天气学原理-第一章

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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
26
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
,其中 为比容
29
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


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
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。
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。
59
61
四、地转偏差 实际风与地转风的偏差称为地转偏差。
r ur ur D V V g
ur ur r V Vg D
ur ur r r V V g D D
62
1.摩擦层中的地转偏差 摩擦层中的实际风是:气压梯度力,地
转偏向力和摩擦力三力平衡的空气运动
r D
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
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
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)。
方向:垂直于 与 组成的平面,指向运动方向右侧 大小:
16
17

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。
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。
32
三、热力学能量方程 1. 热力学能量方程普遍形式
质量加热率
——单位
33
2,大尺度系统的简化热力学能量方程 一级简化:
➢ 上式表示局地(固定点)温度变化是由温度平流、稳定 度和垂直运动绝热变化的乘积及非绝热作用造成
零级简化:
➢ 上式表示大尺度系统中的局地(固定点)温度变化是由 温度平流和非绝热作用造成
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
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。
34
第3节 大尺度运动系统的控制方程
35
一.标准坐标系的运动方程(局地直角坐标系或旋转坐标系)
ur dV

1
ur ur ur ur p 2V g F
dt
du
分量形式:
dt


1

p x
2 sin
2wcos

Fx

dv

dt

10
摩擦力的简化形式:
11
四、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。
13
v V y
w V z
天气学原理和方法
第一章 大气运动的基本特征
章节内容
1 影响大气运动的作用力
2 控制大气运动的基本定律 3 大尺度运动系统的控制方程 4 “P”坐标系中的基本方程组 5 风场和气压场地关系
本章要点
1.气压梯度力、地心引力、摩擦力、惯性离心力、地转偏向力 的定义、表达式和意义
2.大尺度系统的运动方程的简化方程式(一级、零级 z系、p系)

1

p y
-2u sin

Fy

dw

dt


1

p z
2u cos

g

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。
而水平方向上力虽小但运动明显,故大气基本 上是准水平运动。
7
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,G为引力常数,r的方向由M指向m)
8
因为 : 所以 :
—— 海平面的地心引力(常数)
9
三、 摩擦力
单位质量空气块所受到的净粘滞力称摩擦力。 ( 为摩擦系数)
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
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
ur ur ur V t V g2 V g1
ur Vt

R f
ln
P1 P2
r k
Tm
56
讨论:
1、热成风与等平均温度线平行,背热成风而立,高温 在右,低温在左。
2、热成风风速大小与平均温度梯度成正比,与纬度成 反比,等温线越密集热成风越大。
3、热成风与冷暖平流 地转风随高度逆转时——气层中有冷平流 地转风随高度顺转时——气层中有暖平流
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。
5
气压Biblioteka Baidu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。
37
2.大尺度系统的简化方程
一级简化方程(最大项,次大项) f 2sin
du

dt


1

p x

fv

dv

dt

1

p y

fu

0

1

p x
g

零级简化方程(最大项)
0


1

p x

f v
44
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
45
“P”坐标系中大气运动基本方程组
第5节 风场和气压场的关系
47
一 、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。
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
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。
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)。
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。
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。
相关文档
最新文档