天气学原理-第一章
天气学原理笔记(未排版)
天气学原理笔记简介笔记来自刘宣飞先生的上课内容，刘先生的课生动活泼，引人入胜，为表敬意，将其整理出电子稿，仅供纪念和参考。
其中算法表示是笔者自己加的内容，第二章锋面天气借唐卫亚老师的天气学分析课件图以期表述更加完善，第四章大气环流参考了李丽萍老师的大气环流概论和李忠贤老师的短期气候预测基础这两门课部分内容。
毕竟上课笔记，难免有些疏忽，如有不当，还望斧正。
长望党支部2014年制前言天气动力学主要分为三大主干课程：天气学、动力学、统计学，研究对象是天气系统和天气过程。
一般而言，天气学适合于做短期天气预报，这方面经验丰富的预报员往往准确率要高于数值预报。
数值预报的基础是动力学，根据方程、参数等进行模拟，模式的运用很关键，对于大尺度的把握较好。
而长期预报则是结合统计学知识，对现有资料进行分析，一般做概率预报为主，短期预报中像墨迹天气的降水概率也是运用到此类知识。
关于学习方法，方程的数学表达固然是基础，但天气学主旨是要理解方程的物理意义，并给予解释，“看图说话”这类图形表达也很重要，天气图的识别是天气学的重要部分。
主要参考书：1.天气学原理和方法（朱乾根等）2.天气学教程（梁必骐）3.现代天气学原理（伍荣生）4.中国主要天气过程的分析（寿绍文）第一章 大气运动的基本特征——风场和气压场本章结构：1.影响大气运动的力（1）2.控制大气运动的基本方程组（2,4）3.简化方程组。
突出大尺度运动基本特征（3）4.天气学分析的基本原则（5）第一节 影响大气运动的力⎧⎨⎩真实力（牛顿力、基本力）：气压梯度力、地心引力、摩擦力惯性力（虚假力、视示力）：惯性离心力、地转偏向力一．基本作用力1． 气压梯度力（pressure gradient force ）G定义：作用于单位质量气块上的净压力 表达式：11p p p G=-p=-i+j+k x y zρρ∂∂∂∇∂∂∂（）推导：对于一微气块而言，=x y z v δδδδB 面所受的压力为正方向p y z δδ，A 面应为pp+x y z xδδδ∂∂（）令x 正方向为压力正方向，则有x pF =-x y z x δδδ∂∂同理：y p F =-x y z y δδδ∂∂ z p F =-x y zz δδδ∂∂=-(+j+k)x y z=-x y z p p pF i p x y z δδδδδδδ∂∂∂∇∂∂∂1G===-p F F m v δδδρδρ∇讨论：A ． 性质：气压梯度力由气压不均匀造成的B ． 方向：高压指向低压，垂直于等压线C ． 大小：与气压梯度呈正比，与密度呈反比D ． 分量：G=G G G ()G h zh z+<<水平（垂直）但垂直方向上有重力与其达到平衡（静力平衡）注：等压线越密，气压梯度力越大 2． 地心引力*g定义： 表达式：*2GM rg =-a r（） 方向：地心 3． 摩擦力Fx y z F F i F j F k =++二．惯性力 1. 惯性离心力定义：单位质量的气块，因为地球旋转呈现出的一种惯性力表达式：2c F =R Ω推导：用一根绳子牵一小球以均匀角速度Ω作旋转运动。
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.（绝对速度）与（相对速度）假设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0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。
天气学原理第一章知识点
第一节 影响大气运动的作用力一、基本作用力：大气与地球或大气之间的相互作用而产生的真实力，它们的存在与参考系无关。
气压梯度力P G ∇-=ρ1作用于单位质量气块上的净压力。
地心引力*02*0*)/1(g a z g g ≈+=地球对单位质量空气的引力。
切应力/雷诺应力zu zx ∂∂≡μτ作用于单位面积上的粘滞力（μ动力粘滞系数）。
摩擦力⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂=k z j z v i z u F 222222ων单位质量气块所受到的净粘滞力。
ρμν=称为运动学粘滞系数。
二、视示力/外观力：惯性离心力R C 2Ω=（h 24/2π=Ω）：大小与向心力相等而方向相反。
地转偏向力V A ⨯Ω-=2地转偏向力与地球自转角速度相垂直，在纬圈平面内；地转偏向力与V 相垂直，对运动气块不做功，它只能改变气块的运动方向，而不能改变其速度大小；对于水平运动而言，A 在北半球使运动向右偏，南半球使运动向左偏； 地转偏向力的大小与相对速度大小成正比，当0=V 时地转偏向力消失。
三、重力R g g 2*Ω+=：单位质量大气所受的地心引力和惯性离心力的合力。
※※※此处有重点图示，请大家加强理解图 重力与惯性引力区别①地心引力指向地心②静止的气块，惯性离心力在纬圈平面内，并朝向外③重力是地心引力与惯性离心力的合力④除开极地和赤道外，重力并不指向地心，但重力都垂直于水平面 ⑤重力在赤道上最小，随纬度而增大第二节 控制大气运动的基本定律一、全导数dt dT 与局地导数tT ∂∂： z T T V dt dT z T y T x T u dt dT t T h ∂∂-∇•-=∂∂-∂∂-∂∂-=∂∂ωωυ 局地温度变化等于气块运动中温度的个别变化（加热或冷却）加上温度的平流变化（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）和对流变化（垂直运动引起的局地温度变化）。
二、旋转坐标系中的大气运动方程（称为单位质量空气的相对运动方程）由动量守恒定律导出 ——F g V P dt dV ++⨯Ω-∇-=21ρ 气压梯度力、地转偏向力、重力、摩擦力 三、连续方程由质量守恒定律导出 —— 0)(=•∇+∂∂V tρρ 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小。
《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。
天气学原理
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、磨擦力( 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 ) 磨擦力：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浮现加速度，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 ；惟独在做相对运动时 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：大气中垂直运动普通比较小，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，于是近似有Ax=2 Ωv 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 · hT 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 ·hT<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。
天气学原理
第一章 大气环流
九 东亚地区的地形特征和热力特征
东亚地区是位于全球最大陆地的东岸，濒临最大的大洋，西部有地形 十分复杂的高原。海陆之间的热力差异和高原的热力、动力作用，使 得东亚地区称为一个全球著名的季风区，天气气候的差异比同纬度其 他地区悬殊得多。
第一章 大气环流
十 东亚环流的特点
1、在对流层底部，由海陆差异造成东亚的四个大气活动中心（蒙古冷 高、阿留申低压，印度热低压和太平洋副热带高压）几乎都是全球最 强的气压系统，季节变化也最明显，风系转换也显著。冬季盛行偏北 风、偏西风，夏季偏南风、偏东风。冬季天气干冷，夏季湿热，雨量 大部分集中在夏季。 2、对流层中部，冬季东亚上空500hPa为一脊一槽（脊在高原北部，槽 在亚洲沿岸）高空基本气流为西北风。夏季则变成一槽一脊，与冬季 的完全是反位相，高空基本气流在30°N以北为西风，30°N以南为偏 东风。
Hale Waihona Puke 第一章 大气环流二 热力环流概念
第一章 大气环流
三 三圈环流形成原理及科学假设
地球-大气系统所接受的辐射能，各纬度分布并不均匀，产生由热带指 向两极的温度水平梯度，这样，在对流层中、上部就产生了指向极地 的气压梯度，同时在低层又有指向赤道的气压梯度。在北半球，高空 空气在气压梯度力的作用下由赤道向北运动，受地转偏向力的作用， 在约30°N附近，气压梯度力与地转偏向力达到平衡，空气运动方向转 为自西向东。自赤道源源不断向北的空气也就在30°N附近发生辐合， 由质量堆积，使地面气压升高，而且自赤道向北的空气不断辐射冷却 ，因而产生了下沉运动，分别向南和向北辐散。在低层向南运动的空 气在地转偏向力作用下，在北半球转为东北风，称为东北信风。同理 ，南半球也存在东南信风。
第二章 气团和锋
天气学原理
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
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
天气学原理课件
• 第三个阶段：1940—1960年 ， 芝加哥学派Rossby “大气长波理论”
• 第四个阶段：1960—现在 ， 产生多门学科来预测天气
3.天气学研究对象和方法
研究对象：研究整个地球大气的天气现象和天气过程的 规律及其物理本质——预测天气
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
第一章 大气运动的基本特征
第1节 影响大气运动的作用力
一 .气压梯度力：单位质量动气块受到的大气的净压力。
受的压力为：
同理：y方向所受净压力为： z方向所受净压力为：
总的净压力为：
气压梯度力：
讨论：
1.气压梯度力是由气压分布不均匀引起的。
2.气指压G向梯低度压力P，x的垂x方y直y向z于z指等向压–1线。P 的 方1向 ，Px 即i由P高y j压
讨论：
1、 的方向除赤道和极地外，均不指向心。 由于地球为椭圆，地球上重力垂直于当地水平面，
向下
2、重力的大小随纬度变化，极地最大，赤道最小，一般 用45纬度海平面重力值= 9.806m/s2
五、地转偏向力（科力奥利力） 方向：垂直于 与 组成的平面，指向运动方向右侧
大小：
设：局地直角坐标系 原点：地表某点 y轴：沿原点所在经圈切线方向指向北 x轴：沿原点所在纬圈切线方向指向东 z轴；指向当地天顶方向
天气学原理
天气学原理天气是指大气中各种气象要素在一定时间和空间上的状态和变化。
天气学是研究天气现象及其规律的科学，它的研究对象包括气温、气压、湿度、风向、风速、降水等多种气象要素。
天气学的研究不仅对人们的日常生活有很大影响，也对农业、工业、交通、航空、海洋等方面的发展起到重要作用。
天气学的研究基于一些基本原理，其中最重要的是热力学原理。
热力学原理认为，大气中的气象要素变化是由于能量的传递和转化所引起的。
太阳辐射是地球上的主要能量来源，它使得地球表面受热，产生了地面的辐射和对流运动。
地面受热后，会向周围的空气传递能量，导致空气密度变化，形成气压差。
气压差会引起风的产生，风会带来天气的变化。
因此，热力学原理是解释天气现象的重要依据。
另一个重要的原理是水汽的存在和转化。
水汽是地球上大气中最重要的气象要素之一，它与云、雨、雪等天气现象密切相关。
水汽的存在使得空气中的湿度发生变化，当湿度达到一定程度时，水汽会凝结成云、雾等形态，形成降水。
降水的形式有雨、雪、冰雹等，它们的形成与温度、湿度、气压等因素密切相关。
水汽的存在和转化是天气学研究的重要内容之一。
天气学中还有其他一些重要原理，如辐射平衡原理、动力学原理、地球自转和公转等。
辐射平衡原理认为，地球表面吸收的太阳辐射和地球表面向外辐射的热量应保持平衡，否则会引起气温的变化。
动力学原理研究大气中的运动规律，包括水平风、垂直风等运动形式。
地球自转和公转是天气现象的重要原因，它们导致地球表面受不同纬度的太阳辐射不均匀，从而形成了不同地区的气候和季节变化。
天气学原理的研究对于天气预报和气候变化的研究具有重要意义。
天气预报是根据天气学原理和气象观测数据进行的，通过分析气象要素的变化规律，可以预测未来的天气情况。
气候变化研究则是通过长期观测和数据分析，了解气候在不同时间尺度上的变化规律，从而预测未来的气候趋势。
天气学原理是研究天气现象及其规律的基础，它涉及热力学、水汽转化、辐射平衡、动力学等多个方面的知识。
天气学原理知到章节答案智慧树2023年中山大学
天气学原理知到章节测试答案智慧树2023年最新中山大学第一章测试1.在实际工作中天气学并不研究所有的大气物理过程，而只研究对天气演变起决定作用的那些天气现象和天气过程。
（）参考答案:对2.天气变化可以分为周期性和非周期性两类变化过程。
非周期性两类变化过程如寒潮、台风等，主要是由大气本身的物理特性所决定的。
它们对人类生产活动影响极大，但又不容易预测，是天气学研究的主要对象。
（）参考答案:对3.天气学的主要研究内容包括（）：参考答案:研究天气分析和预报方法。
;研究大气中各种不同尺度的天气系统的结构特征、发生发展和移动规律，建立各种天气系统发生发展的物理图象及其天气模式，探讨不同尺度天气系统之间及其天气过程演变的物理机制。
;揭露和研究大气环流、天气系统、天气过程等大气运动现象，综合探讨大气运动规律。
;研究大气环流模型及其演变的物理机制，以及中低纬环流、南北半球环流、高低层环流的相互作用和海气相互作用。
第二章测试1.冬季影响我国的主要气团是变性极地天陆气团，在气压场上表现为（）参考答案:冷高压南下或高压脊南伸2.冬季我国东部沿海地区常出现雾或多层云天气，此时受——控制，吹（）参考答案:暖气团：偏南风3.冷、暖气团中水汽含量较多时，其天气特征为（）参考答案:暖气团出现连续性降水，冷气团出现阵性降水和雷暴天气4.移向冷的下垫面的气团时常出现（）参考答案:稳定性天气，变性慢5.使锋面向冷空气一侧倾斜的主要原因是（）参考答案:地球自转运动的作用第三章测试1.从流场角度而言，南半球地面气旋（）参考答案:顺时针向内辐合2.通常温带气旋的水平尺度一般在（）参考答案:1000km左右，大的可达2000~3000km，小的只有几百千米3.通常气旋的水平尺度天小有如下关系（）参考答案:温带气旋大于热带气旋4.通常气旋的强度用（）参考答案:中心最低气压表示5.通常锋面气旋进入锢囚阶段的一个显著天气特点是（）参考答案:锋线两侧均有降水，范围扩天第四章测试1.北半球的西风急流，（）最强参考答案:冬季2.热带东风急流，（）最强。
天气学原理-第一章
大气科学发展的几个阶段 第一阶段：1820-1920，分析地面天气图 简单外 推预测天气 第二阶段：1920-1940，挪威学派V.Bjerknes “锋 面理论与气旋波动理论” 第三阶段：1940-1960，芝加哥学派 Rossby “大 气长波理论“ 第四阶段：1960-现在 产生多门学科来预测天气
科氏力： 2V
cosj sin k
j k
2V 0 2 cos 2 sin u v w 2V 2v sin w cos i 2V fv fw i fuj fuk ~ 其中： f 2 sin , f 2 cos
u v w d 0 dt x y x
V 称为质量通量散度，表示单位体积
的流体质量通量。 V 0 表示控制体元有净流体质量流出， t 0 控制体元内流体密度则减小， V 0 表示控制体元有净流体质量流 t 0 入，控制体元内流体密度则减小，
第一章 天气学理论基础
大气运动方程 大气连续方程 大气热力学方程 大尺度大气运动方程组 P坐标系中的基本方程组 小结
§1.1 大气运动方程
d a va Fi 牛顿运动第二定律： m dt i
（适用条件：惯性坐标系，绝对坐标系）
旋转坐标系（相对坐标系）：固定于地球表面，
1010cos10sin1010101010rxryducos1010101010rzscalesvw垂直运动方程的尺度分析零级简化方程最大项fvdtfudt准地转地转偏向力与气压梯度力相平衡dwdt三大尺度系统的连续方程ln1010101010dtdpdtdt10101010102871004101010kmdz大尺度系统的局地温度变化主要是温度平流垂直运动引起的绝热变化以及非绝热变化大尺度运动满足静力平衡关系是建立p坐标系的物理基础气压随高度严格单调减少气压和高度有一一对应关系z坐标p坐标一位势与位势高度z坐标系
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]
![天气学原理和方法[1_5]](https://img.taocdn.com/s3/m/a11d620377232f60ddcca1c2.png)
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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6
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、
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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。
6、赤道水平地转偏向力等于零，不可能建立地转平 衡，也不存在地转风。低纬地区地转风原理不能应 用。
4、水平地转偏向力大小与风速成正比，与纬 度的正弦成正比。即风速越大偏向力越大， 高纬度的偏向力大 ，低纬度的偏向力小。
综上所述，单位质量空气加速度——旋转坐标系的 大气运动方程为： （g为重力，即惯性离心力和地心引力的合力）
20
第2节 控制大气运动的基本定律
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 所控制。
ur V
ur V g
1
r k
r F
f
63
讨论: ①地转偏差与摩擦力垂直并指向摩擦力方向右侧。
②摩擦力的作用使实际风速减小，风向向低压一侧
偏转。
实际风向与地转风交角：
统计结果
风向偏角
陆地 35—45% 35—45度
海上 60—70% 15—20度
③在北半球的摩擦层中，摩擦作用使得： 低压中空气水平辐合（引起上升运动，云雨天气） 高压中空气水平辐散（引起下沉运动，晴天）。
v V y
w V z
64
2.自由大气中的地转偏差
在自由大气中摩擦力很小，可以略去。气压
梯度力与地转偏向力不平衡，必然产生加速度，
引起地转偏差。
r ur ur D V V g
1
r k
ur dV
f dt
ur
ur ur ur ur
r D
1 f
r k
dV
dt
1 f
r k
V t
u V x
48
“Z”坐标系的地转风： ——地转风分量形式 ——地转风矢量形式
49
“P”坐标系的地转风： ——分量形式 ——矢量形式
50
讨论：
1、地转平衡的条件：
自由大气
中纬度范围
气流呈水平（无垂直）直线（无弯曲）运动
无摩擦
2、地转风的方向：平行于等压线，在北半球背风而立高 压在右，低压在左，南半球相反。
等压面图的高度单位(位势高度)
重力位势（位势）——单位质量物体（空气）由海平面上升到z高 度时，克服重力所做的功。
表达式:
单位：焦耳/千克 g=const
“p”坐标系的运动方程 一级简化:
零级简化:
等压面分析比等高面分析有哪些优越性？
1. 实际工作中，不观测空气密度（ρ）。在等 压面分析中，研究大气运动不需要空气密 度。
知识点
第1节 影响大气运动的作用力
作用于大气真实的力（基本力或牛顿力）：
气压梯度力 地心引力 摩擦力
考虑到地球自转的视示力（外观力）：
惯性离心力 地转偏向力（科里奥利力） 重力（地心引力和惯性离心力的合力）
4
一 .气压梯度力
作用于单位质量气块上的的净压力称为气压梯度力。
1
p y
－2u sin
Fy
dw
dt
1
p z
2u cos
g
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Fz
1.尺度简化
大气运动系统的 分类
行星尺度
水平尺度
(水平范围所占有的空间)
104 km
大尺度
103 km
中尺度
102 km
小尺度
10 km
时间尺度
周 几天 1天 几小时
不同尺度对应不同的天气系统。
气旋性环流——风速和气压梯度可无限增大 反气旋性环流——风速和气压梯度不可无限增大
53
为什么气旋中心为低压，反气旋中心为高压 ？ P41-42
梯度风与地转风的比较:
⑴气旋性环流中，地转风速>梯度风速 ⑵反气旋性环流中，地转风速<梯度风速(最大梯度风
为地转风的2倍)
55
三 、热成风
地转风随高度的改变量称热成风，即上下两层地转风 之差。
方向：垂直于 与 组成的平面，指向运动方向右侧 大小：
16
17
令
则有
18
讨论：
1、运动的物体受地转偏向力的作用（静止时 为0）。
2、 与 相垂直，且 在纬圈的平面内。
3、 与 相垂直，地转偏向力垂直于运动方向， 只改变空气块的运动方向，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， 南半球则相反。
另：重力
地心引力与惯性离心力的合力，称为重力。
14
讨论： 1、 的方向除赤道和极地外，均不指向地心。 由于地球为椭圆，地球上重力垂直于当地水平面，向下 2、重力的大小随纬度变化，极地最大，赤道最小，一般
用45纬度海平面重力值= 9.806m/s2
15
五、地转偏向力（科里奥利力）
空气块相对旋转坐标系有偏向加速度，而引入地转偏向 力。
57
58
中纬度系统的温压结构（根据成风原理） 1）中纬度对流层中，温度分布北冷南暖 所以高层为西风气流，且高度越高，西风越大 2）地面闭合高压和低压系统在高空转变为西风气流 的波状槽脊。 3）中纬度系统的温压场结构的基本特征。
地面低压中心 位于高空槽前脊后 地面高压中心 位于高空槽后脊前 高空温度槽脊落后于气压槽脊
21
补充：个别变化、局地变化
一、静力学方程 仅讨论垂直方向 ——静力学方程
——压高公式 表明两层等压面之间的厚度与其间平均温
度成正比 即 暖区：厚度大 冷区：厚度小
25
讨论: 1.气压气流的三类垂直结构
a.深厚对称系统——底层：暖-高，冷-低 b.浅薄对称系统——底层：暖-低，冷-高 c.温压场不对称系统
2. 等压面分析中计算地转风简单（不涉及ρ）。 另外等压面分析中，上下两层地转风可以 进行比较，仅决定于等高线的疏密确定地 转风大小，而等高面分析上下两层地转风 无法比较，涉及到ρ的变化。
3. 等压面分析计算水平气压梯度力简单（不 涉及ρ）。
4. 等压面分析水平散度简单，取决于垂直运 动分布（不涉及ρ）。
随高度升高，高压中心轴线向暖区倾斜 随高度升高，低压中心轴线向冷区倾斜
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2. 暖平流有利于高层高压或低层低压发展 冷平流有利于低层高压或高层低压发展
3.极地和赤道的天气系统 极地：低层冷高压，高层冷低压 赤道：低层暖低压，高层暖高压
27
二、连续方程 表示大气质量守恒的数学表达式。
28
讨论: 1，速度散度的意义 表示流体在单位时间内体积的相 对膨胀率。 称为速度散度
4. 水平气压梯度力 比垂直气压梯度力小很多。
6
补充：气压梯度指单位距离间的气压差。
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 但由于向上的气压梯度力与向下的重力达到准静力 平衡，所以虽然垂直方向上的气压梯度力大，但运 动不明显。
，其中 为比容
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单位时间质量 的变化率 单位时间体积 的变化率
30
2. 水平速度散度和垂直速度的关系
对不可压缩大气有
即
则
ur V 0
根据公式： 大气的水平辐散减弱了大气的上升运动
大气的水平辐合增强了大气的上升运动
31
3. “P”坐标系的连续方程
“P系”完整的连续方程比“z系”连续方程简单，无 密度项
二、梯度风
梯度风是气压梯度力，地转偏向力，惯性离 心力三力平衡时，空气沿等压线的曲线运动 或气压梯度力与地转偏向力不平衡时沿弯曲 等压线的运动。
天气图应用
高压中心位置标注在反气旋环流中心 低压中心位置标注在气旋环流中心 低压：越向中心，风越大，气旋中心等压线密集 高压：越向边缘，风越大，高压中心等压线稀疏
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垂直速度:
z系:
p系 :
关系式
上升运动: w>0 ω<0 下沉运动: w<0 ω>0