u净压力: g茨&卸歷=F A同理G=-大小：气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比方向：气压梯度力的方向指向的方向，即由高压指向低压的方向①定义：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力G：= ^=常数②表达式K:万有引力常量M :地球质量图1.1.3 地心引力受力分析图④讨论:大小：不变，常数④讨论:a：到地心的距离(1.2)实用标准文档3.惯性离心力①定义：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（•’'■观测它的运动，发现它是静止的，这必然引入一个与向心力大小相同，方向相反的力，此力称为惯性离心力图1.1.4旋转坐标系中的惯性离心力④讨论：大小：- 与纬度成反比，赤道处最大方向：在纬圈平面，垂直地轴指向4.重力方向：指向地球心②表达式(1.5)③推导: di① 定义： 地心引力与惯性离心力的合力图1.1.5 重力大小：随纬度增大而增大方向：垂直地球表面指向5 .地转偏向力①定义： 观测者站在转动地球上观测单位质量空气块运动(〕右偏的力，在南半球它向左偏。
大气运动的基本特征
第一章 大气运动的基本特征
大气科学学院 苗春生
1.1 影响大气运动的作用力
➢ 气压梯度力的数学表达式：G p x y z / x y z
➢ 气压梯度力的推导：
设气块为一个六面体，取局地直角坐标系，其体 积为 V x y z(图1.1)。
设周围大气作用于B 面上的压力为p y z ，
则作用于A面上的压 力应为 ( p p x) y z
一个沿x方向的作用力f zx，下部
流体必施于 z面0 上部流体层一个
反作用力- f ， zx
f zx
A u
z
摩擦力与作用面积,垂直切变成正比
第一章 大气运动的基本特征
大气科学学院 苗春生
1.1 影响大气运动的作用力
定义 为动力粘滞系数， 为 z作x 用于单位面积的粘滞
力，称为切应力或雷诺应力。
上部大气作用的X方向切应力
(p i p j p k) x y z p x y z 全矢量形式 x y z
第一章 大气运动的基本特征
大气科学学院 苗春生
体积元上的总净压力 (p i p j p k) x y z p x y z x y z
1.1 影响大气运动的作用力
按气压梯度，气压梯度力的定义
由于气压分布不均匀而造成的单位体积气块上
一、基本作用力-----气压梯度力
➢ 气压梯度的定义：当气压分布不均匀，气块就会受 到一个净压力的作用，作用于单位体积气块上的净 压力称为气压梯度。
➢ 气压梯度力的定义：当气压分布不均匀，气块就会 受到一个净压力的作用，作用于单位质量气块上的 净压力称为气压梯度力。
G p x y z / x y z 1 p ？？
用绳子牵引转动单位质量的球
天气学基础课件——大气运动的基本特征
二、地心引力
万有引力： 地球对单位质量空气的引力：
(地球半径为a,质量为M，空气块质量为m，离地高度为z)
因为 ：
即
所以 ：
—— 海平面的地心引力（常数）
P z
k
3.气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气的 密度成反比，即等压线越密集，气压梯度越大。
在同样的气压梯度下，高出的风就比低处的风大， 因为高空的密度小。
4. 水平气压梯度力 比垂直气压梯度力小很多。
水平方向: 100 km 相差1hpa 垂直方向: 8-10 m 相差1hpa 1000hpa~850hpa 平均相差1500m
研究方法：1、 天气图——工具 建立天气模式，分析天气过程的演变规律
2、定性的物理分析方法 a)天气图看懂 b)公式意义明确（不在于推导）
4.课程内容和参考书
内容：1——5章 参考书：梁必琪的《天气学》
5.要求
• 天气学 、天气分析、动力气象联系学习 • 认真阅读课本 • 每章思考题——记忆 • 考试：思考题范围之内
表达式:
单位：焦耳/千克
g=const
• 1位势米 因为当z=1米 Φ=9.8焦/千克 所以认为定义一位势米就是9.8焦/千克
位势高度:
g=9.8 常数
• 等位势面的优点:
等位势面不平行于等几何面,只在海平面上重合
等位势面处处与重力方向垂直,无重力分量——相 当于是空中水平面
三、惯性离心力 向心力～向心加速度
惯性离心力
• 讨论： 1. 的方向垂直于地轴，指向地球外侧。 2. 的大小随纬度变化：赤道最大，极地最小。 3. 地球自转角速度Ω=2π/24小时=7.29×10-5 /秒 . 4. 地表上每个静止物体均受到惯性离心力的影响。
805天气学
南京信息工程大学硕士研究生招生入学考试《天气学》考试大纲科目代码：805科目名称：天气学第一部分目标与基本要求一、目标：天气学原理与方法（天气学）主要内容是以天气动力学原理揭示大气运动的基本特征和用此原理论述天气系统及天气过程生、消演变规律的天气学原理及中国天气，为进一步学习动力气象学、低纬度天气动力学、中尺度天气学、大气环流及中长期预报，也为将来天气预报业务及研究工作打下基础。
二、基本要求：要求学生掌握有关内容基本概念、基本理论和基本方法，以便提高综合分析及解决问题的能力。
第二部分内容与考核目标第一章大气运动的基本特征1.了解大气运动各作用力含义、表达式及理解它的物理意义2.了解个别变化、局地变化、平流变化含义3. 会推导连续方程，了解质量散度、速度散度含义、表达式及其物理意义，4.了解尺度分析含义、掌握在自由大气中大尺度系统运动，可以作为准地转、准静力处理5.理解热力学能量方程中引起固定点温度变化的因子6.了解实际工作中高空分析等压面图而不分析等高面图（P坐标系的优越性）7.了解位势、位势高度、位势米、几何米概念8.理解等高面上水平气压梯度力可以用等压面上位势梯度或等压面坡度表示9.理解地转风、梯度风、热成风、地转偏差含义、表达式及掌握它的讨论10.了解正压大气、斜压大气概念；掌握热成风发生在斜压大气中11.了解地转风、梯度风及热成风实用意义12.掌握低压中心附近及其边缘，还有高压边缘等压线可以分析密大风经常出现，而高压中心附近不能有上述现象13.理解变压风及切向、法向地转偏差含义，要求会画图解释第二章气团与锋1.了解锋、锋面、锋线、锋区含义及锋倾斜原因2.了解冷性锢囚锋、暖性锢囚锋含义，要求会画出剖面图中锋位置及等温线分布3.了解以密度零级不连续面模拟锋时，锋面坡度公式物理意义4.理解锋附近温度分布特征及锋面附近气压、变压分布特征5.掌握锋面分析中，高空测风资料应用图2.27(a)(b)(c)6.了解锋生带（线）、锋生函数、锋生条件概念7.掌握锋生、锋消公式讨论第三章 气旋与反气旋1. 了解大气作水平运动、绝对涡度概念及理解 2h H ∇含义2. 理解大尺度系统运动中，固定点相对涡度变化可以用此点位势高度变化表示3. 掌握涡度方程、位势倾向方程及ω方程等式右端各项名称及画出有关图,用相关因子进行讨论4. 掌握在温带气旋发展中,动力因子(涡度因子)及热力因子对500hpa 高空槽及温带气旋变化,要求会画图解释5. 了解气旋族含义6. 了解北方、南方气旋活动范围及包括哪些气旋7. 掌握“倒槽锋生型”、“静止锋波动型”，要求画图解释江淮气旋生成过程第四章 大气环流1. 了解控制大气环流基本因子、了解三圈环流的形成2. 了解三圈径向环流、极锋锋区与副热带锋区及其对应急流概念3. 了解信风与季风概念4. 了解沃克环流含义5. 了解我国各季环流概况及主要天气天气过程特点第五章 天气形势及天气要素预报1. 理解运动学公式中t δδ及t∂∂含义，掌握用运动学公式推导锋面移速公式并会讨论冷锋、暖锋移速情况与变压分布特征2. 掌握用运动学公式讨论非闭合系统及闭合系统移动及强度3. 高空形势预报方程中，由于各层等温线平行，因此各层热成风方向相同，这样任意层风速 P p T V V AV =+注意理解A 的系数确定4. 掌握相对涡度平流在自然坐标系中展开分成三项，其中曲率项及散合项在实际天气图中会应用5. 掌握用高空形势预报方程有关项，结合等高线等温线分布解释500hpa 槽、脊变化6. 熟悉地面形势预报方程由哪几项组成，要求会讨论应用7. 掌握地形对低值系统(槽、低压)移动及强度影响8. 了解数值预报产品的“释用”第六章 寒潮天气过程1.了解极涡及上下游游效应含义2.了解长波波速公式的推导，会对该公式进行讨论3.会运用形势预报原理解释“小槽发展型”、“横槽转竖型”的寒潮短、中期过程第七章 大型降水天气过程1.理解水汽通量、水汽通量散度概念、表达式及物理意义2.了解中国及其各地暴雨有何天气系统影响3.熟悉我国东部雨带活动概况4.理解行星尺度、天气尺度系统对暴雨作用第八章对流天气过程1.了解飑中系统含义及飑线与冷锋区别2.理解对流性不稳定与条件性不稳定概念3.理解强雷暴发生发展有利条件第九章低纬度与高原环流系统1.熟悉西太平洋副热带高压变动与我国天气关系2.掌握南亚高压与西太平洋副热带高压区别3.掌握台风结构4.掌握台风发生发展第十章东亚季风环流1.了解季风的概念，了解东亚冬、夏季风环流系统的组成2.了解东亚季风形成的原因第三部分有关说明与实施要求1.考试目标的能力层次的表述本课程对各考核点的能力要求一般分为三个层次用相关词语描述: 较低要求——了解一般要求——理解、熟悉、会较高要求——掌握、应用一般来说,对概念、原理、理论知识等,可用“了解”、“理解”、“掌握”等词表述；对应用方面，可用“会”、“应用”、“掌握”等词。
天气学原理和方法(1-5)
① 定义：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力
② 表达式(1.2)
K：万有引力常量
M：地球质量
a：到地心的距离
③ 推导：
图1.1.3 地心引力受力分析图
④ 讨论：
大小： 不变，常数
方向： 指向地球心
3．惯性离心力
① 定义：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（ 观测它的运动，发现它是静止的，这必然引入一个与向心力大小相同，方向相反的力，此力称为惯性离心力。
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
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
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
图1.10 地转偏差
很小，但很重要：
《天气学原理》课程教学大纲
《天气学原理》课程教学大纲课程名称：天气学原理英文名称：Principle of Synoptic Meteorology学分：4 总学时：57 理论学时：46 实验（上机）学时：11适用专业：大气科学一、课程的性质、目的天气学原理是研究不同尺度的天气系统和天气现象发生发展及其变化的基本规律，并利用这些规律来预测未来天气的科学。
该课程是大气科学专业本科生的重要专业基础课程和主干课之一，属于专业核心课程。
该课程侧重理论教学，主要介绍天气学的经典理论：大气运动的基本特征、锋面理论、气旋与反气旋、大气环流概况、天气系统和天气形势的天气学预报方法。
通过本课程的学习使学生掌握天气学预报的基本原理、基本概念和基本分析方法。
二、教学基本要求通过学习“天气学原理”课程，学生应掌握天气学预报的基本原理和基本概念，掌握天气系统多维结构的建立，以及天气学理论和具体天气过程、天气系统的相互融合，掌握天气学预报的基本分析方法，具有推导基本方程和公式的能力，初步做到利用天气学原理的知识解释和分析基本天气事实，并为后续专业课程的学习和今后的业务与科研工作奠定坚实的理论基础。
三、课程教学基本内容第1章大气运动的基本特征1、教学内容1.1旋转坐标系运动方程及作用力分析熟练掌握大气运动各作用力含义、表达式及理解它的物理意义。
1.2控制大气运动的基本定律理解个别变化、局地变化、平流变化含义，熟练掌握质量散度（质量通量散度）含义、表达式及其物理意义。
1.3大气尺度系统的控制方程理解尺度分析含义、掌握在自由大气中大尺度系统运动，可以作为准地转、准静力处理，理解热力学能量方程中引起固定点温度变化的因子。
1.4“P”系统中的基本方程组掌握P坐标系的优越性，掌握位势、位势高度、位势米、几何米概念，理解等高面上水平气压梯度力可以用等压面上位势梯度或等压面坡度表示。
1.5风场和气压场的关系熟练掌握地转风、梯度风、热成风、地转偏差含义、表达式及有关讨论，并会应用。
天气预报理论摘要分解
天气学第一章大气运动的基本特征：1．4风场和气压场的关系一、地转风：二、梯度风：四、地转风随高度的变化——热成风：五、地转偏差：第十章东亚季风环流：10．1 东亚季风环流系统10．3 东亚季风与低频振荡我国各季环流概况和主要天气过程：第一部分：冬季寒潮等（反气旋）秋季：高空副高，地面冷高，秋高气爽。
副高增强并稳定控制，秋老虎天气。
华西秋雨。
冬季：东亚大槽140°E附近，青藏高原北部脊90°E附近，我国上空基本气流是西北风。
地面蒙古冷高压（中心贝加尔湖附近），我国北部盛行西北偏北气流。
长江以南为东北偏北气流，冬季风十分稳定。
只有在高空有较大的低槽东移而地面气旋发展时蒙古冷高压才短时间内受到破坏，但是这种高空槽和地面气旋往往又诱导一次新的强冷高压入侵东亚地区，造成一次强冷空气或寒潮天气过程。
另外，诱导强冷空气向南爆发的高空槽在东移动过程中加强为大槽取代衰老的东亚大槽，于是东亚大槽经历了一次新陈代谢。
当这种过程结束后冬季风又会相对稳定一段时间，整个冬季基本上就是这样一次次冷空气活动不断重复的过程。
同时，南支槽输送暖湿气流，形成华南昆明准静止锋。
以过程降温与温度负距平相结合来划定冷空气活动强度。
过程降温≥10°C，温度负距平绝对值≥5°C，寒潮；过程降温8-9°C，温度负距平绝对值4°C，强冷空气；过程降温5-7°C，温度负距平绝对值≤3°C，一般冷空气；第四章大气环流：4．5 西风带大型扰动二、西风带长波长波槽前对应着大范围的辐合上升运动和云雨天气区，槽后脊前对应着大范围辐散下沉运动和晴朗天气区。
4．3极地环流概况四、极地环流的异常寒潮三、阻塞高压与切断低压阻塞高压的建立、崩溃、后退常常伴随着一次大范围的环流形势的强烈转变（即寒潮）。
它的长久维持会使大范围地区的天气反常（如梅雨）。
四、切断低压东北冷涡西部常有冷空气不断补充南下，在地面图上常表现为一条条副冷锋向南移动，有利于冷涡的西、西南、南至东南部发生雷阵雨天气，而且类似的天气可以连续几天地重复出现。
大气运动基本特征课件
根据气象预报结果，建立预警系统， 及时发布灾害性天气预警信息，为公 众提供安全保证。
预测技术
采用数值预报、统计预报、模式预报 等预测技术，提高气象预报的准确性 和时效性。
04
大气运动的模拟与数 值模拟
气象模型的基本原理与分类
气象模型的基本原理
气象模型是利用数学和物理方法对大气运动进行模拟和预测的工具。它基于大 气运动的基本规律，通过建立数学方程来描述大气的运动状态和变化过程。
环境保护
大气运动对空气污染物的扩散和稀 释有着重要影响，通过对大气运动 的控制和调节，可以保护环境，减 少污染。
大气运动的研究方法
01
02
03
观测方法
通过气象观测站、卫星遥 感、雷达等手段对大气运 动进行观测和测量。
数值模拟方法
利用计算机数值模拟技术 对大气运动进行模拟和分 析，可以揭示大气运动的 规律和机制。
高空急流及其影响下的天气现象
高空急流定义
高空急流是一种高速流动的空气柱，存在于大气层较高的 位置。
高空急流类型
有水平急流和垂直急流两种。
天气现象
高空急流对天气的影响主要表现在它对空气流动的引导作用，常 常引导气流形成云层、降水等天气现象。同时，高空急流还与大
气环流和蔼候变化密切相关。
06
大气运动的未来发展 趋势与挑战
气象观测数据获取与分析
数据获取
通过地面气象观测站、自动气象 站和遥感设备获取气象观测数据
。
数据处理
对获取的数据进行预处理，如数 据清洗、格式转换等。
数据分析
利用统计学方法对处理后的数据 进行统计分析，提取有用的信息
。
气象预报与预测技术
气象预报
天气学原理
２、两次季节突变
①6月突变——冬季环流型转为夏季环流型
②10月突变——夏季环流型转为冬季环流型
控制大气环流的基本因子
太阳辐射 地球自转 地表非均匀（海陆与地形） 地面摩擦
（一）地球自转作用---地转偏向力，f随 纬度变化
1、北半球对流层大气环流模式 三圈经向环流：
极地环流圈——强 费雷尔环流圈——弱 哈德莱环流圈——强
8、地转偏差
地转偏差（偏差风）——实际风与地转风的矢量 差 产生原因：地球自转及空气中的摩擦力存在 意义：地转偏差使实际风穿越等压线，引起气压 场的改变；并使大气动能改变，促使 风速变化； 地转偏差也是造成垂直运动的重要原因。
第二章 气团与锋
要点
1. 2. 3. 4.
锋的概念及空间结构 锋的类型 锋生和锋消 我国主要的锋生区、锋消区
周 几天 1天 几小时
3、控制大气运动的基本定律
动量守恒---大气运动方程 质量守恒---连续方程 能量守恒---热力学能量方程
4、地转风
地转平衡：对中纬度天气尺度运动，在水平 方向上地转偏向力与气压梯度力平衡。 地转风：是水平地转偏向力和水平地转梯度 力平衡条件下，空气沿着平行等压线的水平 直线运动。
二、锋的分类
1. 按移动分类
a.冷锋：冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团一侧移 动，称为冷锋。 b.暖锋：暖气团起主导作用，推动锋面向冷气团一侧移 动，称为暖锋。 c.准静止锋：冷暖气团势力相当，锋面很少移动的锋，称 为准静止锋。（6小时无移动，24小时移动在2个纬度 之内） d.锢囚锋：冷锋后部的冷气团与暖锋前的冷气团的交界 面，称为锢囚锋。
天气学原理和方法 第一章 大气运动的基本特征
V
>0 体积增大 辐散
<0 体积缩小 辐合
d 当流体不可压时： 0 dt
则
V 0
u v w 0 x y z
不可压缩流 体的速度散 度为零
u v x y
为水平散度:流体在单位时 间内水平面积的相对膨胀 率
第五节 风场和气压场的关系
大尺度系统的运动方程，揭示了中 纬度大尺度运动中相当简单的作用 力平衡关系，说明大尺度运动具有 平衡运动的特征，本节主要依据这 种力的平衡关系，讨论地转风、梯 度风、热成风等，并建立风场、气 压场和温度场之间的关系
地转风（geostrophic wind）
地转风是指自由大气中空气的水平等速直线 运动，是指无加速度、惯性离心力不起作用 情况下的运动。在这种运动中，只有水平气 压梯度力和地转偏向力起作用。地转风是自 由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平 衡时的空气的水平运动。 地转风是平衡运动，它受到的合外力等 于零，没有加速度。空气运动平行于等压线， 人背风而立，高压在右，低压在左。
此关系对任何 矢量均成立
d a r dr r dt dt Va V Ve V r
绝对速度 相对速度 牵连速度
绝对速度和相对速度
绝对加速度和相对加速度
d aVa d ( )Va dt dt d aVa dV 2 V ( r ) dt dt
（hPa）
热力学能量方程
de p V p Q dt dT d cv p Q dt dt
第三节 大尺度运动系统的控制方程
尺度分析:针对某种类型的运动估计基本 方程各项量级的一种简便方法
《天气学原理》复习重点(上)
天气学原理Char1 大气运动的基本特征1、真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力（1）气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生（2）地心引力：地球对单位质量空气的万有引力（3）摩擦力：单位质量空气受到的净粘滞力2、视示力：惯性离心力、地转偏向力惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反。
C=Ω2R地转偏向力：由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立。
地转偏向力的特点：A= -2Ω×V（1）地转偏向力A与Ω相垂直，在纬圈平面内（2）地转偏向力A与风速V垂直，只改变气块运动方向，不改变其速度大小（3）在北半球A在水平速度的右侧，在南半球A在水平速度的左侧（4）地转偏向力的大小与相对速度成正比，V=0时，A=0；只有在做相对运动时A才存在重力：地心引力与惯性离心力的合力。
重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大。
3、地转偏向力与水平地转偏向力有何相同与不同？水平地转偏向力：大气中垂直运动一般比较小，气块的运动主要受x方向和y方向的影响。
通常情况下w很小，因而近似有Ax=2Ωv和Ay= -2Ωu。
对水平运动而言，北半球Ax、Ay 使运动向左偏，南半球右偏。
地转偏向力：包括垂直运动。
4、控制大气运动的基本规律：能量守恒、质量守恒、动量守恒牛顿第二运动定律——运动方程质量守恒定律——连续方程能量守恒定律——热力学能量方程气体实验定律——气体状态方程5、温度平流变化-V·▽h T是气块在温度水平分布不均匀的区域内保持原有的温度作水平运动而对局地温度变化所提供的贡献，称为温度平流变化。
-▽T温度梯度由高温指向低温。
当-V·▽h T<0时，有冷平流，夹角为钝角，风从冷区吹向暖区，使局地温度降低。
当-V·▽h T>0时，有暖平流，夹角为锐角，风从暖区吹向冷区，使局地温度升高。
天气学原理
天气学原理基础一、大气运动的基本特征1、真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力（1）气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生（2）地心引力：地球对单位质量空气的万有引力 不变，指向地心。
（3）摩擦力：单位质量空气受到的净粘滞力 一般只在行星边界层（摩擦层）考虑摩擦作用，自由大气中则忽略摩擦作用。
2、视示力：惯性离心力、地转偏向力惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反地转偏向力(科氏力）：观测者站在旋转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，在南半球向左偏的力。
称此力为地转偏向力，又名科氏力。
由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立地转偏向力的特点：在纬圈平面内；只改变气块运动方向，不改变其速度大小；在北半球，地转偏向力指向运动方向右侧，在南半球，地转偏向力指向运动方向左侧；地转偏向力的大小与相对速度成正比重力：地心引力与惯性离心力的合力。
重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大重力是垂直方向上的，而大气运动是准水平的；科氏力始终垂直于速度方向，故只改变方向，不作功；所以，引起大气运动的最重要作用是：由于压力分布不均匀而产生的压力梯度力（热力作用引起的）。
3、控制大气运动的基本规律：能量守恒、质量守恒、动量守恒牛顿第二运动定律——运动方程质量守恒定律——连续方程能量守恒定律——热力学能量方程气体实验定律——气体状态方程4、地转风地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动。
风沿等压线（等高线、等位势线）吹，背风而立低压在左高压在右地转风性质：1）地转关系是在无摩擦，不考虑加速度和垂直方向的地转偏向力的情况下近似成立的赤道上（φ=0）水平地转偏向力为零，地转风不存在2）地转风的大小与水平气压梯度力成正比3）地转风与等压线平行，在北半球，背风而立，低压在左高压在右，南半球，背风而立，低压在右高压在左（风压定律）4）地转风速大小与纬度成反比，但在赤道上=0地转平衡不成立。
天气学原理与方法
F ma
力 真实力(基本力,牛顿力，在空间固定、绝对坐标 系中): 气压梯度力、地心引力、摩擦力 非真实力（视示力、外观力，在旋转坐标系中）： 惯性离心力、地转偏向力
一、基本作用力（真实力）
1. 气压梯度力
气压梯度力
当气压分布不均匀时，单位质量气块上受到的 净压力称为气压梯度力
单位质量空气的气压梯度力
• 一. 地转风
• 零级近似
1 p 0 fv x 1 p 0 fu y 1 p 0 g z
f 2 sin
-(1/) ▽p
低压
Vg
高压
A
du z g ( ) p fv dt x dv z g ( ) p fu dt y z 0 g ( ) p fv x z 0 g ( ) p fv x z z fu g ( ) p ( ) p , fv g ( ) p y y x
特征值或特征尺度：表示特定类型的运动 （如大尺度运动或中小尺度运动）的空间范 围和时间区间的物理量或其他特性的一种尺 度。
（2）用特征值比较方程中各项的大小 例：
3.大气运动系统的分类
行星尺 度
大尺度（天气尺度） 中尺度
对流或小尺度
104km 103km
102km
10km
4.大尺度系统的各场变量的特征尺度
变压风
---
+
思考题
1.什么是零级近似和一级近似? 2.写出零级近似和一级近似的方程组。 3.什么叫位势、位势米、位势高度？ 4.写出个别变化、局地变化、平流变化的P坐标与Z坐标转换关系。 5.写出P坐标系的基本方程。 6.什么是自然坐标？写出自然坐标水平运动方程。 7.什么是地转风？它有哪些基本性质？写出表达式。 8.什么是梯度风？它有哪些基本性质？写出表达式。 9.什么是热成风？它有哪些基本性质？写出表达式。 10.什么是偏差风？它有哪些基本性质？写出表达式。 11.地转偏差是哪些原因造成的？什么是变压风、法向和切向地 转偏差？
天气学原理和方法[1_5]
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天气学原理和方法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. （绝对速度）与（相对速度）t时刻一空气质点位于P点，经t 时间，质块移到Pa点，地球上的固定点P移到了Pe位置位移假设为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：二、作用力分析1．气压梯度力①定义：单位质量空气块所受的净空气的压力②表达式G=-(1.1)③推导：图1.1.2 作用于气块上的气压梯度力的X分量x方向：B面 PA面：-（P+净压力：-同理y方向：z方向：净空气总压力④讨论：大小：气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比方向：气压梯度力的方向指向的方向，即由高压指向低压的方向2．地心引力① 定义：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力② 表达式(1.2)K：万有引力常量M：地球质量a：到地心的距离③ 推导：图1.1.3 地心引力受力分析图④ 讨论：大小：不变，常数方向：指向地球心3．惯性离心力① 定义：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（观测它的运动，发现它是静止的，这必然引入一个与向心力大小相同，方向相反的力，此力称为惯性离心力。
天气学原理
6、降水的天气尺度系统及其作用
天气尺度系统的作用 A、制约和影响形成暴雨的中尺度系统的活动 B、供应暴雨区的水汽
7、暴雨中尺度系统
中尺度雨团、中尺度低压 中尺度辐合中七章 大型降水天气过程
8、中尺度系统的不稳定发展
对称不稳定理论 触发条件： 锋面抬升、露点锋抬升 能量锋的触发、地形抬升 近地层非均匀加热、重力波抬升 海陆风
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第七章 大型降水天气过程
4、大范围降水
A、华南前汛期降水 B、江淮梅雨 （梅雨锋：主要是湿度对比，温度梯度对比时 有时无） C、华北雨季
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第七章 大型降水天气过程
5、降水的形星尺度系统及其作用
A、西风槽 B、阻塞高压 C、副热带高压 D、热带环流系统 它们各自的作用是不一样的。请针对具体问题具体分 析。
3
第一章 大气运动的基本特征
4、风与气压场的关系 很复杂、准平衡情况 地转风关系 科氏力与气压梯度力平衡 fV=(1/ρ)▽φ 特点：风沿等压线吹，等压线越密，风速越大 在北半球，背风而立， 高压在右，低压在左
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第一章 大气运动的基本特征
4、风与气压场的关系
梯度风关系 科氏力与气压梯度力与惯性离心力平衡
静止锋
锢囚锋（两条锋面相遇）
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第二章 气团与锋
2、锋
锋附近的要素场特征
锋面两侧的要素场是有差异的，主要 表现在温度、湿度、气压、风、变压、变温、 天气等
在确定锋面位置时，应考虑上述要素的分布 特征
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第二章 气团与锋
2、锋
冷锋附近的要素场特征 锋后为冷区、高压、干燥、负变温、
天气学原理和方法（第4版）
目录第一章大气运动的基本特征修订版前言第三版前言§1.1 影响大气运动的作用力§1.2 控制大气运动的基本定律§1.3 大尺度运动系统的控制方程§1.4 “p”坐标系中的基本方程组§1.5 风场和气压场的关系第二章气团与锋§2.1 气团§2.2 锋的概念与锋面的坡度§2.3 锋面附近气象要素场的特征§2.4 锋面分析§2.5 锋生与锋消第三章气旋与反气旋§3.1 气旋、反气旋的特征和分类§3.2 涡度与涡度方程§3.3 位势倾向方程与w方程§3.4 温带气旋与反气旋§3.5 东亚气旋与反气旋第四章大气环流§4.1 大气平均流场特征与季节转换§4.2 控制大气环流的基本因子与大气环流的基本模型§4.3 极地环流概况§4.4 热带环流概况§4.5 西风带大型扰动§4.6 急流§4.7 东亚环流基本特征第五章天气形势及天气要素的预报§5.1 天气系统及天气形势的天气学预报方法§5.2 气象要素和天气现象的天气学预报方法§5.3 数值预报产品的释用第六章寒潮天气过程§6.1 概述§6.2 寒潮天气系统§6.3 寒潮天气过程§6.4 寒潮天气过程的成因分析§6.5 寒潮预报第七章大型降水天气过程§7.1 降水的形成与诊断§7.2 大范围降水的环流特征§7.3 降水的天气尺度系统§7.4 雷暴的结构及雷暴天气的成因§7.5 不同高度急流对暴雨生成的作用第八章对流性天气过程§8.1 雷暴的结构及雷暴天气的成因§8.2 中小尺度天气系统§8.3 对流性天气预报的物理基础§8.4 对流性天气的预报方法第九章低纬度和高原环流系统§9.1 低纬度大气运动的基本特征§9.2 低纬度环流的基本特征§9.3 太平洋副热带高压§9.4 南亚高压§9.5 赤道辐合带§9.6 热带波动和热带涡旋§9.7 云团§9.8 台风§9.9 高原影响和高原环流系统第十章东亚季风环流§10.1 东亚季风环流系统§10.2 东亚季风的形成§10.3 东亚季风与低频振荡第十一章天气诊断分析§11.1 客观分析方法§11.2 水平流场分析§11.3 垂直运动的诊断§11.4 水汽通量\水汽通量散度及降水量的计算附表常用数据参考文献。
天气学原理和方法
天气学原理和方法目录第一章大气运动的基本特征 ........................................................................... . (3)第一节影响大气运动的作用力 ........................................................................... .......... 3 第二节控制大气运动的基本定律 ........................................................................... ...... 4 第三节大尺度运动系统的控制方程 ........................................................................... .. 4 第四节“P”坐标系中的基本方程组 ........................................................................... .. 5 第五节风场和气压场的关系 ........................................................................... .............. 6 第二章气团与锋 ........................................................................... (8)第一节气团与锋 ........................................................................... .................................... 8 第二节锋的概念与封面坡度 ........................................................................... .............. 9 第三节至第五节 ........................................................................... .................................. 10 第三章气旋与反气旋 ........................................................................... .. (12)第一节气旋、反气旋的特征和分类 ...........................................................................12 第二节涡度与涡度方程 ........................................................................... .................... 12 第三节位势倾向方程和方程 ........................................................................... ......... 14 第三节温带气旋与反气旋 ........................................................................... ................ 15 第五节东亚气旋和反气旋 ........................................................................... ................ 16 第四章大气环流 ........................................................................... . (18)第一节大气平均流场特征与季节转换 (18)第五章天气形势及天气要素的预报 ........................................................................... ........ 22 第六章寒潮天气过程 ........................................................................... ................................ 26 第七章大型降水天气过程 ........................................................................... (28)第一节降水的形成与诊断 ........................................................................... ................ 28 第二节大范围降水的环流特征 ........................................................................... ........ 34 第三节降水的天气尺度系统 ........................................................................... ............ 39 第四节暴雨中尺度系统 ........................................................................... .. (44)第五节不同高度急流对暴雨生成的作用 ................................................................... 46 第八章对流性天气过程 ........................................................................... . (47)第一节雷暴的结构及雷暴天气成因 ...........................................................................47 第二节中小尺度天气系统 ........................................................................... ................ 49 第三节对流性天气预报的物理基础 ...........................................................................50 第四节对流性天气的预报 ........................................................................... ................ 52 雷达原理与业务应用 ............................................................................................................. 53 第九章低纬度和高原环流系统 ........................................................................... ................ 59 第十章东亚季风环流 ........................................................................... ................................ 71 第十一章天气诊断分析 ........................................................................... . (77)第一章大气运动的基本特征第一节影响大气运动的作用力1. 大气运动受什么定律支配？质量守衡、动量守衡和能量守衡定律 2. 影响大气运动的真实力有哪几种？气压梯度力、地心引力、摩擦力。
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2 g g R
第二节控制大气运动的基本定律
大气运动受到动量守恒、质量守恒、能量 守恒定律的控制
由上节分析可得旋转坐标系中大气 运动方程为
dV 1 p 2 V g F dt
向量形式的运动方程展开成分量形式， 可以在球坐标和局地直角坐标中进行。 球坐标系中的运动方程分量形式能够描 述从近地面层附近到全球大气环流的各 种各样的运动，它不仅含有旋转坐标系 中的各个作用力，还含有地球曲率对相 对运动加速度的影响，但形式复杂。在 天气学中除个别问题外，一般采用局地 直角坐标系的分量方程
影响大气运动的作用力为： 真实力：气压梯度力、 地心引力、摩擦力 虚拟力：惯性离心力、地转偏向力
气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压 力，由于气压分布不均匀而产生 性质：大小与气压梯度成正比，与空气密度 成反比，方向指向气压梯度方向，即由高 压指向低压
1 G p
气压梯度是由于气压分布不均匀而产生的，而气压 分布不均匀反映在天气图上就是等压线的分布有疏 有密，这种等压线的疏密程度表示了单位距离内气 压差的大小，等压线愈密集，表示气压梯度愈大。
惯性离心力：在旋转坐标系中物 体受到向心力的作用却静止。违 反牛顿运动定律，从而引入此力 以平衡向心力，使牛顿运动定律 成立。惯性离心力在纬圈平面内， 与向心力大小相等，方向相反。
2 C R
地转偏向力：由于坐标系的旋 转导致物体没有受力却出现加 速度，违反牛顿运动定律，从 而引入，以使牛顿运动定律在 旋转参考系中成立
第一章 大气运动的基本特征 第一节 影响大气运动的作用力
一、基本知识 •大气分层：对流层、平流层、中间 层、暖层和散逸层
大气分为五 层，自下而 上依次是： 对流层、平 流层、中间 层、暖层和 散逸层
•气压及其单位 在任何表面上，由于大气的重量所 产生的压力，也就是单位面积上所受 到的力，叫做大气压。其数值等于从 单位底面积向上，一直延伸到大气上 界的垂直气柱的总重量。气压是重要 的气象要素之一。 单位为：毫巴或百帕 1mb=1hPa=100Pa
u v w 0 t x y z
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
或
( V ) 0 t
质量散度：单位体积内流体的净流出量
( V )
>0 净流出
<0 净流入
( V ) t
表示固定在空间的单位体积内流体 的净流出量等于该单位体积内流体 质量的减少
此关系对任何 矢量均成立
d a r dr r dt dt Va V Ve V r
绝对速度 相对速度 牵连速度
绝对速度和相对速度
绝对加速度和相对加速度
d aVa d ( )Va dt dt d aVa dV 2 V ( r ) dt dt
绝对加速度 相对加速度
地转偏向 加速度
向心加速度
全导数和局地导数之间的关系
dT T T T T u v w dt t x y z T dT T V T w t dt z
局地 变化
个别 变化
平流 变化
对流变化
二、影响大气运动的作用力
dV d aVa 2 V ( r ) dt dt dV 2 Fi 2 V R dt i
连续方程也可变形为
u v w u v w ( ) 0 t x y z x y z d V 0 dt
局地直角坐标系中的分量方程
du 1 p 2(v sin w cos ) Fx dt x dv 1 p 2u sin Fy dt y dw 1 p 2u cos g Fz dt z
连续方程：表示大气质量守恒 定律的数学表达式
两地之间存在气压梯度的话，气压梯度就会 把两地间的空气从气压高的一边推向气压低 的一边，于是空气流动起来，风产生了
地心引力：指向地心真实存在 的力
GM r g0 2 ( ) a r
摩擦力：指大气因具有粘性，当 有相对运动时所受到的一种粘性 力。指向速度的反方向
2 2 2 u v w F ( 2 i 2 j 2 k) z z z
天 气 学
引言
一、天气学研究的对象 天气学是研究不同尺度的天气系统 和天气现象发生发展及其变化的基本规 律，并利用这些规律来预测未来天气的 科学。而利用天气学的基本原理，提高 预报的准确率，研究并发展天气预报方 法，是天气学的最终目的。
• 二、天气学的发展
• 单站预报方法阶段 • 地面天气图阶段 • 单站与天气图预报结合阶段 • 高空天气图的引入与波动理论的建立阶段 • 开展数值天气预报的研究和应用阶段 • 数值预报与卫星、雷达等先进探测技术结合 应用阶段
某地的气压值， 等于该地单位面 积上大气柱的重 量。高度愈高， 压在其上的空气 柱愈短，气压也 就愈低。因此， 气压总是随着高 度的增加而降低
气压随高度变化示意图
几种常见的气压场形式
槽、槽线
脊、脊线
两种参考系中的时间全导数
d a A dA A dt dt
d a A dA A dt dt
A 2 V
地转偏向力的特点：
地转偏向力 A 与 相垂直，在纬圈平
面内
V 地转偏向力 A 与风速 垂直，只改变
气块的运动方向，不改变其速度大小
在北半球， A 在水平速度的右侧，在南 半球 A 在水平速度的左侧
旋转坐标系中的重力：单位质量 大气所受到的地心引力与惯性离 心力的合力。重力垂直于水平面， 赤道最小，极地最大